BG112818A - Безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити - Google Patents

Abstract

Електрическата машина е предназначена за работа при повишени претоварвания и скорости на въртене, при намалени пулсации на въртящия момент, работеща като генератор или двигател. Статор (7) е с намотка (10) от проводници с правоъгълно сечение с по два активни проводника (Na) в канал и по три елементарни проводника (Nel) в активен проводник (Na) с транспозиция. Ротор (12) съдържа пакет, набран от олекотени листове с формирани аксиални канали (14) с втикнати в тях постоянни магнити (15). В зоните под магнитите (15) са оформени участъци (18) с повишено магнитно съпротивление. Каналите на статора (7) са скосени на размер, равен на разстоянието между постоянните магнити (15). Отношението на каналното деление (t4) към вътрешния диаметър (Da) на статора (7) е лимитирано в обхвата от 0,039 до 0,048.

Description

БЕЗЧЕТКОВА ЕЛЕКТРИЧЕСКА МАШИНА С ВЪЗБУЖДАНЕ ОТ ПОСТОЯННИ МАГНИТИ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, предназначена за работа при повишени претоварвания и скорости на въртене, при намалени пулсации на въртящия момент, работеща като генератор и двигател в двузонни електрозадвижвания с електронно управление за електротранспортни средства, в металорежещи машини е цифрово програмно управление, в средствата за автоматизация и др.

ПРЕДШЕСТВУВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известна е безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити [1], включваща вал, лагеруван в преден и заден щитове посредством преден и заден лагери. Между предния и задния щит е затворен корпус, обхващащ статор. Статорът е съставен от статорен пакет, по чиято вътрешна повърхност са разположени равномерно множество канали, в които е положена поне една фазна намотка, съставена от три или повече фази. Статорът обхваща роторен комплект, съставен от набор от стоманени пластини, съдържащ магнитопроводим пръстен, в които са оформени аксиални канали, в които са втикнати постоянни магнити. Магнитопроводимият пръстен на роторния комплект е свързан неподвижно с вала посредством междинен елемент. Междинният елемент е е висока стойност на магнитното съпротивление. В яремната част на магнитопроводимия пръстен, по вътрешната стена на аксиалните канали, обхващащи постоянните магнити, в зоната под средите на последните, са оформени прекъсвания с ширина, не надвишаваща половината дебелина на постоянните магнити. Между всеки постоянен магнит и външната стена на аксиалния канал, в който е разположен постоянният магнит, е оформена тънка въздушна междина, в която са втикнати тесни топлоизолационни прокладки между отрезовите части на магнитопроводимия пръстен и постоянните магнити. Междинният елемент с висока стойност на магнитното съпротивление, свързващ магнитопроводимия пръстен е вала, може да бъде изпълнен като немагнитопроводима втулка или да бъде изпълнен интегрално с магнитопроводимия пръстен.

Недостатък на известната електрическа машина е нарушената й компактност, създаваща възможност за разместване една спрямо друга на двете разделени половини на допирната повърхност в аксиалния канал под постоянния магнит, дължащо се на силите, породени при екстремни стойности на въртящия момент и отлепване на магнитите, ако последните са залепени, както и на отсъствието на компактна връзка между постоянните магнити и отрезовите части на ротора, разположени над постоянните магнити, дължащо се на топлоизолационните прокладки, което създава условия за самостоятелно трептене на отрезовите части.

Друг недостатък на известната електрическа машина е формирането на значителни пулсации в електродвижещото напрежение, създавано при въртенето на електрическата машина, дължащи се на структурата на статора и ротора на електрическата машина. Тези пулсации са пречка за електронното управление на режимите на работа на електрозадвижванията.

Недостатък е, също така, че не са подбрани подходящи съотношения в структурата на електрическата машина с възбуждане от постоянни магнити, които да осигуряват допустим топлинен режим на работа.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Задача на изобретението е да се създаде безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити с повишена компактност, намалени пулсации на електродвижещото напрежение и подобрен допустим топлинен режим на работа.

Тази задача се решава посредством безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, включваща вал, лагеруван в преден и заден щитове посредством преден и заден лагери, като между предния и заден щитове е затворен корпус, обхващащ неподвижно статор, който е съставен от статорен пакет, по чиято вътрешна повърхност са разположени равномерно множество канали, с ширина t4 на канално деление по вътрешния диаметър на статора, в които е положена фазна намотка, съставена от три или повече фази с проводници с правоъгълно сечение. Статорът е обхващащ подвижно роторен комплект, съдържащ магнитопроводим пръстен, съставен от набор от стоманени пластини, в които са оформени аксиални канали, в които са втикнати постоянни магнити. Междините между вътрешната повърхност на каналите и постоянните магнити са запълнени със залепваща субстанция. Магнитопроводимият пръстен на роторния комплект включва външен магнитопроводим пръстен и вътрешен магнитопроводим пръстен, свързан с вала посредством междинни елементи с висока стойност на магнитното съпротивление. Външният магнитен пръстен е формиращ възбудителното магнитно поле във въздушната междина между ротора и статора, и включва отрезови части, разположени над постоянните магнити, и стеснени участъци с еднакъв радиален размер hl и общ тангенциален размер tl извън постоянните магнити. Външният и вътрешният магнитни пръстени в участъците между постоянните магнити са свързани помежду си с радиални ивици с ширина, включена в размера tl. Вътрешният магнитен пръстен е съставен от призматични форми, всяка от които е разположена под съседните половини на постоянните магнити и е с максимален радиален размер под зоните между постоянните магнити и с намаляващ радиален размер към средите на постоянните магнити. Съгласно полезния модел, призматичните форми под средите на съседните постоянни магнити са свързани с тесни ивици с радиален размер h2 < 1mm и тангенциален размер t3, който удовлетворява неравенството 3,5h2 < t3 < 5h2. Множеството канали по вътрешната повърхност на статора са наклонени спрямо образуващата на вътрешната цилиндрична повърхност на статора на размер t3, съответствуващ на условието 0,9tl < t2 < 1,1 tl, а отношението на ширината t4 на каналното деление по вътрешната повърхност на статора към диаметъра Da на вътрешната повърхност на статора е определено от условието 0,039 < t4/Da < 0,048|. Броят на активните проводници Na в канала е равен на 2, а броят на елементарните проводници Nel в един активен проводник Na е 3. Трите елементарни проводници Nel на два активни проводника Na, влизащи в състава на една секционна група, са транспонирани чрез обхващане един от друг.

Предимство на безчетковата електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, съгласно полезния модел, е, че при запазена монолитност на магнитната система на ротора е повишена устойчивостта на постоянните магнити срещу размагнитване при намалена маса на постоянните магнити. Друго предимство е, че стойността А на пулсациите на електродвижещото напрежение на електрическата машина е силно намалена. Предимство е и това, че чрез формулираните съотношения и параметри на структурата на безчетковата електрическа машина с постоянни магнити, са лимитирани топлинните потоци, излъчвани от статорната намотка и при режимите на работа е осигурен допустим температурен интервал на нагряване.

КРАТКО ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

Изобретението се пояснява по-подробно от приложените фигури,където:

Фиг. 1 представлява надлъжен частичен разрез през средата на постоянен магнит от роторния комплект на безчетковата електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, съгласно изобретението.

Фиг. 2 представлява частичен напречен разрез на ротора на безчетковата електрическа машина.

Фиг. 3 представлява поглед върху част от вътрешната повърхност на статора на безчетковата електрическа машина.

Фиг. 4 показва карта на пътищата на магнитните потоци.

ПРИМЕРИ НА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Примерното изпълнение на безчетковата електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, съгласно изобретението, показано на фиг. 1, включва вал 1, лагеруван в преден щит 2 и заден щит 3 посредством преден лагер 4 и заден лагер 5. Между предния щит 2 и задния щит 3 е затворен корпус 6, обхващащ неподвижно статор 7. Статорът 7 е съставен от статорен пакет 8, по чиято вътрешна повърхност 9 са разположени равномерно множество канали 10. В каналите е положена намотка 11. От статора 7 е обхванат подвижно роторен комплект 12, съдържащ магнитопроводим пръстен 13, съставен от набор от стоманени пластини, в който са оформени аксиални канали 14, в които са втикнати постоянни магнити 15. Магнитопроводимият пръстен 13 на роторния комплект 12 включва външен магнитопроводим пръстен 16 и вътрешен магнитопроводим пръстен 17, свързан с вала 1 посредством междини елементи 18 с висока стойност на магнитното съпротивление. Електрическата машина е снабдена с датчик за управление 19.

На фиг. 2 е показан частичен напречен разрез на роторен комплект 12 с външен магнитопроводим пръстен 16, включващ отрезови части 20 и стеснени участъци 21 с еднакъв радиален размер hl и общ тангенциален размер tl. Външният магнитопроводим пръстен 16 е свързан с вътрешния магнитопроводим пръстен 17 посредством радиални ребра 22. Вътрешният магнитопроводим пръстен 17 е свързан с вала 1 посредством междинни елементи 18 с високо магнитно съпротивление. Вътрешният магнитен пръстен 17 е съставен от призматични тела 23, които са свързани помежду си с тесни ивици 24, които са с радиален размер h2 < 1mm и тангенциален размер t3, като 3,5hl < t3 < 5hl.

На фиг. 3 е показан поглед към вътрешната повърхност на статора. Каналите 10 са наклонени тангенциално спрямо образуващата на вътрешния цилиндър на статора 7, като двата края на каналите 10 са разместени тангенциално един спрямо друг на разстояние t2, което удовлетворява неравенството 0,9tl < t2 < l,ltl.

На фиг. 4 е показана карта на пътищата на магнитните потоци Fml, създавани от съседни половини на съседните постоянни магнити 15 и на магнитните потоци Fwl, Fw2 и Fw3, създавани от статорната намотка 11. Fwl е магнитен поток затварящ се в едно полюсно деление, и пресичащ в различни посоки двете половини на постоянния магнит 15 и затварящ се през стеснената ивица 24, разположена под средата на постоянния магнит 15. Fw2 е магнитния поток, преминаващ в различни посоки през радиалните ребра 22, обграждащи постоянния магнит 15, и имащ общи участъци с Fwl над каналите 10 и под постоянния магнит 15. Fw3 е магнитен поток, затварящ се през междинния елемент 18 е повишено магнитно съпротивление и имащ общи участъци в радиалните ребра 22 с магнитен поток Fw2. Размерът t4 на канално деление и размерът Da на вътрешния диаметър на статора 7 са в съотношение, определено от неравенството 0,039 < t4/Da < 0,048. Показано е, че в канала 10 на статора 7 има по два активни проводника Na и всеки активен проводник Na е съставен от три елементарни проводника Nel с правоъгълно сечение.

В друг вариант на изпълнение на изобретението статорът 7 може да е затворен между предния щит 2 и задния щит 3, т. е. електрическата машина може да се реализира по същия начин, както беше описано по-горе, но без корпус 6.

ДЕЙСТВИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

При подаване на променливо електрическо напрежение на статорната намотка 11, съгласувано по стойност и честота, през статорната намотка 11 протича електрически ток, който във взаимодействие е магнитните потоци Fml създава въртящ момент. Електрическият ток създава собствен напречен поток в зоната на всеки магнит 15. В зависимост от пътищата през които преминава, този магнитен поток е разделен на три вида части - Fwl, Fw2 и Fw3. Частите Fwl пробождат двете половини на постоянните магнити 15 в различни посоки и в едната половина са противопосочни на магнитните полета Fml, създавани от постоянните магнити 15 и действат размагнитващо. Частите Fw2 преминават извън постоянните магнити 15 през радиалните ребра 22. В зоните под постоянните магнити 15, магнитните потоци Fwl и Fw2 преминават общо през ивиците 24, оформени под средите на постоянните магнити 15 като части от вътрешния магнитен пръстен 17. Така потокът Fw2 ограничава допълнително стойността и размагнитващото действие на потока Fwl. А потокът Fw3 способства по-голяма част от потока Fw2 да се насочи към ивиците 24 за намаляване на потока Fwl. Така е повишена устойчивостта на постоянните магнити 15 срещу размагнитване.

Пулсациите в напрежението, индуктирано от постоянните магнити 15 и отклонението му от синусоидалната форма са минимизирани, дължащо се на скосяването на стойността t2 на каналите 10 на статора 7. Така са ограничени пулсациите на въртящия момент. По този начин са отстранени хармоничните съставящи в тока, генериращи допълнителни електрически загуби.

Чрез лимитиране на стойностите на отношението t4/Da, на броя на активните проводници Na в канал 10 и на броя на паралелните елементарни проводници Nel в един активен проводник Na са лимитирани създаваните от статорната намотка 11 топлинни потоци, като, същевременно, са лимитирани и стойностите на топлинните съпротивления при излъчване на тези потоци. По-специално, е лимитирана стойността на коефициента на FILD, определящ отношението на допълнителните загуби от вихрови токове към основните електрически загуби. Чрез избраната структура на активните проводници Na, в които елементарните проводници Nel са обхванати един от друг, са редуцирани стойностите на циркулационните токове, създаващи допълнителни загуби в елементарните проводници Nel и са постигнати високи стойности на коефициента на полезно действие в широк диапазон на натоварванията. Така е обезпечена работа на електрическата машина в допустим топлинен интервал, а повишаването на омическото съпротивление и на основните електрически загуби в медните проводници е ограничено.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ РЕЗУЛТАТИ ПРИ ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЕКПЕРИМЕНТАЛЕН ОБРАЗЕЦ, РЕАЛИЗИРАЩ ПОЛЕЗНИЯ МОДЕЛ

Сравнени са физически експериментален образец, изработен в съответствие с изобретението, и виртуален образец с някои характерни различия от патента при еднакви номинални мощности 45 KW, еднакви номинални моменти 150 Nm, двукратни максимални мощности, моменти и скорости на въртене, с практически еднакви габаритни размери: дължина на статора с намотката около 200 mm и диаметър на статора под 200 mm, равни напрежения и охлаждане с течност.

За физическия образец броят на активните проводници Na е 2, а броят на елементарните проводници Nel е 3, стойността на отношението t4/Da е между 0,039 и 0,045, при 12 полюса. Общите загуби са 2100 W, а КПД е 95%. Температура на намотката при температура на охладителната течност е 130 градуса.

За виртуалния образец броят на активните проводници Na в канал е 4, броят на елементарните проводници Nel е 1, стойност на отношението t4/Da е 0,058 при 6 полюса. Общите загуби са 4000 W, а КПД е 0,91%. Температура на намотката при режим S1 и температура на охладителната течност 85 градуса е над 200 градуса.

При сравняване на горните резултати се установява, че общите загуби на експерименталния образец са намалени почти на половина, а температурата на намотката на статора е намалена значително - от над 200 градуса на 130 градуса.

ЦИТИРАНА ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка за патент в България вх. № 112317 от 09.06.2016 г. БЕЗЧЕТКОВА ЕЛЕКТРИЧЕСКА МАШИНА С ВЪЗБУЖДАНЕ ОТ ПОСТОЯННИ МАГНИТИ

Claims (1)

1. ПРЕТЕНЦИИ

   1. Безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, включваща вал, лагеруван в преден и заден щитове посредством преден и заден лагери, като между предния и заден щитове е затворен корпус, обхващащ неподвижно статор, който е съставен от статорен пакет, по чиято вътрешна повърхност са разположени равномерно множество канали, с ширина t4 на канално деление по вътрешния диаметър на статора, в които е положена фазна намотка, съставена от три или повече фази с проводници с правоъгълно сечение, а от статора е обхванат подвижно роторен комплект, съдържащ магнитопроводим пръстен, съставен от набор от стоманени пластини, в които са оформени аксиални канали, в които са втикнати постоянни магнити, като междините между вътрешната повърхност на аксиалните канали и постоянните магнити са запълнени със залепваща субстанция, а магнитопроводимият пръстен на роторния комплект включва външен магнитопроводим пръстен и вътрешен магнитопроводим пръстен, свързан с вала посредством междинни елементи с висока стойност на магнитното съпротивление, като външният магнитен пръстен е формиращ възбудителното магнитно поле във въздушната междина между ротора и статора, и включва отрезови части, разположени над постоянните магнити, и стеснени участъци с еднакъв радиален размер hl и общ тангенциален размер tl извън постоянните магнити, като външният и вътрешният магнитни пръстени в участъците между постоянните магнити са свързани помежду си с радиални ребра с ширина, включена в размера tl, а вътрешният магнитен пръстен е съставен от призматични форми, всяка от които е разположена под съседните половини на постоянните магнити и е с максимален радиален размер под зоните между постоянните магнити и с намаляващ радиален размер към средите на постоянните магнити, характеризираща се с това, че призматичните форми (23), разположени под средите на съседните постоянни магнити (15) са свързани с тесни ивици (24) с радиален размер h2 < 1mm и тангенциален размер t3, които удовлетворяват неравенството 3,5h2 < t3 < 5h2, а множеството канали (10) по вътрешната повърхност на статора (7) са наклонени спрямо образуващата на вътрешната цилиндрична повърхност на статора (7) на разстояние t2, съответствуващо на условието 0,9t 1 < t2 < 1,1 tl и отношението на ширината t4 на каналното деление по вътрешната повърхност (9) на статора (7) към диаметъра Da на вътрешната повърхност (9) на статора (7) е определено от условието 0,039 < t4/Da < 0,048, при което броят на активните проводници Na в канала (10) е равен на 2, а броят на елементарните проводници Nel в елин активен проводник Na е 3, като трите елементарни проводници Nel на двата активни проводника Na, влизащи в състава на една секционна група, са транспонирани чрез обхващане един от друг.