BG4089U1 - Безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити - Google Patents

Abstract

Безчетковата машина е предназначена за електрически задвижвания, по-специално, на лодки, помпи, електрически превозни средства, като и за работа като серводвигател и др. Безчетковата електрическа машина осигурява повишена мощност при съществено намалени тегло и инерционен момент на ротора й. Роторът (11) е съставен от външен (12), междинен (13) и вътрешен (14) стоманени пръстени. Повърхността на полюсите на ротора (11) е оформена от свързани помежду си отрезови части (15). В ротора (11), над постоянните магнити (17), са оформени продълговати втори аксиални канала (20). При брой на полюсите 2р по-малък от шестнадесет и при диаметър на ротора (11) по-голям от 0,15 m, първите аксиални канали (16) са разделени на две равни части от трето радиално ребро (25) с максимална ширина 0,0025 m, което е разположено под средата на отрезовата част (15) и е свързващо междинния пръстен (13) с външния пръстен (12).

Description

Област на техниката

Полезният модел се отнася до безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, предназначена за задвижване, по-специално, на лодки, помпи, електрически превозни средства, за работа като серводвигател и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити [1], предназначена за задвижване на електрически превозни средства, включваща вал, лагеруван в преден и заден щитове, посредством преден и заден лагери. Предният и задният щитове обхващат статор. съдържащ статорен пакет, обхванат неподвижно от корпус. По вътрешната повърхност на статорния пакет са разположени множество равномерно разпределени канали, в които е положена трифазна намотка. Статорът обхваща подвижно пръстеновиден ротор, закрепен неподвижно върху вала. В ротора са оформени поне два полюса от постоянни магнити, които са втикнати в първи аксиални канали, разположени в близост до външната му повърхност. Постоянните магнити са разположени в ротора в един или повече слоя. В близост до постоянните магнити и до външната повърхност на ротора са оформени множество втори аксиални канали, влияещи на магнитния поток между ротора и статора. Вторите аксиални канали са разположени от двете страни на постоянните магнити. Каналите са отделени от външната повърхност на ротора чрез тънки ивици.

Проблем на тази известна електрическа машина е понижената й мощност при увеличени тегло и инерционен момент на ротора й.

Понижената мощност се дължи на факта, че при реализация на електрическата машина с един слой постоянни магнити, третата хармонична съставяща на магнитното поле във въздушната междина е с повишена стойност, което повишава загубите в желязото на статора. Друга причина за това е, че при свързване на фазите в триъгълник са повишени и електрическите загуби от третата хармонична съставяща на тока.

Повишената стойност на индуктивното съпротивление, се дължи на повишената стойност на напречния магнитен поток, създаван от статорната намотка. Това е причина за повишена стойността на тока и на електрическите загуби, по-специално, при работа в първа зона, която се характеризира с постоянен момент.

Когато известната машина е реализирана с намалена ширина на постоянните магнити и с повече от един слой магнити, проблем е повишената маса на магнитите, дължащо се на отдалечаване на работната зона на магнитите от точката на характеристиката, при която енергията е максимална.

Техническа същност на полезния модел

Задача на полезния модел е да се създаде безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити с повишена мощност при съществено намаление на теглото и на инерционния момент на ротора й.

Тази задача се решава с безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, включваща вал, лагеруван в преден и заден щитове, посредством преден и заден лагери, като предният и задният щитове обхващат статор, съдържащ статорен пакет, обхванат от корпус. По вътрешната повърхност на статорния пакет са разположени множество равномерно разпределени канали, в които е положена трифазна 2

BG 4089 UI намотка. Статорът обхваща подвижно пръстеновиден ротор, закрепен неподвижно върху вала. В ротора са оформени поне два полюса от постоянни магнити, втикнати в първи аксиални канали, разположени в близост до външната му повърхност. В близост до постоянните магнити и до външната повърхност на ротора са оформени поне два втори аксиални канали, влияещи на магнитния поток между ротора и статора. Съгласно полезния модел, пръстеновидният ротор съдържа външен стоманен пръстен, междинен стоманен пръстен и вътрешен стоманен пръстен. Външният стоманен пръстен съдържа последователно свързани помежду си отрезови части, всяка от които е оформена, като част от стоманен цилиндър, отрязана по равнина, съдържаща хорда от напречното сечение на цилиндъра. Оста на цилиндричната повърхност на всеки полюс не съвпада с оста на вала. Вторите аксиални канали, влияещи на магнитния поток между ротора и статора, са оформени в отрезовите части, успоредни са на оста на ротора и се простират по цялата му дължина. Всеки втори аксиален канал има две плоски срещулежащи стени, ориентирани радиално спрямо оста на ротора.

Двата края на плоските срещулежащи стени на всеки втори аксиален канал, които са в близост до постоянния магнит и съответно до външната повърхност на ротора, са свързани помежду си чрез съответни части от цилиндрични повърхности, чиито изпъкнали части са насочени, съответно към постоянния магнит и външната повърхност на ротора. Най-изпъкналата част на всяка цилиндрична повърхност отстои от постоянния магнит, съответно от външната повърхност на ротора, на разстояние по-малко от 0,0025 m, а найголямото разстояние а между срещулежащите плоски стени на всеки втори аксиален канал е по-малко от 0,0025 т. Разстоянието β между най-изпъкналите части на срещулежащите цилиндрични повърхности на всеки втори аксиален канал е променящо се и намалява в посока от средата на отрезовата част към двата й края. Под плоската стена на всяка отрезова част е оформен първият аксиален канал, в който е втикнат постоянния магнит. Външната повърхност на отрезовата част е полюс на ротора и има три характерни точки, от които едната е в средата на полюса, отстоящта на разстояние 61 от вътрешната повърхност на статора, а останалите две точки са разположени симетрично спрямо нея на разстояние една трета от полюсното деление и са отстоящи от вътрешната повърхност на статора на разстояние 62, при което б 1 <62<2,661. Междинният стоманен пръстен включва четириъгълни призматични части с максимален радиален размер 0,6 Da/p. Всяка от четириъгълните призматични части принадлежи на два съседни полюса на ротора. Четириъгълните призматични части са свързани помежду си чрез втори ивици, които са разположени под средите на полюсите. Външният стоманен пръстен обхваща междинния стоманен пръстен и е свързан с него посредством първи радиални ребра, разположени на границите между полюсите. Отрезовите части в областта между постоянните магнити и първите радиални ребра са оформени, като първи ивици с максимален радиален размер 0,0006 т. Междинният стоманен пръстен е свързан с вътрешния стоманен пръстен посредством втори радиални ребра, които са разположени под средите на четириъгълните призматични части. Между междинния стоманен пръстен, вътрешния стоманен пръстен и свързващите ги втори радиални ребра са оформени множество идентични по форма и размери отвори отстоящи на равни разстояния помежду си.

За предпочитане е минималният тангенциален размер на първите радиални ребра да е по-малък от 0,0025 т.

За предпочитане е вторите ивици да са с максимален радиален размер 0,003 m и максимален тангенциален размер 0,006 т.

За предпочитане е вторите радиални ребра да са с тангенциален размер по-малък от 0,005 т.

BG 4089 UI

При брой на полюсите 2р по-малък от шестнадесет и при диаметър на ротора по-голям от 0,15 т, аксиалните канали са разделени на две равни части от трето радиално ребро с максимална ширина 0,0025 т, което е разположено под средата на отрезовата част и е свързващо междинния пръстен с външния пръстен, като във всеки разделен аксиален канал е поставен съответен постоянен магнит.

Предимство на безчетковата електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, съгласно полезния модел е, че има увеличена мощност на електрическата машина, която се обуславя от това, че е намалена третата хармонична съставяща в полето на магнитната индукция над полюсите, както и на това, че при свързване в триъгълник, е намалена и третата хармонична съставяща на тока във фазите, дължащо се на ексцентричността на повърхността на полюсите спрямо вътрешния диаметър на статора. което води до намалени загуби в желязото на статора и на електрическите загуби от третата хармонична на тока във фазите при свързване в триъгълник, от там и до повишена мощност.

Друга причина за осигуряване на повишената мощност на електрическата машина, е намалението на напречното магнитно поле, създавано от статорната намотка, дължащо се на наличието на групи от канали в отрезите, в резултат на което са намалени индуктивното съпротивление на статорната намотка, стойността на тока и електрическите загуби.

Друго предимство на електрическата машина, съгласно полезния модел, е повишената устойчивост срещу размагнитване на постоянните магнити от полето на статорната намотка, дължащо се на повишеното магнитно съпротивление в междинния пръстен, дължащо се на стеснението, реализирано под средите на постоянните магнити.

Следващо предимство е намалените тегло и инерционен момент на ротора, дължащо се на наличието на стеснения в междинния пръстен и на разделението на вътрешния от междинния пръстен посредством вторите ребра. Зоната на действие на постоянните магнити е по-близо до зоната с максимална енергия, дължащо се на увеличената ширина на постоянните магнити.

Пояснение на приложените фигури

Безчетковата електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, съгласно полезния модел, се пояснява с помощта на няколко примерни изпълнения, показани на приложените фигури, където:

Фигура 1 представлява надлъжен полуразрез през средата на постоянен магнит на първо примерно изпълнение на полезния модел, реализирано с цели магнити на безчеткова електрическа машина;

Фигура 2 представлява напречен частичен полуразрез на ротора и статора на безчеткова електрическа машина на първото примерно изпълнение на полезния модел;

Фигура 3 представлява надлъжен полуразрез през средата на полюс на безчеткова електрическа машина на второ примерно изпълнение на полезния модел, реализирано с разделени на две части постоянни магнити посредством ребра;

Фигура 4 представлява напречен частичен полуразрез на ротора и статора на безчеткова електрическа машина, реализирана чрез второ примерно изпълнение на полезния модел, при което постоянните магнити са разделени на две части посредством ребра;

Фигура 5 представлява уголемен частичен разрез, показващ свързването на две съседни отрезови части в областта между два съседни постоянни магнита.

BG 4089 UI

Примери на изпълнение на полезния модел

На фигура 1, фигура 2 и фигура 5 е показано първо примерно изпълнение на полезния модел, включващо вал 1, лагеруван в преден щит 2 и заден щит 3 посредство.м преден лагер 4 и заден лагер 5. Предният щит 2 и задният щит 3 обхващат статор 6 с вътрешен диаметър Da. Статорът 6 съдържа статорен пакет 7, обхванат неподвижно от корпус 8. По вътрешната повърхност на статорния пакет 7 са оформени множество равномерно разпределени канали 9. Във всеки канал 9 е положена изолирана намотка 10. Статорният пакет 7 обхваща подвижно пръстеновиден ротор 11. Пръстеновидният ротор 11 съдържа външен стоманен пръстен 12, междинен стоманен пръстен 13 и вътрешен стоманен пръстен 14. Външният стоманен пръстен 12 съдържа последователно свързани помежду си отрезови части 15. Всяка отрезова част 15 е оформена, като част от стоманен цилиндър, отрязана по равнина, съдържаща хорда от напречното сечение на цилиндъра, а оста на цилиндричната повърхност на всеки полюс не съвпада с оста на вала 1. В пръстеновидният ротор 11, под плоската стена на всяка отрезова част 15 е оформен първи аксиален канал 16, разположен по хорда. в който е втикнат постоянен магнит 17 с формата на паралелепипед. Външната повърхност на отрезовите части 15 е полюс на ротора 11 и има три характерни точки. Едната от характерните точки се намира в средата на полюса и е на отстояние 61 от вътрешната повърхност на статорния пакет 7. Другите две характерни точки са симетрични на средата на полюса и са разположени на разстояния, равняващи се на една трета от полюсното деление, и са на отстояние 62 от вътрешната повърхност на статорния пакет 7, при което е изпълнена условието 61 <62<2,661.

Както е показано на фигура 2, външният стоманен пръстен 12 обхваща междинния стоманен пръстен 13 и е свързан с него посредством първи радиални ребра 18 с минимален тангенциален размер по-малък от 0,0025 т. Първите радиални ребра 18 са разположени на границите между полюсите на ротора 11. Отрезовите части 15 в участъка между постоянните магнити 17 и първите ребра 18 имат оформени първи ивици 19 с максимален радиален размер 0.0006 m (фиг. 5).

Във всеки полюс на ротора 11, под плоската стена на отрезовите части 15, първите аксиални канали 16, разположени по хорда, са обградени странично от първите радиални ребра 18. Всеки две съседни отрезови части 15 са свързани чрез първи ивици 19. Във всяка отрезова част 15, в областта над постоянния магнит 17 и външната повърхност на ротора 11 са оформени шест втори аксиални канали 20, влияещи на магнитния поток между ротора 11 и статора 6. Вторите аксиални канали 20 са успоредни на оста на ротора 11 и се простират по цялата му дължина. Всеки втори аксиален канал 20 има две плоски срещулежащи стени, ориентирани радиално спрямо оста на ротора 11. Двата края на плоските срещулежащи стени на всеки втори аксиален канал 20, които са в близост до постоянния магнит 17 и съответно до външната повърхност на ротора 1 1, са свързани помежду си чрез съответни части от цилиндрични повърхности. Изпъкналите части на цилиндричните повърхности са разположени в посока към постоянния магнит 17, съответно, към външната повърхност на ротора 11. Най-изпъкналите части на всяка цилиндрична повърхност отстои от постоянния магнит 17, съответно от външната повърхност на ротора 11, на разстояние по-малко от 0,0025 т. Срещулежащите плоски стени на всеки втори аксиален канал 20 са разположени така, че най-голямото разстояние а между тях е помалко от 0,0025 т. Разстоянието β между най-изпъкналите части на срещулежащите цилиндрични повърхности на всеки втори аксиален канал 20 е различно и намалява в посока на двете странични първи ивици 19, обграждащи съответната отрезова част 15. Междинният стоманен пръстен 13 включва четириъгълни призматични части 21 с максимален радиален размер 0,6 Da/p. Всяка четириъгълна

BG 4089 UI призматична част 21 принадлежи на два съседни полюса на ротора 11 и има ос, която е успоредна на оста на статора 6. Четириъгълните призматични части 21 са свързани помежду си чрез втори ивици 22, които са разположени под средите на полюсите и са с максимален радиален размер 0,003 m и максимален тангенциален размер 0,006 т. Междинният стоманен пръстен 13 е свързан с вътрешния стоманен пръстен 14 посредством втори радиални ребра 23 с максимален тангенциален размер 0,005 т, които са разположени под средите на четириъгълните призматични части 21. Между междинният стоманен пръстен 13, вътрешния стоманен пръстен 14 и свързващите ги втори радиални ребра 23 са оформени множество идентични по форма и размери отвори 24, отстоящи на равни разстояния помежду си.

На фигура 3. фигура 4 и фигура 5 е показано второ примерно изпълнение на полезния модел, което е приложимо при брой на полюсите 2р по-малък от 16 и при диаметър на ротора 11 по-голям от 0,15 т. Това примерно изпълнение се отличава от първото примерно изпълнение по това, че първите аксиални канали 16, разположени по хорда, са разделени на две равни части от трето радиално ребро 25 с максимална ширина 0,0025 т, което е разположено под средата на отрезовата част 15 и свързва междинния пръстен 13 с външния пръстен 12. Във всеки разделен първи аксиален канал 16 е втикнат съответен постоянен магнит 17.

Възможно е, примерните изпълнения, описани по-горе, да бъдат реализирани и без корпус 8.

Възможно е към безчетковата електрическа машина, съгласно полезния модел, да е присъединен датчик за управление 26.

Действие на полезния модел

От постоянните магнити 17 се създава постоянен магнитен поток, който се затваря между съседните полюси и преминава през въздушната междина между ротора 11 и статора 6. При подаване на управляемо трифазно напрежение на статорната намотка 10. от взаимодействието на протичащия ток в намотката 10 с магнитния поток се поражда въртящ момент, който при въртенето на пръстеновидния ротор 11 формира съответна мощност.

Чрез ексцентричната въздушна междина, постоянните магнити 17 в ротора 11 на безчетковата електрическа машина създават магнитно поле във въздушната междина над всеки полюс с най-голяма стойност на магнитната индукция в средата на полюса и с намаляващи стойности на магнитната индукция към краищата на полюса. Така при един слой постоянни магнити 17 във въздушната междина е намалена третата хармонична съставяща на магнитното поле. Чрез вторите аксиални канали 20 в отрезовите части 15 във външния стоманен пръстен 12 на ротора 11, при работа на електрическата машина е намалено индуктивното съпротивление и е намалена стойността на тока, без да се предизвиква намаление на мощността. Като резултат от това, при работа на електрическата машина са намалени железните и основните загуби, а когато е осъществено свързване на фазите й в триъгълник са намалени и допълнителните електрически загуби. В резултат на това е повишена мощността.

Експериментални данни при изследване на експериментален образец, реализиращ полезния модел

Експериментално е изследван физически образец, който е изработен без да са въведени подобренията, съгласно полезния модел и той е сравнен с физически образец, който е изработен, съгласно полезния модел. Конструктивните параметри на двата образеца са: външен диаметър на статора 0,18 т; вътрешен диаметър на статора 0,14 т; дължина на статорния пакет 0,05 т; 2р = 12; брой на каналите Z = 72; свързване на намотките в триъгълник. Номинални параметри: мощност 5 kW; скорост на въртене 5000 min - 1; напрежение на

BG 4089 UI батерията 48 V. Чрез измерване на полезната мощност, което е осъществено чрез измерване на скоростта на въртене и момента, е установено повишение на коефициента на полезното действие на образеца, изработен съгласно полезния модел, спрямо образеца, който не е изграден съгласно полезния модел, от 89,8% на 93,7% т. е. мощността е повишена с над 0,2 kW, а теглото на стоманата е намалено с около 30%, при инерционен момент, намален с 20%.

Claims (1)

1. Безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, включваща вал, лагеруван в преден и заден щитове, посредством преден и заден лагери, като предният и задният щитове обхващат статор, съдържащ статорен пакет, обхванат от корпус, а по вътрешната повърхност на статорния пакет са разположени множество равномерно разпределени канали, в които е положена трифазна намотка, при което статорът обхваща подвижно пръстеновиден ротор, закрепен неподвижно върху вала, при което в ротора са оформени поне два полюса от постоянни магнити, втикнати в първи аксиални канали, разположени в близост до външната му повърхност, при което в близост до постоянните магнити и до външната повърхност на ротора са оформени поне два втори аксиални канали, влияещи на магнитния поток между ротора и статора, характеризираща се с това, че пръстеновидният ротор (11) съдържа външен стоманен пръстен (12), междинен стоманен пръстен (13) и вътрешен стоманен пръстен (14), при което външният стоманен пръстен (12) съдържа последователно свързани помежду си отрезови части (15), всяка от които е оформена като част от стоманен цилиндър, отрязана по равнина, съдържаща хорда от напречното сечение на цилиндъра, а оста на цилиндричната повърхност на всеки полюс не съвпада с оста на вала (1), при което вторите аксиални канали (20), влияещи на магнитния поток между ротора (11) и статора (6), са оформени в отрезовите части (15), успоредни са на оста на ротора (11) и се простират по цялата му дължина, като всеки втори аксиален канал (20) има две плоски срещулежащи стени, ориентирани радиално спрямо оста на ротора (11), а двата края на плоските срещулежащи стени на всеки втори аксиален канал (20), които са в близост до постоянния магнит (17) и съответно, до външната повърхност на ротора (11), са свързани помежду си чрез съответни части от цилиндрични повърхности, чиито изпъкнали части са насочени, съответно към постоянния магнит (17) и външната повърхност на ротора (11), при което най-изпъкналата част на всяка цилиндрична повърхност отстои от постоянния магнит (17), съответно от външната повърхност на ротора (11), на разстояние по-малко от 0,0025 m, а най-голямото разстояние алфа между срещулежащите плоски стени на всеки втори аксиален канал (20) е по-малко от 0,0025 m, при което разстоянието бета между най-изпъкналите части на срещулежащите цилиндрични повърхности на всеки втори аксиален канал (20) е променящо се и намалява в посока от средата на отрезовата част (15) към двата й края, а под плоската стена на всяка отрезова част (15) е оформен първият аксиален канал (16), в който е втикнат постоянният магнит (17), при което външната повърхност на отрезовата част (15) е полюс на ротора (11) и има три характерни точки, от които едната е в средата на полюса, отстояща на разстояние б1 от вътрешната повърхност на статора (6), а останалите две точки са разположени симетрично спрямо нея на разстояния една трета от полюсното деление и са отстоящи от вътрешната повърхност на статора (6) на разстояние б2, при което б1<б2<2,6б1, а междинният стоманен пръстен (13) включва четириъгълни призматични части (21) с максимален радиален размер 0,6 Da/p, като всяка от четириъгълните призматични части (21) принадлежи на два съседни полюса на ротора (11), при което четириъгълните призматични части (21) са свързани помежду си чрез втори ивици (22), които са разположени под средите на полюсите, а външният стоманен пръстен (12) обхваща междинния стоманен пръстен (13) и е свързан с него посредством първи радиални ребра (18), разположени на границите между полюсите, при което отрезовите части (15) в областта между средите на четириъгълните призматични части (21), а между междинния стоманен пръстен (13), вътрешния стоманен пръстен (14) и свързващите ги втори радиални ребра (23) са оформени множество идентични по форма и размери отвори (24) отстоящи на равни разстояния помежду си