BG67504B1

BG67504B1 - Безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити

Info

Publication number: BG67504B1
Application number: BG113286A
Authority: BG
Inventors: Енчо Попов; Николов Попов Енчо
Original assignee: Алмотт Груп Ад
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2023-03-15
Also published as: US20220190654A1; EP4012894A1; CA3141849A1; BG113286A; CA3141849C; US11804740B2

Abstract

Безчетковата машина е предназначена за електрически задвижвания, по-специално, на лодки, помпи, електрически превозни средства, както 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 постоянни магнити (17), са оформени продълговати аксиални канала (20). При брой на полюсите 2р, по-малък от 16 и при диаметър на ротора (11), по-голям от 0,15 m, 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 междинният пръстен (13) с външния пръстен (12).

Description

Област на техниката

Изобретението 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 щит, посредством преден и заден лагер. Предният и задният щит 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 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 групи отвори с различна дължина, влияещи на магнитния поток между ротора и статора. Тези групи отвори са с различна широчина и са разположени от двете страни на постоянните магнити. Каналите са отделени от външната повърхност на ротора чрез тънки ивици.

Недостатък 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 повишената стойност 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, недостатък 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 изобретението

Задача на изобретението 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 щит, посредством преден и заден лагер. Предният и задният щит 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 намотка. Статорът обхваща подвижно пръстеновиден ротор, закрепен неподвижно върху вала. В ротора са оформени поне четири полюса от постоянни магнити, втикнати в аксиални канали, разположени в близост до външната му повърхност. В близост до постоянните магнити и до външната повърхност на ротора са оформени групи отвори с различна дължина, влияещи на магнитния поток между ротора и статора. Съгласно изобретението, пръстеновидният ротор съдържа външен стоманен пръстен, м еждинен 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, отрязан по равнина, съдържаща хорда от напречното сечение на цилиндъра. Външната повърхност на отрезовите части е полюс на ротора. Оста на цилиндричната повърхност на всеки полюс не съвпада с оста на вала. В областите между постоянните магнити и съответстващите външни повърхности на ротора са оформени групи отвори, влияещи на магнитния поток между ротора и статора. Всяка група отвори, влияещи върху магнитния поток между ротора и статора включва поне два канала с различна дължина, при което всички канали са продълговати, имат максимална ширина 0,0025 m и са с ориентация, която е близка до радиалната. Всеки от краищата на сечението на продълговатите канали са оформени като полуокръжност и са отстоящи от външната повърхност на ротора и от постоянните магнити на разстояния, които са помалки от 0,0025 m. Под плоската стена на всяка отрезова част е оформен аксиалният канал, в който е втикнат постоянният магнит. Външната повърхност на отрезовата част е полюс на ротора и има три характерни точки, от които едната е в средата на полюса, отстояща на разстояние б1 от вътрешната повърхност на статора, а останалите две точки са разположени симетрично спрямо нея на разстояния една трета от полюсното деление и са отстоящи от вътрешната повърхност на статора на разстояние б2, при което е изпълнено условието б1<б2<2,6б1. Междинният стоманен пръстен включва четириъгълни призматични части с максимален радиален размер 0,6 Da/p, където Da е диаметър на вътрешната повърхност на статора, а р е половината от броя на полюсите на ротора. 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 m. 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 m.

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

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

При брой на полюсите 2р по-малък от 16 и при диаметър на ротора по-голям от 0,15 m, аксиалните канали са разделени на две равни части от трето радиално ребро с максимална ширина 0,0025 m, 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 изобретението 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, оттам и до повишена мощност.

Друга причина за осигуряване на повишената мощност на електрическата машина, съгласно изобретението, 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 изобретението, 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 изобретението, 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 изобретението, 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 изобретението;

фигура 3 представлява надлъжен полуразрез през средата на полюс на безчеткова електрическа машина на второ примерно изпълнение на изобретението, 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 изобретението, 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.

Примери на изпълнение на изобретението

На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 5 е показано първо примерно изпълнение на изобретението, включващо вал 1, лагеруван в преден щит 2 и заден щит 3 посредством 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 пръстеновидния ротор 11, под плоската стена на всяка отрезова част 15 е оформен 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 б1 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 б2 от вътрешната повърхност на статорния пакет 7, при което е изпълнено условието б1<б2<2,6б1.

Както е показано на Фиг. 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 m. 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, аксиалните 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, над постоянните магнити 17, и до външната повърхност на ротора 11 са оформени групи отвори с различна дължина, влияещи на магнитния поток между ротора 11 и статора 6. Групите отвори са изпълнени като поне два аксиални канала 20, които са продълговати, с максимална ширина 0,0025 m и с ориентация, която е близка до радиалната. Всеки от краищата на сеченията на всеки аксиален продълговат канал 20 са оформени като полуокръжности, отстоящи от външната повърхност на ротора 11 и от постоянните магнити 17 на разстояния, които са по малки от 0,0025 m. Междинният стоманен пръстен 13 включва четириъгълни призматични части 21 с максимален радиален размер 0,6 Da/p, където Da е диаметър на вътрешната повърхност на статора 6, а р е половината от броя на полюсите на ротора 11. Всяка четириъгълна 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 m. Междинният стоманен пръстен 13 е свързан с вътрешния стоманен пръстен 14 посредством втори радиални ребра 23 с максимален тангенциален размер 0,005 m, които са разположени под средите на четириъгълните призматични части 21. 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.

На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 е показвано второ примерно изпълнение на изобретението, което е приложимо при брой на полюсите 2р по-малък от 16 и при диаметър на ротора 11 по-голям от 0,15 m. Това примерно изпълнение се отличава от първото примерно изпълнение по това, че аксиалните канали 16, разположени по хорда, 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 свързва междинният пръстен 13 с външния пръстен 12. Във всеки разделен 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 изобретението, да е присъединен датчик за управление 26.

Действие на изобретението

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 продълговатите аксиални канала 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 изобретението

Експериментално е изследван физически образец, който е изработен без да са въведени подобренията, съгласно изобретението, и той е сравнен с физически образец, който е изработен, съгласно изобретението. Конструктивните параметри на двата образеца са: външен диаметър на статора 0,18 m; вътрешен диаметър на статора 0,14 m; дължина на статорния пакет 0,05 m; 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 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 изобретението, спрямо образеца, който не е изграден съгласно изобретението, 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

Безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, включваща вал, лагеруван в преден и заден щит, посредством преден и заден лагер, като предният и задният щит 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, като в ротора са оформени поне два полюса от постоянни магнити, втикнати в аксиални канали, разположени в близост до външната му повърхност, при което в близост до постоянните магнити и до външната повърхност на ротора са оформени групи аксиални отвори с различна дължина, 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 групите отвори с различна дължина, влияещи на магнитния поток между ротора (11) и статора (6), са оформени в областите между постоянните магнити (17) и съответстващите им външни повърхности на ротора (11), като всяка група отвори с различна дължина, влияещи върху магнитния поток между ротора (11) и статора (6), включва поне два канала (20), при което всички канали (20) са продълговати, имат максимална ширина 0,0025 m и са с ориентация, която е близка до радиалната, а всеки от краищата на сечението на всеки продълговат канал (20) е оформен като полуокръжност и е отстоящ от външната повърхност на ротора (11) и от постоянните магнити (17) на разстояния, които са по-малки от 0,0025 m, при което под плоската стена на всяка отрезова част (15) е оформен аксиалният 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, където Da е диаметър на вътрешната повърхност на статора (6), а р е половината от броя на полюсите на ротора (11), 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 постоянните магнити (17) и първите радиални ребра (18) са оформени като първи ивици (19) с максимален радиален размер 0,0006 mm, при което междинният стоманен пръстен (13) е свързан с вътрешния стоманен пръстен (14) посредством втори радиални ребра (23), които са разположени под 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.