CZ2002743A3 - Elektrický stroj točivý - Google Patents

Abstract

Předmětem řešení střídavého synchronního stroje s 2p póly s permanentními magnety na rotoru a střídavým vinutím s m fázemi statoru, kde para jsou celá kladná čísla, je provedení magnetického obvodu stroje s celkovým počtem pólů (3) t statoru 2p„ rovným celistvému násobku počtu fází, který se od celkového počtu pólů (2) rotoru 2pr liší o hodnotu n, kde n je celé kladné číslo, přičemž mezi skupinami pólů (3) statoru • dvou sousedních fází statoru je mechanická mezera vymezená středovým úhlem o hodnotě a = φ/m, kde φ je středový úhel dvou sousedních pólů (2) rotoru. Středový úhel (φ') dvou sousedních pólů (3) statoru příslušejících jedné fázi statorového vinutí je stejný nebo jen nepatrně odlišný od středového úhlu (g) dvou sousedních pólů (2) rotoru. Mechanická mezera mezi skupinami pólů (3) statoru dvou sousedních fází statoru může být zaplněna pomocným pólem (5) pro lepší využití magnetického obvodu stroje.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká elektrického stroje točivého s 2p póly, tvořenými permanentními magnety na rotoru a střídavým vinutím s m fázemi na statoru, kde p a m jsou celá kladná čísla.

Dosavadní stav techniky

Střídavé servomotory jsou využívány u střídavých elektronicky řízených pohonů se speciálními synchronními motory s permanentními magnety. Takové pohony jsou využívány pro řízení obráběcích strojů, zejména v oblasti pružných obráběcích center a pohyblivých os robotů a manipulátorů. Dále se pro nezávislé zdroje elektrické energie s vlastním poháněcím motorem, např. spalovacím motorem, běžně používají generátory tvořené synchronním strojem s permanentními magnety na rotoru a svinutím rozloženým v drážkách na statoru. Počet pólů statorového vinutí je roven počtu pólů rotoru. Stroje s rozloženým vinutím v drážkách statoru se vyznačují dlouhými čely vinutí, která bez využití zvyšují elektrický odpor vinutí a ztráty ve vinutí stroje. U rozložených vinutí je jen část vodičů spřažena s plným magnetickým tokem, což snižuje efektivní využití vinutí. Rozložené vinutí lze provést se zkráceným krokem, což do jisté míry může kladně ovlivňovat tvar křivky indukovaného napětí, ale současně dále snižuje efektivní využití vinutí. Toto snížení efektivního využití statorového vinutí je reprezentováno tzv. činitelem vinutí k_wl, který je roven násobku činitele rozlohy k_qi a činitele zkrácení kroku k_y. Snížení efektivity využití rozloženého vinutí se projevuje snížením užitných vlastností elektrického stroje, ať pracuje jako motor nebo jako generátor. Z konstrukčního hlediska dlouhá čela rozloženého vinutí svou axiální délkou prodlužují celkovou délku a tím i hmotnost stroje. Jednotlivé fáze rozloženého vinutí se v místech čel mezi sebou kříží, dotýkají se a musí být vůči sobě izolovány vůči plnému sdruženému napětí statorového vinutí. Tato místa křížení vodičů různých fází v čelech vinutí jsou častou příčinou poruchy stroje elektrickým zkratem. Výše uvedené vlastnosti a nevýhody stávajícího řešení se projevují podobným způsobem u všech elektrických strojů, bez ohledu na to, v jakém režimu pracují.

Účelem tohoto vynálezu je zlepšit vlastnosti synchronních strojů s permanentními magnety na rotoru tak, aby se výše uvedené nedostatky stávajícího řešení odstranily a vyšším využitím aktivního materiálu strojů bylo dosaženo vyššího měrného výkonu strojů.

Podstata technického řešení

Výše uvedeného účelu je dosaženo elektrickým strojem točivým s 2p póly, tvořenými permanentními magnety na rotoru a střídavým vinutím s m fázemi na statoru, kde p a m jsou celá kladná čísla, v provedení podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že celkový počet pólů statoru, rovný celistvému násobku počtu fází, se od celkového počtu pólů rotoru liší o hodnotu n, kde n je celé kladné číslo, přičemž mezi skupinami pólů dvou sousedních fází statoru je mechanická mezera vymezená středovým úhlem o hodnotě a = cp/m, kde φ je středový úhel dvou sousedních pólů rotoru. Rovněž podle tohoto technického řešení je středový úhel dvou sousedních pólů příslušejících jedné fázi statorového vinutí stejný nebo rozdílný od středového úhlu pólové rozteče rotoru. Pro lepší využití magnetického obvodu stroje mohou být mezi skupinami pólů dvou sousedních fází statoru umístěny pomocné póly. Dále podle tohoto technického řešení magnetický obvod statoru sestává z pólů, které jsou mezi sebou spojeny na vnitrním průměru můstky ajha navlečeného na vnějším průměru pólů. V alternativním provedení může být stator sestaven ze segmentů navinutých pólů, jha a pomocných pólů, pňčemž tyto segmenty jsou nemagnetickou hmotou spojeny v kompaktní celek. Podle dalšího alternativního provedení je magnetický obvod statoru složený z plechů, kde póly tvoří jeden celek se jhem, pňčemž mezi póly je u vzduchové mezery otevření pro vsypávání cívek.

Výhodou tohoto vynálezu je lepší efektivní využití aktivních materiálů stroje, zejména statorového vinutí a snížení jeho wattových ztrát. Stroj dle předmětného vynálezu má krátká čela vinutí, jejichž délka činí 40 až 50 % délky čel stávajícího řešení a umožňuje celkové konstrukční zkrácení stroje s pozitivním vlivem na užitné hodnoty stroje, jako jsou např. snížení spotřeby materiálu, snížení celkové

J

9 ·« «449 hmotnosti stroje, zvýšení mechanických vlastností rotoru, kratší vzdálenosti mezi ložisky, což znamená zvýšení hodnoty kritických otáček. Výhodou nového řešení je rovněž zvýšení spolehlivosti strojů provedením cívek bez křížení v čelech s ostatními fázemi. Dále je možné nepatrnou změnou úhlové rozteče φ' statorových pólů měnit tvar křivky napětí indukovaného ve statorovém vinutí a snížit drážkové pulsace točivého momentu. Podobného účinku lze dosáhnout také obecně známou technologií natočením svazku statorových plechů podél podélné osy.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále podrobněji objasněn na příkladech jeho praktického provedení, uvedených na přiložených výkresech, na nichž na obr. 1 je v radiálním řezu nakresleno základní uspořádání magnetického obvodu, statorové póly a statorové jho tvoří nedílný celek. Obr. 2 představuje uspořádání magnetického obvodu stroje s pomocnými póly na statoru, nakreslené v radiálním řezu, statorové póly a statorové jho tvoří nedílný celek. Obr. 3 ukazuje magnetický obvod stroje v principiálně stejném uspořádání jak je uvedeno na obr. 2, ale všechny póly statoru jsou vystřiženy v jednom celku, s tenkým můstkem na vnitřním průměru a statorové jho ve tvaru mezikruží, složené ze samostatně vystřižených plechů je nasunuté na věnci pólů statoru. Na obr. 4 je uveden stroj s magnetickým obvodem vytvořeným z jednotlivých segmentů magnetických pólů svinutím a pomocných póly, které jsou po sestavení do formy statoru zality impregnační a konstrukční hmotou.

Příklad provedení

Jak je znázorněno na výkresech, magnetický obvod předmětného elektrického stroje točivého sestává z rotoru, jehož jho 1 je z masivního magneticky měkkého materiálu (např. magneticky vodivá ocel), nebo je složeno z plechů a nese celkem 2p_r rotorových póiů 2, tvořených permanentními magnety, a ze statoru, složeného z plechů, v nichž je vytvořeno celkem 2p_s vyniklých statorových pólů 3 se statorovým jhem 4. U provedení znázorněného na obr. 1, má stroj deset pólů na rotoru, zatímco na statoru je devět pólů, uspořádaných do tří skupin po třech pólech. Každá skupina statorových pólů 3 přísluší jedné fázi, tzn., že 2p_r = 10 a 2p»= 9 a počet fází m = 3. Obecně platí, že celkový počet 2ps statorových pólů 3, rovný celistvému násobku počtu fází, se od celkového počtu 2pr rotorových pólů 2 liší o hodnotu n, kde n je celé kladné číslo. U stroje znázorněného na obr, 1 je tedy n = 1. Jak je dále patrné z obr. 1, úhlová rozteč φ rotorových pólů 2 je jednotná po celém obvodu, zatímco úhlová rozteč φ' statorových pólů 3 připadajících jedné fázi je shodná nebo blízká úhlové rozteči φ rotorových pólů, takže mezi skupinami statorových pólů 3 připadajících jedné fázi je mechanická mezera vymezená středovým úhlem α = φ/ m, kde φ = 360/2pr je středový úhel dvou sousedních rotorových pólů 2.

Změnou úhlové rozteče φ' statorových pólů 3 lze měnit tvar křivky napětí, které se indukuje ve statorovém vinutí stroje pracujícího jako generátor.

Provedení stroje znázorněné na obr. 2 má v podstatě stejný magnetický obvod jako stroj uvedený na obr. 1, ale v mezerách mezi skupinami statorových pólů 3 pnpadaj ících jedné fázi jsou vloženy pomocné póly 5.

U obou provedení je statorový plech vystřižen v celku, tj. vyniklé statorové póly 3 tvoří jeden celek se statorovým jhem 4. Vinutí každého statorového pólu 3 je provedeno technologií vsypávaného vinutí.

Průmyslová využitelnost předmětného řešení závisí na technologické proveditelnosti a na pracnosti nového řešení. Technické řešení uvedené na obr. 3 je zaměřeno na technologii sériové výroby synchronních strojů podle navrhovaného řešení. Provedení rotoru je stejné jako v obou předcházejících případech, ale plech statoru je dělený. Samostatně jsou jako jeden celek vytvořeny statorové póly 3 i pomocné póly 5 a všechny póly 3,5 jsou navzájem spojeny tenkými můstky 6 u vzduchové mezery, takže vnitrní průměr statoru je oproti výše popsaným provedením hladký. Cívky 7 statorového vinutí jsou navinuty nebo z vnější strany nasunuty na tělesa statorových pólů 3 a takto vytvořený celek je zasunut do samostatně vytvořeného statorového jha 4. Celý stator je zalit impregnační a konstrukční hmotou.

Obr. 4 ukazuje stroje s dvaceti rotorovými póly 2 a osmnácti statorovými póly 3, tj.

2pr = 20 a 2ps= 18, n = 2 a počet fází m = 6. Magnetický obvod rotoru je zde vytvořený z jednotlivých segmentů navinutých statorových pólů 3 a segmentů pomocných póly 5, vč. segmentů statorového jha 4. Samostatné segmenty jsou • to» • « to · «··· to · · to to • « *· ·«·« vzájemně spojeny zalitím impregnační a konstrukční hmotou a hotový statorový celek je následně zasunut do tělesa kostry stroje. Výrobu dílčích segmentů statoru lze vysoce mechanizovat a automatizovat, neboť všechny části segmentů jsou pro vložení izolace, navinutí cívky nebo vložení cívky předem navinuté dobře přístupné.

Bez ohledu na mechanické vytvoření magnetického obvodu statoru je dále výhodné, když při vyšším počtu pólů se uspořádání vinutí opakuje pravidelně po obvode statoru.

Průmyslová využitelnost

Navrhované řešení lze při vhodném dimenzování elektromagnetického obvodu využít u synchronních generátorů a motorů, servomotorů, s permanentními magnety na rotoru.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Elektrický stroj točivý s2p póly, tvořenými permanentními magnety na rotoru a střídavým vinutím srn fázemi na statoru, kde p a m jsou celá kladná čísla, vyznačující se tím, že celkový počet pólů statoru (2p»), rovný celistvému násobku počtu fází, se od celkového počtu pólů (2pr) rotoru liší o hodnotu n, kde n je celé kladné číslo, přičemž mezi skupinami pólů dvou sousedních fází statoru je mechanická mezera vymezená středovým úhlem o hodnotě a = <p/m, kde φ je středový úhel dvou sousedních pólů rotoru.
2. 2. Elektrický stroj točivý podle nároku 1, vyznačující se tím, že středový úhel (φ') dvou sousedních pólů příslušejících jedné fázi statorového vinutí je stejný jako je středový úhel (φ) dvou sousedních pólů rotoru.
3. 3. Elektrický stroj točivý podle nároku 1, vyznačující se tím, že středový úhel (φ') dvou sousedních pólů příslušejících jedné fázi statorového vinutí je rozdílný od středového úhlu (φ) dvou sousedních pólů rotoru.
4. 4. Elektrický stroj točivý podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že skupiny pólů dvou sousedních fází statoru jsou vzájemně odděleny pomocnými póly.
5. 5. Elektrický stroj točivý podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že magnetický obvod statoru sestává z pólů (3), které jsou mezi sebou spojeny na vnitřním průměru můstky a jha (4) navlečeného na vnějším průměru pólů.
6. 6. Elektrický stroj točivý podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že stator je sestaven ze segmentů navinutých pólů a jha, pomocných pólů a kostry, přičemž tyto části jsou nemagnetickou hmotou spojeny v kompaktní celek.
7. 7. Elektrický stroj točivý podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že magnetický obvod statoru složený z plechů, kde póly tvoří jeden celek se jhem, přičemž mezi póly je u vzduchové mezery otevření pro vsypávání cívek.