CZ309876B6 - A method of production of a rotor of a synchronous reluctance motor and a rotor of a synchronous reluctance motor - Google Patents
A method of production of a rotor of a synchronous reluctance motor and a rotor of a synchronous reluctance motor Download PDFInfo
- Publication number
- CZ309876B6 CZ309876B6 CZ2022-482A CZ2022482A CZ309876B6 CZ 309876 B6 CZ309876 B6 CZ 309876B6 CZ 2022482 A CZ2022482 A CZ 2022482A CZ 309876 B6 CZ309876 B6 CZ 309876B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- rotor
- layers
- model
- barrier
- reluctance motor
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 33
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 32
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 18
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 16
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 4
- 241000446313 Lamella Species 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000012811 non-conductive material Substances 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- IYRDVAUFQZOLSB-UHFFFAOYSA-N copper iron Chemical compound [Fe].[Cu] IYRDVAUFQZOLSB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
- H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
- H02K1/246—Variable reluctance rotors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
- H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
- H02K1/2706—Inner rotors
- H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
- H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
- H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
- H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
- H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
- H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
- H02K15/022—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with salient poles or claw-shaped poles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Synchronous Machinery (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
Abstract
Description
Vynález se týká rotoru, zejména rotoru pro vysokootáčkové synchronní reluktanční motory (SRM), a způsobu jeho výroby.The invention relates to a rotor, in particular a rotor for high-speed synchronous reluctance motors (SRM), and a method of its production.
Dosavadní stav technikyCurrent state of the art
V současné době se u synchronních reluktančních motorů nejvíce používají rotory se vzduchovými bariérami B - viz obr. 1. Jejich topologie využívá vzduch jako magneticky nevodivý materiál pro dosažení co nejvyššího poměru reluktancí v d-q osách stroje, přičemž osa d je rovnoběžná s osou rotoru a osa q je kolmá k vrstvě feromagnetického materiálu. Díky tomu může takto řešený rotor produkovat velký moment s dobrou účinností. Mechanické spojení jednotlivých magneticky vodivých vrstev rotoru zajištují můstky M vyznačené na obr. 1. Ty ale snižují reluktanční poměr, čímž klesá maximální moment stroje a účinnost ve jmenovitém stavu. Zároveň jsou tyto můstky značně mechanicky namáhány odstředivou silou, takže se tato topologie používá pouze pro nízkootáčkové aplikace. Pro zlepšení mechanické odolnosti je možno bariéry překlenout dalšími můstky, ale opět za cenu snížení maximálního momentu a účinnosti. Pro potlačení negativního vlivu můstků na reluktanční poměr lze využít například proces nitridace těchto můstků, ale nízká mechanická pevnost rotoru zůstává. Rotory se vzduchovými bariérami popsaného typu jsou vytvořeny jako radiálně vrstvené. Vzduchové magnetické bariéry jsou vyřezány do kruhových rotorových plechů, které po složení v osovém směru a sevření vytvoří rotor. Ke zvýšení mechanické pevnosti rotoru mohou být vzduchové magnetické bariéry vyplněny epoxidovým materiálem. Tento typ rotoru je znám např. z WO 2008123636.Currently, rotors with air barriers B are most commonly used in synchronous reluctance motors - see Fig. 1. Their topology uses air as a magnetically non-conductive material to achieve the highest possible reluctance ratio in the d-q axes of the machine, with the d axis being parallel to the rotor axis and the q is perpendicular to the layer of ferromagnetic material. Thanks to this, the rotor designed in this way can produce a large torque with good efficiency. The mechanical connection of the individual magnetically conductive layers of the rotor is ensured by the bridges M marked in Fig. 1. However, they reduce the reluctance ratio, which decreases the maximum torque of the machine and the efficiency in the nominal state. At the same time, these bridges are heavily mechanically stressed by centrifugal force, so this topology is only used for low-speed applications. To improve the mechanical resistance, the barriers can be bridged with additional bridges, but again at the cost of reducing the maximum moment and efficiency. To suppress the negative influence of the bridges on the reluctance ratio, for example, the nitriding process of these bridges can be used, but the low mechanical strength of the rotor remains. Rotors with air barriers of the type described are made radially layered. The air magnetic barriers are cut into circular rotor sheets, which form a rotor when folded in the axial direction and clamped. To increase the mechanical strength of the rotor, the air magnetic barriers can be filled with an epoxy material. This type of rotor is known, for example, from WO 2008123636.
DE 102005004567 AI uvádí způsob zhotovení rotoru elektrického stroje, který je tvořen jádrem sestávajícím z lamelových plechů, přičemž pól každého lamelového plechu radiálně vyčnívá z jádra a mezi póly jsou vytvořeny mosty mezi drážkami rotoru. Způsob spočívá v následujících krocích: zhotoví se lamelové plechy z oceli o vysoké relativní permeabilitě, která u nich klesá při radikálním ohřevu, jádro se tepelně zpracuje v oblasti můstků, takže vzniknou úseky s nízkou relativní permeabilitou.DE 102005004567 AI discloses a method of making a rotor of an electric machine, which is formed by a core consisting of lamella sheets, with a pole of each lamella sheet protruding radially from the core and bridges between the poles being formed between the rotor grooves. The method consists of the following steps: lamella sheets are made from steel with high relative permeability, which decreases with radical heating, the core is heat treated in the area of the bridges, so that sections with low relative permeability are created.
Další známé topologie rotoru synchronního reluktančního motoru jsou na obr. 2 a 3. V těchto případech jsou bariéry B_ vytvořeny z nemagnetických kovů nebo slitin, například z hliníku nebo mechanicky odolnějších slitin železa. Nevýhoda této topologie spočívá především v komplikovanosti výroby, kdy se nejčastěji používá sešroubování jednotlivých vrstev rotoru. US 2015/0015095 navrhuje propojení vrstev z magnetického a nemagnetického materiálu prostřednictvím rybinových drážek. Použití přichází v úvahu opět spíše u nízkootáčkových aplikací, především pokud je jako nemagnetický materiál použit hliník nebo jiný mechanicky neodolný materiál, anebo je spojení zajištěno šrouby. Při použití mechanicky odolnějších slitin železa a využití speciálních metod spojení jednotlivých vrstev, například izostatické svařování, explozivní svařování nebo vakuové pájení, bylo dosaženo vyšších obvodových rychlostí až kolem 125 m/s. Nicméně není znám motor pro vysokootáčkové aplikace (obvodová rychlost nad 150 m/s), jehož rotor by byl zhotoven tímto způsobem. Další nevýhodou řešení užívajících tuto technologii je, že pro čtyřpólové rotory je velmi obtížné vyrobit bariéry jiného tvaru, než jsou části mezikruží.Other known synchronous reluctance motor rotor topologies are shown in Figs. 2 and 3. In these cases, the barriers B_ are made of non-magnetic metals or alloys, for example aluminum or mechanically more resistant iron alloys. The disadvantage of this topology lies primarily in the complexity of production, when the individual layers of the rotor are most often screwed together. US 2015/0015095 suggests connecting layers of magnetic and non-magnetic material by means of dovetail grooves. The use comes into consideration again for low-speed applications, especially if aluminum or other mechanically resistant material is used as a non-magnetic material, or the connection is secured with screws. When using mechanically more resistant iron alloys and using special methods of connecting individual layers, for example isostatic welding, explosive welding or vacuum soldering, higher peripheral speeds of up to around 125 m/s were achieved. However, there is no known motor for high-speed applications (circumferential speed above 150 m/s) whose rotor would be made in this way. Another disadvantage of solutions using this technology is that it is very difficult for four-pole rotors to produce barriers of a different shape than the parts of the annulus.
Vynález si klade za úkol navrhnout rotor pro synchronní reluktanční motory, který u vysokootáčkových aplikací umožní při vysokém reluktančním poměru dosáhnout obvodových rychlostí nad 150 m/s.The invention sets itself the task of designing a rotor for synchronous reluctance motors, which in high-speed applications will allow peripheral speeds above 150 m/s to be achieved with a high reluctance ratio.
- 1 CZ 309876 B6- 1 CZ 309876 B6
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Uvedený úkol splňuje způsob výroby rotoru synchronního reluktančního motoru tvořeného prohnutými vrstvami magneticky vodivého materiálu procházejícími celou délkou rotoru, které jsou proloženy bariérovými vrstvami materiálu s omezenou magnetickou vodivostí. Podstata způsobu spočívá v tom, že se vytvoří parametrický elektromagnetický model v programu využívajícím metodu konečných prvků, ve kterém se definují bariérové vrstvy vstupním parametrem jejich šířky v jejich radiální ose (o), následně se tímto modelem dopočtou souřadnice bodů obvodu bariéry v řezu, tak aby tvar bariéry kopíroval teoretický tvar siločár v rotoru, přičemž takto vytvořené bariéry jsou začleněny do topologie modelu rotoru, která se optimalizuje metodou MOO - optimalizací s více cíli - k dosažení nízkých ztrát, nízké hmotnosti a nízké teploty, načež se soubor dat popisujících optimalizovanou topologii modelu rotoru zavede do tiskárny SLM, nastaví se parametry tisku dle použitých materiálů a rotor se nechá vytisknout jako kompaktní celek.The mentioned task is fulfilled by the method of manufacturing the rotor of a synchronous reluctance motor consisting of bent layers of magnetically conductive material passing through the entire length of the rotor, which are interspersed with barrier layers of material with limited magnetic conductivity. The essence of the method is that a parametric electromagnetic model is created in a program using the finite element method, in which the barrier layers are defined by the input parameter of their width in their radial axis (o), then the coordinates of the points of the perimeter of the barrier in the section are calculated with this model, so that the shape of the barrier replicates the theoretical shape of the field lines in the rotor, while the barriers created in this way are incorporated into the topology of the rotor model, which is optimized by the MOO method - multi-objective optimization - to achieve low losses, low weight and low temperature, after which a data set describing the optimized topology of the rotor model is introduced into the SLM printer, the printing parameters are set according to the materials used and the rotor is printed as a compact unit.
Rotor synchronního reluktančního motoru zhotovený tímto způsobem má vrstvy magneticky vodivého materiálu tvarovány podle průběhu magnetických siločar v daném místě v modelu, přičemž zachovávají vzájemný odstup i na obvodu rotoru, přičemž materiálem magneticky vodivých vrstev je ocel s vysokou relativní magnetickou permeabilitou a materiálem bariérových vrstev ocel s nízkou relativní permeabilitou, přičemž poměr magnetických permeabilit materiálů obou vrstev je alespoň 50:1.The rotor of a synchronous reluctance motor made in this way has layers of magnetically conductive material shaped according to the course of the magnetic field lines at a given point in the model, while maintaining a mutual distance even on the rotor's circumference, while the material of the magnetically conductive layers is steel with high relative magnetic permeability and the material of the barrier layers is steel with low relative permeability, while the ratio of magnetic permeability of the materials of both layers is at least 50:1.
Rotor může být k prodloužení povrchové dráhy vířivých proudů a tím ke snížení ztrát jimi způsobených opatřen na povrchu radiálními drážkami. Tyto drážky na vnějším obvodu rotoru budou hluboké pouze jednotky milimetrů.The rotor can be equipped with radial grooves on the surface to extend the surface path of the eddy currents and thereby reduce the losses caused by them. These grooves on the outer circumference of the rotor will only be units of millimeters deep.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Vynález bude dále objasněn pomocí výkresů, na nichž obr. 1 až 3 ilustrují známý stav techniky, přičemž obr. 1 představuje segment rotoru se vzduchovými bariérami, na obr. 2 je segment rotoru ve dvoupólové variantě, ve kterém jsou vrstvy magneticky vodivého materiálu a bariéry vrstveny axiálně a na obr. 3 segment radiálně vrstveného rotoru ve čtyřpólové variantě. Obr. 4 představuje topologii rotoru podle vynálezu v řezu a obr. 5 rovněž v řezu rozložení magnetické indukce v reluktančním motoru, který má rotor podle vynálezu.The invention will be further explained with the help of the drawings, in which figures 1 to 3 illustrate the known state of the art, wherein figure 1 represents a rotor segment with air barriers, figure 2 is a rotor segment in a two-pole variant, in which layers of magnetically conductive material and barriers layered axially and in Fig. 3 a segment of a radially layered rotor in the four-pole variant. Giant. 4 represents the topology of the rotor according to the invention in section and Fig. 5 also in section the distribution of magnetic induction in the reluctance motor which has the rotor according to the invention.
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention
Rotor synchronního reluktančního motoru je tvořen magneticky vodivými vrstvami ]_ zakřivenými podle průběhu magnetických siločar 3 modelu motoru v ustáleném stavu, jak je zřejmé z obr. 5, který ukazuje rotor umístěný v elektromagnetickém poli statoru 4. Magneticky vodivé vrstvy 1 se střídají s bariérovými vrstvami 2 magneticky nevodivého materiálu. Materiálem vodivých vrstev 1 je ocel 1.4542 s vysokou relativní magnetickou permeabilitou a materiálem bariér ocel 1.4404 s nízkou relativní permeabilitou, přičemž poměr magnetických permeabilit obou materiálů je větší než 50:1. Přitom vrstvy 1, 2 obou materiálů jsou vzájemně svařeny aditivní technologií SLM Selective Laser Melting a rotor je tudíž kompaktním svařencem.The rotor of a synchronous reluctance motor is formed by magnetically conductive layers ]_ curved according to the course of the magnetic field lines 3 of the motor model in steady state, as is clear from Fig. 5, which shows the rotor located in the electromagnetic field of the stator 4. The magnetically conductive layers 1 alternate with barrier layers 2 magnetically non-conductive material. The material of conductive layers 1 is steel 1.4542 with high relative magnetic permeability and the barrier material is steel 1.4404 with low relative permeability, while the ratio of magnetic permeability of both materials is greater than 50:1. At the same time, layers 1, 2 of both materials are welded to each other using the SLM Selective Laser Melting additive technology, and the rotor is therefore a compact weld.
Navržené řešení rotorů elektrických strojů využívá kombinaci materiálů s různými elektromagnetickými vlastnostmi a podobnými mechanickými vlastnostmi při jejich pevném spojení (splynutí). Jedná se o kombinaci materiálů v radiální rovině rotoru. Tím je možno získat rotory s dobrou kombinací mechanické odolnosti a elektromagnetických vlastností. Díky tétoThe proposed solution for electric machine rotors uses a combination of materials with different electromagnetic properties and similar mechanical properties when they are firmly connected (fused). It is a combination of materials in the radial plane of the rotor. In this way, it is possible to obtain rotors with a good combination of mechanical resistance and electromagnetic properties. Thanks to this one
-2CZ 309876 B6 kombinaci vlastností jsou k dispozici topologie rotorů pro vysokootáčkové stroje, jež dříve nebylo možno vytvořit technologiemi, které byly k dispozici, popřípadě pouze velmi obtížně. K výrobě těchto rotorů je využito metody SLM. U ní lze z kovových prášků pomocí laserového tavení vytvořit složité tvary výrobků z více materiálů, které jsou pevně spojeny, podobně jako při svařování. Tato technologie umožní výrobu rotorů k novému využití synchronních reluktančních motorů pro vysokootáčkové aplikace. Výsledkem je topologie s výrazně lepšími mechanickými vlastnostmi, než mají stávající rotory vyráběné konvenčními metodami. Pokud se týká jejich elektromagnetických vlastností, mohou být dle použitých materiálů srovnatelné nebo lepší.-2CZ 309876 B6 combination of properties, rotor topologies for high-speed machines are available, which previously could not be created with the technologies that were available, or only with great difficulty. SLM methods are used to produce these rotors. With it, it is possible to create complex shapes of products from multiple materials from metal powders using laser melting, which are firmly connected, similar to welding. This technology will enable the production of rotors for the new use of synchronous reluctance motors for high-speed applications. The result is a topology with significantly better mechanical properties than existing rotors produced by conventional methods. As far as their electromagnetic properties are concerned, they can be comparable or better depending on the materials used.
Využití rotorů z materiálů spojených SLM technologií je možné také v oblasti vysokootáčkových asynchronních strojů.The use of rotors made of materials connected by SLM technology is also possible in the field of high-speed asynchronous machines.
U navržené topologie a způsobu výroby rotoru SRM je rotor vyráběn po tenkých vrstvách metodou SLM. Při výrobě každé vrstvy se opakují procesy: nanesení prášku s materiály na pozici podle materiálu žádoucího v daném místě, roztavení tohoto prášku laserem a opětovný přechod roztaveného materiálu do tuhého skupenství, čímž nastává pevné spojení celého průřezu rotoru a předchozí vrstvy. Rotor je tvořen segmenty z magneticky vodivé a nevodivé oceli, jak je zřejmé z jeho průřezu podle obr. 4. Segmenty jsou tvarovány tak, aby bylo dosaženo velkého reluktančního poměru, stejně jako u známé topologie se vzduchovými bariérami. Vrstvy magneticky vodivé oceli mají tvar magnetických siločar 3, které by se vyskytovaly v magneticky homogenním válci modelu. Tímto způsobem je možno dosáhnout vysokého reluktančního poměru. Tyto složité tvary lze metodou SLM dobře vyrobit na rozdíl od způsobů výroby axiálně laminovaného rotoru popsaných výše. Zařízení na nanášení prášku s materiály jednotlivých segmentů je přesně naváděno na souřadnice z modelu v ovládacím počítači, tvarové omezení jednotlivých segmentů se tedy u tohoto řešení nevyskytuje. Jelikož se všechny segmenty vyrábí jedním procesem (tavení prášku laserem), nastává mezi nimi pevná vazba.In the proposed topology and manufacturing method of the SRM rotor, the rotor is produced in thin layers using the SLM method. During the production of each layer, the processes are repeated: applying the powder with materials to the position according to the material desired in the given place, melting this powder with a laser and re-transition of the melted material into a solid state, whereby a solid connection of the entire cross-section of the rotor and the previous layer occurs. The rotor is made up of segments of magnetically conductive and non-conductive steel, as can be seen from its cross-section in Fig. 4. The segments are shaped to achieve a high reluctance ratio, as in the known topology with air barriers. The magnetically conductive steel layers have the shape of the magnetic field lines 3 that would occur in the magnetically homogeneous cylinder of the model. In this way, a high reluctance ratio can be achieved. These complex shapes can be produced well by SLM unlike the axially laminated rotor manufacturing methods described above. The device for applying the powder with the materials of the individual segments is precisely guided to the coordinates from the model in the control computer, so the shape limitation of the individual segments does not occur with this solution. Since all segments are produced by a single process (laser powder melting), there is a solid bond between them.
Z magnetického hlediska se nemagnetické segmenty s nízkou relativní permeabilitou chovají podobně jako vzduch a zajišťují tak dobrý reluktanční poměr. Díky absenci jakýchkoliv můstků u tohoto řešení nedochází k poklesu reluktančního poměru, takže je zde možno dosáhnout vyšších reluktančních poměrů než u řešení se vzduchovými bariérami. Relativní permeabilita oceli pro nemagnetické segmenty by měla dosahovat maximálně jednotek. Ideální velikost je blízká jedné. U magnetických segmentů by měla relativní permeabilita dosahovat minimálně vysokých desítek, lépe stovek až tisíců.From a magnetic point of view, non-magnetic segments with low relative permeability behave similarly to air and thus ensure a good reluctance ratio. Due to the absence of any bridges, this solution does not decrease the reluctance ratio, so it is possible to achieve higher reluctance ratios than with solutions with air barriers. The relative permeability of steel for non-magnetic segments should reach a maximum of units. The ideal size is close to one. For magnetic segments, the relative permeability should reach at least high tens, preferably hundreds to thousands.
Mechanické vlastnosti magnetických a nemagnetických ocelí (zejména hustota, modul pružnosti a koeficient teplotní roztažnosti) dosahují podobných hodnot a spojení segmentů je podobné svaření. Celý rotor se tedy chová z mechanického hlediska podobně jako homogenní ocelový válec, což je velká výhoda oproti rotoru se vzduchovými bariérami. Díky tomu lze využít navrženou topologii i pro vysokootáčkové aplikace, kde je mechanická odolnost jedním z nej důležitějších parametrů. Při využití rotoru ve vysokootáčkových aplikacích, se projevuje výhoda nízkého sycení magneticky vodivých částí rotoru, což je pro vysokootáčkové stroje typické. Není tudíž nutné použít speciální elektrotechnické materiály s vysokou hodnotou saturační magnetické polarizace. Další výhodou je zmenšení celkových rozměrů stroje oproti nízkootáčkovým aplikacím, čímž nastává úspora materiálu.The mechanical properties of magnetic and non-magnetic steels (especially density, modulus of elasticity and coefficient of thermal expansion) reach similar values, and the joining of segments is similar to welding. The whole rotor thus behaves mechanically similar to a homogeneous steel cylinder, which is a big advantage over a rotor with air barriers. Thanks to this, the designed topology can also be used for high-speed applications, where mechanical resistance is one of the most important parameters. When the rotor is used in high-speed applications, the advantage of low carbonation of the magnetically conductive parts of the rotor, which is typical for high-speed machines, is manifested. It is therefore not necessary to use special electrotechnical materials with a high value of saturation magnetic polarization. Another advantage is the reduction of the overall dimensions of the machine compared to low-speed applications, which saves material.
U navrhovaného způsobu výroby rotoru se jako další výhoda jeví možnost zhotovit rotor s radiálními drážkami. Tyto drážky na vnějším obvodu rotoru jsou hluboké pouze jednotky milimetrů a slouží k prodloužení povrchové dráhy pro vířivé proudy. Tím dochází ke snížení jejich velikosti a ztrát jimi způsobených.Another advantage of the proposed rotor production method is the possibility of producing a rotor with radial grooves. These grooves on the outer circumference of the rotor are only units of millimeters deep and serve to extend the surface path for the eddy currents. This reduces their size and the losses caused by them.
Vhodnost použití navrženého řešení rotoru ukazuje příklad vysokootáčkového motoru s výkonem 5 kW při 60 000 otáčkách. Vybrané parametry jsou na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Jako materiál pro magneticky vodivé části byla zvolena ocel 1.4542, pro magneticky nevodivé části ocel 1.4404. Vzhledem k elektromagnetické účinnosti 91,8 % lze prohlásit, že i přes použitíThe suitability of using the proposed rotor solution is shown by the example of a high-speed motor with a power of 5 kW at 60,000 revolutions. The selected parameters are on Error! Reference source not found.. Steel 1.4542 was chosen as material for magnetically conductive parts, steel 1.4404 for non-magnetically conductive parts. Due to the electromagnetic efficiency of 91.8% it can be declared that despite the use
-3 CZ 309876 B6 magneticky nevodivé oceli 1.4404 s relativní permeabilitou přibližně 1,8 (což snižuje reluktanční poměr oproti vzduchovým bariérám), dosahuje toto řešení dobré účinnosti. Maximální hodnota relativní permeability magneticky vodivé oceli 1.4542 činí přibližně 100. Výhodou těchto ocelí jsou především dobré mechanické vlastnosti a jejich dobrá dostupnost. Na obr. 5 je rozložení magnetické indukce v řešeném rotoru.-3 CZ 309876 B6 magnetically non-conductive steel 1.4404 with a relative permeability of approximately 1.8 (which reduces the reluctance ratio compared to air barriers), this solution achieves good efficiency. The maximum value of the relative permeability of the magnetically conductive steel 1.4542 is approximately 100. The advantage of these steels is primarily good mechanical properties and their good availability. Fig. 5 shows the distribution of magnetic induction in the solved rotor.
Tab. 1: Parametry motoru s rotorem podle vynálezuTab. 1: Parameters of the rotor motor according to the invention
Bylo testováno mechanické napětí v rotoru s navrhovanou topologií a vyrobeného navrhovaným způsobem. Teplota všech segmentů rotoru byla nastavena na 150 °C a obvodová rychlost 200 m/s. Oba použité materiály (ocel 1.4542 a 1.4404) mají při výrobě metodou SLM mez kluzu vyšší než 500 MPa, tudíž maximální hodnotu napětí 209,6 MPa, která je s těmito výpočtovými podmínkami dostatečně nízká, a to s dobrou rezervou. Tím se prokazuje mechanická odolnost a vhodnost tohoto řešení rotoru.The mechanical stress in the rotor with the proposed topology and manufactured in the proposed manner was tested. The temperature of all rotor segments was set to 150 °C and the peripheral speed to 200 m/s. Both materials used (steel 1.4542 and 1.4404) have a yield strength higher than 500 MPa when produced by the SLM method, thus a maximum stress value of 209.6 MPa, which is low enough with these calculation conditions, with a good margin. This proves the mechanical resistance and suitability of this rotor solution.
Rotor podle vynálezu byl zhotoven v následujících krocích:The rotor according to the invention was made in the following steps:
Tvorba parametrického elektromagnetického modelu v programu využívajícího metodu konečných prvků (MKP) • Tvorba tepelného modelu stroje pomocí odporové sítě • Zjištění maximálních rozměrů rotoru pomocí mechanických výpočtů MKP • Optimalizace pomocí genetického algoritmu NSGA-II o Vstupy optimalizace - elektromagnetický a tepelný model o Multi-objective optimization (MOO) - optimalizace s více cíli o Cíle optimalizace (např.) nízké ztráty nízká hmotnost nízké teploty ve stroji o Na základě aplikace stroje vybrán kompromis mezi cíli optimalizace a z optimalizovaných řešení stroje vybrán výsledný stroj • Uložení rozměrů rotoru a detailů provedení jednotlivých bariér do souboru v PC • Soubor s rozměry rotoru nahrán do tiskárny SLM o nastavení parametrů tisku dle použitých materiálů je spuštěna výroba rotoru • Případné osoustružení rotoru na finální vnější průměr • Tepelné zpracování pro uvolnění mechanických napětí • Montáž rotoru do strojeCreation of a parametric electromagnetic model in a program using the finite element method (FEM) • Creation of a thermal model of the machine using a resistance network • Determination of the maximum dimensions of the rotor using FEM mechanical calculations • Optimization using the NSGA-II genetic algorithm o Optimization inputs - electromagnetic and thermal model o Multi-objective optimization (MOO) - optimization with multiple goals o Optimization goals (e.g.) low losses low weight low temperatures in the machine o Based on the machine application, a compromise between the optimization goals is selected and the resulting machine is selected from the optimized machine solutions • Storage of rotor dimensions and design details of individual barriers to a file in the PC • The file with the dimensions of the rotor is uploaded to the SLM printer to set the printing parameters according to the materials used, the production of the rotor is started • Possible turning of the rotor to the final outer diameter • Heat treatment to release mechanical stresses • Assembly of the rotor into the machine
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2022-482A CZ2022482A3 (en) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | A method of production of a rotor of a synchronous reluctance motor and a rotor of a synchronous reluctance motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2022-482A CZ2022482A3 (en) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | A method of production of a rotor of a synchronous reluctance motor and a rotor of a synchronous reluctance motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ309876B6 true CZ309876B6 (en) | 2024-01-03 |
| CZ2022482A3 CZ2022482A3 (en) | 2024-01-03 |
Family
ID=89307380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2022-482A CZ2022482A3 (en) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | A method of production of a rotor of a synchronous reluctance motor and a rotor of a synchronous reluctance motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2022482A3 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08186967A (en) * | 1994-12-28 | 1996-07-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Reluctance motor |
| DE102005004567A1 (en) * | 2005-02-01 | 2006-08-10 | Robert Bosch Gmbh | Rotor for switched reluctance motor, has core consisting of fin plates and poles arranged radially at distance from core, bridge circuits are formed between poles over rotor slots, where each fin plate is made of two-stage-steel |
| GB2491194A (en) * | 2011-05-27 | 2012-11-28 | Norbar Torque Tools | Torque tool with synchronous reluctance motor |
| CN109687616A (en) * | 2019-02-25 | 2019-04-26 | 河北工业大学 | Novel permanent magnetic saturable synchronous magnetic resistance motor |
| CN217445098U (en) * | 2022-06-10 | 2022-09-16 | 河北工业大学 | Oriented silicon steel sheet rotor core and synchronous reluctance motor |
-
2022
- 2022-11-17 CZ CZ2022-482A patent/CZ2022482A3/en unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08186967A (en) * | 1994-12-28 | 1996-07-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Reluctance motor |
| DE102005004567A1 (en) * | 2005-02-01 | 2006-08-10 | Robert Bosch Gmbh | Rotor for switched reluctance motor, has core consisting of fin plates and poles arranged radially at distance from core, bridge circuits are formed between poles over rotor slots, where each fin plate is made of two-stage-steel |
| GB2491194A (en) * | 2011-05-27 | 2012-11-28 | Norbar Torque Tools | Torque tool with synchronous reluctance motor |
| CN109687616A (en) * | 2019-02-25 | 2019-04-26 | 河北工业大学 | Novel permanent magnetic saturable synchronous magnetic resistance motor |
| CN217445098U (en) * | 2022-06-10 | 2022-09-16 | 河北工业大学 | Oriented silicon steel sheet rotor core and synchronous reluctance motor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2022482A3 (en) | 2024-01-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chan et al. | A novel polyphase multipole square-wave permanent magnet motor drive for electric vehicles | |
| Mao et al. | A novel switched reluctance motor with C-core stators | |
| Zhang et al. | Metal 3D printing of synchronous reluctance motor | |
| Bao et al. | A novel concept of ribless synchronous reluctance motor for enhanced torque capability | |
| Kumar et al. | Design of a new Dual Rotor Radial Flux BLDC motor with Halbach array magnets for an electric vehicle | |
| CN106063094A (en) | Synchronous reluctance motor | |
| Huang et al. | 3-D structure line-start synchronous reluctance motor design based on selective laser melting of 3-D printing | |
| CN110459376B (en) | Monolithic structure with magnetic and non-magnetic phases | |
| CN110851949A (en) | Method for analyzing electromagnetic performance of multilayer magnetic barrier permanent magnet auxiliary type synchronous reluctance motor | |
| Abramenko et al. | Synchronous reluctance motors with an axially laminated anisotropic rotor as an alternative in high-speed applications | |
| Kashani | Design and optimization of coaxial reluctance magnetic gear with different rotor topologies | |
| Nishanth et al. | Characterization of an axial flux machine with an additively manufactured stator | |
| Wu et al. | Application of magnetic metal 3-D printing on the integration of axial-flow impeller fan motor design | |
| Ou et al. | Experimental study of the amorphous magnetic material for high-speed sleeve-free PM rotor application | |
| Mahmoudi et al. | Axial-flux synchronous reluctance motors: Introduction of a new machine | |
| Krishnasamy et al. | Spray-formed hybrid-field traction motor | |
| CZ309876B6 (en) | A method of production of a rotor of a synchronous reluctance motor and a rotor of a synchronous reluctance motor | |
| WO1996042132A1 (en) | High speed synchronous reluctance motor-generator | |
| Yu et al. | Development of a radial-flux slotted limited-angle torque motor with asymmetrical teeth for torque performance improvement | |
| Desai et al. | Fabrication and assembly method for synchronous reluctance machines | |
| Yu et al. | Performance analysis between grain-oriented and non-oriented material on yokeless and segmented armature machine | |
| Hosek et al. | Spray-formed hybrid-field electric motor | |
| Kim et al. | Optimum design criteria of an ALA-SynRM for the maximum torque density and power factor improvement | |
| Jordan et al. | Comparison of two transverse flux machines for an aerospace application | |
| Rabenstein et al. | Design concept of a wound field transverse flux machine using soft magnetic composite claw-poles |