NL1017800C2 - Elektrische machine voor het omzetten van energie met axiale en radiale permanente magneten. - Google Patents

Description

Elektrische machine voor het omzetten van energie met axiale en radiale permanente magneten.

BESCHRIJVING

5 De onderhavige uitvinding betreft een elektrische machine voor het omzetten van energie met permanente magneten welke een axiale en radiale magnetische flux produceren, welke machine een frame omvat en een cilindrische rotor gemonteerd op een as welke roteerbaar is gelagerd in genoemd frame en met tenminste één eerste set van permanente magneten, 10 welke opgesteld zijn op een omtreksoppervlak van de rotor en welke een radiaal gericht magnetisch veld produceren, en met tenminste één tweede set van permanente magneten gemonteerd op een oppervlak van de rotor dat loodrecht staat op de genoemde as en welke tweede set van permanente magneten een axiaal gericht magnetisch veld produceren, waarbij de eerste 15 en tweede set van permanente magneten elk via bijbehorende luchtspleten samenwerken met hun respectieve statorwikkelingen waarin stromen rondlopen welke samenwerken met de magnetische velden geproduceerd door de permanente magneten teneinde energie van een elektrische vorm om te zetten in een mechanische vorm of omgekeerd.

20 Het gebied van de onderhavige uitvinding betreft permanente-magneetmachines en in het bijzonder zulk soort machines met een hoge vermogensdichtheid.

Het vermogen van dit soort machines is in de eerste plaats een functie van hun afmetingen. Grotere machines hebben normaal een 25 groter luchtspleetoppervlak waarover de magneetvelden kunnen samenwerken met de rondlopende stromen teneinde een hogere koppel te kunnen produceren. Bij conventionele elektromotoren met radiaal verlopende luchtspleten is de rotor in het algemeen cilindrisch van vorm en zijn permanente magneten daarbij gemonteerd op het buitenomtreksvlak en naar buiten toe 30 gericht in de richting van een deze omgevende ringvormige luchtspleet. Stilstaande statorwikkelingen zijn daarbij geplaatst rond de genoemde 1017800 2 ringvormige 1 lichtspleet en produceren roterende magneetvelden welke samenwerken met de velden geproduceerd door de magneten van de machine teneinde een koppel te produceren dat dientengevolge de rotor in rotatie brengt. Zulke radiale 1uchtspleetmachines zijn zeer wel bekend in dit 5 gebied. Maar zoals reeds gezegd is hun vermogen beperkt door hun afmetingen.

Verder zijn er machines bekend van de soort waarop de onderhavige uitvinding betrekking heeft, welke zijn voorzien van een axiaal verlopende luchtspleet. Zulke machines hebben een rotor waarop aan 10 één of beide zijden magneten zijn gemonteerd welke gericht zijn in de axiale richting. De luchtspleet is daarbij gevormd aan één of beide zijden van de rotor en de statorwikkelingen produceren roterende magneetvelden welke ook axiaal gericht zijn over de genoemde luchtspleet teneinde samen te werken met de genoemde magnetische velden. Ook in dit 15 geval is het door zulke machines opgewekte vermogen beperkt door de afmeting van de machine.

Een machine zoals beschreven in de openingsparagraaf van deze beschrijving is geopenbaard in US patent 5.952.756. Teneinde de koppel-volumeverhouding van zulke machines te verhogen, is de machine 20 volgens dit Amerikaanse octrooi voorzien van een combinatie van axiale en radiale luchtspleten welke aan deze machine een grote koppel-volumeverhouding geven. Dit wordt echter bereikt met een tamelijk gecompliceerde constructie met een eerste set van radiale magneten gemonteerd rond het omtreksoppervlak van een rotor die gemonteerd is op een as waarbij 25 deze rotor aan beide zijden is voorzien van axiale magneten. De drie sets van magneten werken daarbij via hun respectieve luchtspleten samen met elektrische wikkelingen gemonteerd op stators welke bevestigd zijn aan het frame van de machine. Elk van deze stators is daarbij gemaakt van gelamineerde staalplaatjes. Het gebruik van drie separate statoren maakt 30 deze constructie zwaar en gecompliceerd.

Het is een doel van de onderhavige uitvinding om een machi-

1 0 7 78ÜQ

3 ne van het hiervoor beschreven type te verschaffen welke een grote koppel-volumeverhouding koppelt aan een tamelijk eenvoudige en effectieve constructie van de machine.

Teneinde dit doel te bereiken, wordt de elektrische machine 5 volgens de uitvinding gekenmerkt doordat de genoemde eerste en de genoemde tweede set van permanente magneten samenwerken met één en dezelfde stator welke gemeenschappelijke stator is gemaakt van een zachtmagnetisch composietmateriaal en daarbij is voorzien van sleuven voor het daarin leggen van elektrische wikkelingen welke de genoemde velden produceren 10 die samenwerken met de magnetische velden geproduceerd door de twee sets van permanente magneten, waarbij verder de genoemde gemeenschappelijke stator goed warmtegeleidend is verbonden met het frame.

Tengevolge van het feit dat zowel een axiale als een radiale luchtspleet is toegepast in deze machine zal de vermogens-volume-15 verhouding van deze machine zeer hoog zijn. Omdat voor de vervaardiging van de stator een zachtmagnetisch composietmateriaal is toegepast, is het mogelijk geworden slechts één stator te gebruiken voor de combinatie van een set van radiale en een set van axiale magneten. Dit verschaft de machine volgens de uitvinding een eenvoudiger constructie en een lager 20 gewicht.

Er dient te worden opgemerkt dat de eigenschappen van zachtmagnetische composietmateriaal en het gebruik daarvan voor het statormateriaal van elektrische machines reeds beschreven is door verscheidene auteurs zoals bijvoorbeeld "Iron Loss in Machines with Powdered 25 Iron Stators" door A.J. Jack, B.C. Mecrov, P.G. Dickinson of the University of Newcastle Upon Tyne, UK, 1999 IEEE.

Een probleem dat altijd optreedt bij elektromotoren wordt veroorzaakt door het feit dat de warmte, welke gegenereerd wordt door de ijzerverliezen, afgevoerd moet worden. In de machine volgens de onder-30 havige uitvinding wordt dit opgelost door een goede warmtegeleidende verbinding te maken tussen de stator en het frame.

' t.: 4

Een verdere voordelige uitvoering van de permanent-magneet-elektrische machine volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de gemeenschappelijke stator is verbonden aan het frame onder toepassing van een set van warmte-uitwisseïingskanalen, waarheen een koelmedium kan 5 worden geleid. Op deze eenvoudige manier wordt de stator zeer goed gekoeld, hetgeen bijdraagt aan het rendement van de machine.

Een verdere uitvoeringsvorm van de permanent-magneet elektrische machine met axiale en radiale flux volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de rotor, welke de permanente magneten draagt, in 10 doorsnede de vorm heeft van een T met een cilindrisch deel dat in zijn midden via een radiale flens is verbonden met de as, waarbij aan beide zijden van de genoemde flens het cilindrische deel aan zijn binnen-omtreksvlak voorzien is van radiale permanente magneten en aan beide radiale oppervlakken van de flens is voorzien van axiale magneetsegmen-15 ten. Waarbij de twee sets van magneten aan beide zijden van de flens samenwerken met één gemeenschappelijke stator van zachtmagnetisch composietmateriaal waarbij de beide statoren met hun van de flens afgekeerde zijden goed warmtegeleidend zijn verbonden met het frame. Op deze manier is een dubbele uitvoering van een elektrische machine verkregen met een 20 zeer robuuste mechanische constructie die op zich gemakkelijk is te vervaardigen. Verder zijn in deze uitvoering ook weer de stators goed warmtegeleidend verbonden met het frame zodat de gegenereerde verlies-warmte goed kan worden afgevoerd, hetgeen bijdraagt aan het rendement van de machine.

25 Er dient te worden opgemerkt dat een permanente-magneet- machine met zowel axiale als radiale luchtspleten reeds eerder is beschreven in "Combined Radial and Axial Permanent Magnet Motors Using Soft Magnetic Composites" by A.G. Jack, B.C. Mecrow and C.P. Maddison of the University of Newcastle upon Tyne, UK, in de conferentiepublicatie nummer 30 468 van "The Ninth International Conference on Electrical Machines and

Drives". Echter in deze machine omgeeft de rotor welke is voorzien van t ; .

• <·.. .·' · ~-β> 5 zowel de radiale als de axiale magneten compleet de stator, zodat de constructie van deze machine mechanisch tamelijk gecompliceerd is en waarbij het koelen van de stator moeilijk is omdat alle warmte afgevoerd dient te worden door de as.

5 De uitvinding zal hierna verder worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen welke als voorbeeld één uitvoering tonen van een permanent-magneet elektrische machine volgens de uitvinding.

Figuur 1 en 2 tonen respectievelijk een langsdoorsnede en een dwarsdoorsnede van een schematische voorstelling van een permanent-10 magneetmachine volgens de uitvinding.

Figuur 3 en 4 tonen respectievelijk een deel van een stator en statorelementen welke kunnen worden gebruikt voor het opbouwen van een stator voor toepassing in de permanent-magneetmachine volgens figuur 1.

In figuur 1 is met het verwijzingscijfer 1 een as aangeduid 15 waarop een in dwarsdoorsnede hoofdletter T vormige rotor 2 is aangebracht. De as 1 is roteerbaar gelagerd in een frame 3. Op beide zijden van het flensvormige deel van de rotor 2 zijn permanente-magneet-segmenten 4 en 5 aangebracht. Op de cilinderomtrek 6 van de rotor zijn aan beide zijden van de flens permanente magneten 7 en 8 aangebracht. De 20 permanente magneten 7 en 8 produceren een radiaal gericht magnetisch veld en anderzijds produceren de permanente magneten 4 en 5 een magnetische flux in de axiale richting. De radiale permanente magneten 7, 8 en de axiale permanente magneten 5, 4 werken samen met elektrische wikkelingen welke opgenomen zijn in sleuven in stators 9 en 10, welke stators zijn 25 vervaardigd van zachtmagnetisch composietmateriaal. Dientengevolge kan zulk materiaal dat op zich welbekend is tegelijkertijd samenwerken met zowel axiale als radiale magneetfluxen. Elk van de stators 9 en 10 is daarbij zodanig verbonden met het frame 3, dat een goede warmtegeleiding verzekerd is. Verder is in deze uitvoering de warmtegeleiding verder 30 verbeterd door het aanbrengen van koel kanal en 11 tussen het frame en de respectievelijke zijde van de stator. Door deze koel kanalen 11 kan een

Ij O11 6 koelmedium worden geleid.

Een gedeeltelijke uitvoering van de stator en een voorbeeld van statorsleufelementen welke kunnen dienen voor de opbouw van een stator en waarin de respectievelijke elektrische wikkelingen kunnen 5 worden opgenomen zijn getoond in de figuren 3 en 4. Hoewel deze vormen van deze elementen als getoond zekere voordelen hebben, dient te worden opgemerkt dat andere vormen van de stator en van de stator sleutelementen kunnen worden toegepast zonder buiten het gebied van de onderhavige uitvinding te treden.

10 Behalve dat de magneten 7 en 8 op de binnenomtrek van het cilindrische deel 6 zijn aangebracht, is het ook nog wel mogelijk om magneten welke hier niet zijn getoond aan te brengen rond de as 1 aan beide zijden van de flens, welke magneten dan samenwerken via respectievelijke luchtspleten met de binnenomtrek van de respectieve stators 9 en 15 10. Dit verhoogt verder het algehele koppel van de onderhavige machine.

Het moge duidelijk zijn uit de hiervoorgaande beschrijving en uit de tekeningen dat de uitvinding een zeer eenvoudige en robuuste constructie voor een permanent-magneetmachine verschaft met een grote vermogens-volumeverhouding en met een goede en efficiënte koeling.

T Γμ

Claims (3)

1. Elektrische machine voor het omzetten van energie met axiale en radiale permanente magneten, omvattende een frame en een cilin-5 drische rotor gemonteerd op een as welke roteerbaar is gelagerd in het genoemde frame en met tenminste één eerste set van permanente magneten gemonteerd op een omtreksoppervlak van de rotor welke magneten een radiaal gericht magnetisch veld produceren en met tenminste één tweede set van permanente magneten gemonteerd op een oppervlak van de rotor dat 10 loodrecht staat op de genoemde as, welke tweede set van permanente magneten een axiaal gericht magnetisch veld produceren, waarbij de eerste en de tweede set van permanente magneten samenwerken via daarbij behorende luchtspleten met hun respectievelijke statorwikkelingen welke elektrische velden produceren die samenwerken met de magneetvelden geproduceerd door 15 de permanente magneten teneinde energie om te zetten van een elektrische vorm naar een mechanische vorm of omgekeerd, met het kenmerk, dat de genoemde eerste set en de genoemde tweede set van permanente magneten samenwerken met een en dezelfde stator, welke gemeenschappelijke stator is vervaardigd van een zachtmagnetisch composietmateriaal en is voorzien 20 van sleuven voor het opnemen van elektrische wikkelingen welke de genoemde velden produceren die samenwerken met de magnetische velden geproduceerd door de twee sets van permanente magneten, waarbij de genoemde gemeenschappelijke stator goed warmtegeleidend is verbonden met het frame.

2. Elektrische machine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de gemeenschappelijke stator is verbonden aan het frame onder tussenkomst van een stel warmte-uitwisselingskanalen waardoorheen een koelmedium kan worden geleid.

3. Elektrische machine volgens conclusie 1 of 2, met het 30 kenmerk dat de rotor welke de permanente magneten draagt in doorsnede de vorm heeft van een T met een cilindrisch deel dat in zijn midden via een é 1 radiale flens verbonden is met de as, waarbij aan beide zijden van de genoemde flens het cilindrische deel op zijn binnenste omtreksoppervlak is voorzien van radiale permanente magneten, waarbij op beide radiale oppervlakken van de flens axiale magneetsegmenten zijn aangebracht, 5 waarbij de twee sets van magneten aan beide zijden van de flens samenwerken met een gemeenschappelijke stator vervaardigd van zachtmagnetisch composietmateriaal, waarbij de beide gemeenschappelijke statoren met hun van de flens afgekeerde zijden goed warmtegeleidend zijn verbonden met het frame van de machine. *i' ί \ 'i ' · b s