NO180509B - Elektrisk maskin - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrisk maskin av den art som angitt i innledningen til krav 1.

Elektriske maskiner av denne art anvendes oftest som 1ikestrømsmotorer, ved hvilke den permanentiske nordpol og sydpol avveksler med hverandre ved virkflatene og ved hvilke den funksjonsnødvendige, magnetiske tilbakekoblingen mellom tilliggende magnetpoler foregår enten ved en jernrygg på baksiden av permanentmagneten vendt bort fra virkflaten eller ved at permanentmagneten er i forskjellige retninger magnetiserte delområder til et enhetlig magnetisk legeme. Statoren har som regel ledersystemet i form av viklinger eller spoler, som er tilordnet de enkelte polene. For at den elektriske motoren skal kunne gå må strømretningen i de enkelte viklingene bli snudd om i samsvar med relativbevegelsen til stator og rotor med en bestemt strekning, noe som kan foretas ved mekanisk eller elektronisk kommutering.

Foreliggende oppfinnelse har til oppgave å tilveiebringe en elektrisk maskin av den innledningsvis nevnte art som kan bygges som følge av sin konstruksjon med høyere dreiemoment-tetthet og effekttetthet i forhold til vekt eller volum.

Denne oppgaven løses ved hjelp av en elektrisk maskin av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene.

Fra US-A-3 836 801 er kjent en elektrisk maskin hvor statoren er utformet slik som rotoren ved foreliggende oppfinnelse.

Fra US-A-4 336 649 er kjent ved den indre rotoren til en elektrisk maskin - betraktet fremadskridende i rotasjonsretningen - er anordnet i en vekslende rekke av i rotasjonsretningen magnetiserte permanentmagneter og magnetiske ledende materialområder. De magnetisk ledende områdene har en magnetstrømutgangsflate, som er mindre enn summen av magnetstrømtverrsnittsflåtene til de to tilsluttende permanentmagnetene og permanentmagnetene har, målt i rotasjonsretningen, en med tiltagende avstand fra virkflåtene lett tiltagende bredde. Magnetstrømkonsentrasjonen ved det magnetisk ledende materialområde for virkflaten er ikke berørt i denne publikasjonen.

Det er i og for seg kjent å utforme rotoren til en elektrisk maskin som ytre rotor med innvendige virkflater og med permanentmagnetiske magnetiseringssystem. Det er kjent å bygge elektriske maskiner med permanentmagneter, som har en permeabilitet nær permeabiliteten til luft. Det er også kjent å utføre statorpolflåtene i det vesentlige så brede som rotorpolflåtene målt i rotasjonsretningen.

Ved de tidligere kjente elektriske maskinene uten magnet-strømkonsentrasjon er den magnetiske feltstyrken til permanentmagneten i magnetiseringssystemet begrenset oppover av det anvendte permanentmagnetmaterialet og det er derved gitt en øvre grense for magnetstrømtettheten over virkflaten. Når man vil øke disse parametrene til dreiemomentet ved en vanlig elektrisk maskin utover dette må virkflatene bli forstørret. Dette gir ved en roterende elektrisk maskin en større diameter eller en større aksial lengde.

Ved hjelp av oppfinnelsen tilveiebringes det over virkflatene til rotoren til statoren en luftspaltefeltstyrke, som ligger vesentlig over remanensfeltstyrken til den anvendte permanentmagneten. "Oversettelsesfaktoren" til B-feltet er i det vesentlige bestemt av forholdet mellom størrelsen på magnetstrømtverrsnittsflaten til en permanentmagnet og den halve magnetstrøm-utgangsflaten i virkflaten til den på ene siden av permanentmagneten seg tilsluttende, magnetisk ledende materialområde. Oversettelsesfaktoren kan uten problem være større enn 1,2 eller større enn 1,3 eller større enn 1,5, ja til og med større enn 2,0.

Når B-feltet i luftspalten er større blir i tilfelle av samme maskinstørrelse viklingstallet ved polene til ledersystemet redusert. Ved det mindre viklingsantallet fremkommer en kvadratisk lavere induktivitet i statoren. Dette betyr at ved uendret omdreiningstall i maskinen kan det bli anvendt en høyere strøm henholdsvis den samme strømmen ved høyere omdreiningstall hvorved effekten til maskinen stiger tilsvarende.

I et annet tilfelle er det mulig å bygge den roterende maskinen aksialt kortere, uten at den i statoren induserte EMK reduseres og uten å endre induktiviteten slik at den elektriske motoren avgir fortsatt samme effekt. Ovenfornevnte gjør at man på grunn av oppfinnelsen kan ved samme volum eller samme vekt bygge en elektrisk maskin med høyere dreiemoment eller høyere effekt henholdsvis i tilfelle av en elektrisk generator med høyere elektrisk effekt. Uttrykt på en annen måte ved krevd effekt kan maskinen være mindre og lettere.

Ved den elektriske maskinen ifølge oppfinnelsen fremkommer en konstruktiv gunstig konfigurasjon, små reduktanseffekter med stor materialutnyttelse.

Virkflaten til maskinen er sylindrisk, når stator og rotor ligger radialt ovenfor virkflaten. Dermed er relativbevegelsesretningen sirkelformet.

Den til virkflaten rettede magnetstrømutløpsflate til det magnetisk ledende magnetområde er som regel i plan, og i tilfelle av roterende maskin med radialt i avstand fra hverandre liggende rotor og stator i sylindrisk avstand, dette må imidlertid ikke være slik. Når magnetstrøm-ut-redelsesflåtene avviker fra denne enkle geometrien er det hensiktsmessig å betrakte de respektive projeksjonene til de angjeldende flatene på de tilsvarende sammenligningsflater til den nevnte enkle geometrien for å bestemme det i krav 1 angitte flateforhold. Som regel er permanentmagnetene til magnetiseringssystemet, sett i retning av relativbevegelsen, vekslende polet slik at på sydpolen til en første permanentmagnet følger sydpolen til en andre permanentmagnet, på nordpolen til den andre magneten følger nordpolen til en tredje permanentmagnet og på sydpolen til den tredje permanentmagneten sydpolen til en fjerde permanentmagnet osv. Det er mulig med enhver konfigurasjon ved hvilke ingen av de strenge vekslende rekkefølgene til magnetiseringsretningen av permanentmagneten er gitt.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen når flaten til statoren, som er vendt mot rotoren, og betraktet i relativbevegelsesretningen, vekslende mer eller mindre nær mot den andre funksjonsdelen. Med dette tiltaket er det mulig at ved bestemte relativstillinger til rotor og stator blir magnetstrømmen pr. enkelt magnetisk krets i maskinen maksimal og ved andre relativstillinger mindre enn den maksimale. Ved mindre elektrisk indusert magnetstrøm er induktiviteten til maskinen til det tilsvarende tidspunktet mindre, noe som ved det tidspunktet er gunstig, til hvilket tidspunkt strømret-ningen i dette systemet til statoren snur. Når den elektrisk induserte magnetstrømmen er maksimal er til det tilsvarende tidspunktet henholdsvis innenfor den tilsvarende tidsrammen induktiviteten til maskinen maksimal, noe som er gunstig i løpet av dette tidsrommet, i hvilket ledersystemet tilføres strøm av samme retning. Dette gjelder spesielt for utførel-sesformen av maskinen ved hvilket tidsrommet mellom strøm-omsnuingen i ledersystemet hvor ledersystemstrømmen ikke tilføres tidsmessig konstant, men pulset. Spesielt gunstig oppnår man ovenfornevnte effekt når det magnetiske ledbare området på siden vendt mot virkflaten når inn i midtområdet nær statoren, altså der hvor bredden på luftspalten gjøres mindre. Eller sagt på en annen måte, det magnetisk ledbare området er på siden vendt mot virkflaten ved sine kanter vendt mot de to tilliggende permanentmagnetene tatt ut slik at der er bredden til luftspalten større.

Lignende effekt kan tilveiebringes idet det magnetisk ledbare området, sett i relativbevegelsesretningen, er satt sammen av materialer av forskjellige magnetiske ledeevner. Konkret kan man i det midlere området til hvert ledbart materialområde anordne et materiale med høyere magnetisk ledeevne og i begge kantområdene til det magnetisk ledbare materialområdet anordne et materiale med lavere magnetisk ledeevne.

Gunstig kan det være at permanentmagneten består henholdsvis gjennomgående av samme materiale, er altså fortrinnsvise hverken i relativbevegelsesretningen eller på tvers av relativbevegelsesretningen oppbygd sjiktvis av forskjellige materialer.

Spesielt foretrukket materiale er permanentmagnematerialer på basis av Se-Co (Se = sjeldne jordarter, spesielt samarium), Fe-Nd og bestemte ferritter. Disse reduserer induktiviteten til magnetkretsen i maskinen.

Fortrinnsvis er maskinen elektronisk kommutert. Slike maskiner utmerker seg spesielt ved sin optimale regulerbarhet og slitasjefrihet. Matet kan en slik elektrisk motor i enkleste tilfelle bli med likestrøm, idet fortrinnsvis i tidsrommet mellom strømsnuingen henholdsvis omvending av strømretningen i ledersystemet til statoren påføres en likespenning, som ved elektroniske kommuteringsinnretninger for opprettholdelse av en ønsket regulerbarhet, midlere strømhøyde blir til-og-fra-koblet henholdsvis taktet. En gunstig lav taktfrekvens fremkommer ved den foran nevnte høye induktiviteten til maskinen i tidsrommet mellom strømsnuingen. Når det skal stå til rådighet en vekselstrøm-kilde for mating kan den elektriske motoren bli matet fra en likespenningsmellomkrets.

Ved den elektriske maskinen ifølge oppfinnelsen kan også være to relativt til hverandre bevegelige funksjonsdeler. Spesielt foretrukket er imidlertid når rotoren er den bevegelige delen til den elektriske maskinen, spesielt da rotoren ikke må tilføres noen strøm.

Den utvendige rotoroppbygningen er av interesse ved en mest mulig stor diameter på virkflaten og dermed mest mulig stort dreiemoment med gitt volum, mens magnetiseringsdelen krever som regel radialt mindre rom enn ledersystemet til den andre funksj onsdelen.

Da den elektriske maskinen ifølge oppfinnelsen ikke trenger magnetisk tilbakekobling på baksiden av magnetiseringssystemet vendt bort fra virkflatene er det foretrukket å forbinde permanentmagneten og de magnetisk ledbare områdene formsluttende med hverandre og/eller å anordne på baksiden av magnetiseringssystemet vendt bort fra virkflaten en lastopptaksdel av magnetisk ikke ledbart materiale. Lastopptaksdelen er firkantet. Lastopptaksdelen kan fremstilles spesielt gunstig av kunststoff, fortrinnsvis fiberforsterket kunststoff. Det er spesielt gunstig å anordne i lastopptaksdelen en ringformet bandasje eller å utforme lastopptaksdelen totalt som ringformet bandasje, som holder sammen komponenten til magnetiseringssystemet mot sentrifugalkraften. Lastopptaksdelen kan bli bygd med moderne materialer, fortrinnsvis fibermaterialer eller fiberforsterkede kunststoff-materialer med ekstremt høy mekanisk fasthet ved lite volum og liten vekt.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til utførelseseksempler vist på tegningene, hvor: Fig. 1 viser skjematisk en elektrisk maskin med rotasjonsbevegelse i et snitt rettvinklet i forhold til rotasjonsaksen, idet noen deler er utelatt. Fig. 2 viser en del av en elektrisk maskin med lineær-bevegelse eller rotasjonsbevegelse, i et snitt rettvinklet i forhold til maskinens virkflate og inneholdende relativbevegelsesretningen.

Fig. 3 viser i forhold til fig. 2 en annen utførelsesform av

en elektrisk maskin i samme snittfremvisning.

Fig. 4 viser en grafisk fremstilling av endringene til induktiviteten i maskinen ifølge fig. 3 ved seg endrende relativstilling til første og andre funksj onsdel.

Den på fig. 1 til 3 skjematisk viste maskinen kan enten være en strømgenerator eller en elektrisk motor. Den følgende beskrivelsen retter seg i første linje mot en elektrisk motor, men hvor dette kan være en tilsvarende oppbygd generator som fagmannen vil kunne se.

Den på fig. 1 viste elektriske motor 2 er en utvendig rotormotor, ved hvilken en i det vesentlige rørformet ytre rotor som første funksjonsdel 4 kan dreies om en indre i det vesentlige sylindrisk andre funksjonsdel 6, nemlig statoren til den elektriske motoren 2. Statoren 6 har ringformet fordelte statorpoler 8, som ved betraktning innenfor et bestemt tidspunkt er i omkretsretningen fremadskridende avvekslende en elektromagnetisk nordpol eller sydpol. Polene 8 er forsynt med respektivt en vikling 10 og viklingene 10 danner ledersystemet for motoren 2.

På rotoren 8 er innvendig anordnet permanentmagneter 12, som i snittet på fig. 1 er trekantet med radialt innoverpekende spisser, idet tilliggende permanentmagnet 12 støter mot hverandre radialt utvendig med sine kanter. I omkretsretningen seg fremadskridende er anordnet mellom permanentmagneten 12 respektive magnetisk ledende materialområder 14, som i snitt på fig. 1 er i det vesentlige trekantet med radialt utoverpekende spisser. Permanentmagnetene 12 og materialområdet 14 har, sett samlet i snitt på fig. 1, en sirkelformet konfigurasjon og danner magnetiseringssystemet 16 for motoren 2. Radialt utvendig er permanentmagnetene 12 og materialområdet 14 omgitt av en i det vesentlige sirkelformet, enkel eller flerfoldig omlagt bandasje 18, som f.eks. kan bestå i det vesentlige omkretsretningen forløpende glassfibre, karbonfibre, Kevlar-tråder eller kunststoff eller med slike fibre forsterket kunststoff.

Mellom den indre omkretsen til rotoren 4 og den ytre omkretsen til statoren 6 befinner seg en i det vesentlige sylindrisk virkflate med en radial bredde a, som er vanligvis betegnet som luftspaltebredde. Virkflaten er strengt tatt ikke noen todimensjonal flate, men et "Wirkschicht" med en nødvendigvis over alt ikke lik tykkelse målt loddrett i forhold til relativbevegelsesretningen.

I omkretsretningen er de enkelte polene 8 målt nesten likt brede som materialområdet 14 radialt innvendig.

Permanentmagnetene 12 består av respektive gjennomgående henholdsvis totalt av samme materiale og er i hovedsaken i omkretsretningen av rotoren 4 magnetisert, som antydet med en inntegnet pil slik at, i omkretsretningen, følger etter en permanentmagnet 12 med i urviserretningen pekende nordpol en permanentmagnet 12 med motsatt urviserretningen pekende nordpol osv. Da ved hvert betraktet materialområde 14 summen av magnetstrøm-tverrsnittsflåtene til begge i omkretsretningen tilliggende permanentmagneter 12 er større enn dens magnetstrøm-utløpsflate 22 i virkflaten 24 er i virkflaten 24 en magnetisk feltstyrke som ligger betydelig over remanensfeltstyrken til permanentmagneten 12.

Med henvisningstallet 26 er betegnet en sensor som er festet på den ytre omkretsen til statoren 6, som reagerer på magnetfeltet til den forbibevegede permanentmagneten 12, hvorved relativstillingen til rotoren 4 og statoren 6 registreres. Signalet til sensoren 26 tilføres en styreenhet 28, som ompoler en matelikespenning for ledersystemet ved det tidspunktet når, som vist på fig. 1, statorpolene 8 befinner seg henholdsvis rett midt over materialområdet 14. Alter-nativt kan man forsyne en ring roterende sammen med rotoren 4 med styrings-permanentmagneter, på hvilke sensoren 26 reagerer.

Når maskinen er oppbygd som generator er det ikke nødvendig med noen elektronisk styring for kommutering, kan imidlertid være tilstede for å likerette den frembrakte strømmen i en generator.

På fig. 2 og 3 er vist prinsipielle forhold i en større målestokk og det er vist ytterligere foretrukne enkeltheter. Den viste fremstilling av den første funksjonsdelen 4 i et plan kan enten forstås som vikling av en rotasjonsmotor ifølge fig. 1 eller som en lineærmotor 2.

Magnetstrømlinjene 30 er inntegnet tilhørende en magnetisk krets til motoren 2, som består av en permanentmagnet 12, et halvt materialområde 14 til venstre derfor, et halv materialområde 14 til høyre derfor og to halve elektromagneter 8, 10. Videre er ved en permanentmagnet 12 inntegnet ved to steder magnetstrøm-tverrsnittsflater 21 rettvinklet i forhold til virkflaten 24. De respektive tverrsnittsflåtene 21 kan man forestille seg som projeksjon av den angjeldende tilslut-ningsflaten 20 på det tilgrensende materialområdet 14 i relativbevegelsesretningen. Det fremgår at magnetstrøm-konsentrasjonen fra magnetstrøm-tverrsnittsflåtene 21 til permanentmagnetene 12 er vist i tilsvarende del av virkflaten 24.

Det fremgår dessuten at permanentmagnetene på begge sidene har respektive seg i relativbevegelsesretningen 32 strekkende nese 34, ved hvilken seg griper inn i tilsvarende spor 30 i materialområdet 14. For montering blir permanentmagnetene 12 og materialområdet 14 forskjøvet sammen loddrett i forhold til tegneplanet på fig- 2. På denne måten oppstår en gjensidig, formsluttende låsing av permanentmagnetene 12 og materialområdene 14. Spesielt ved mindre sterkt belastede motorer kan lastopptaksdelen 18 tilsvarende bandasjen på fig.

1 være mindre kraftig eller være helt utelatt.

Videre er muligheten inntegnet at materialområdet 14 består i det midtre området av et materiale 36 av svært høy magnetisk ledeevne og i sitt kantområde vist til høyre og venstre på fig. 2 består av et materiale 38 med liten magnetisk ledeevne.

På fig. 3 er vist en utførelsesf orm, som avviker fra de tidligere beskrevne utførelsesformene ved at flaten til den første funksjonsdelen 4 som er vendt mot den andre funksjonsdelen 6 er utformet slik at bredden a til luftspalten er i respektive midtre område til materialområdet 14 mindre enn i kantområdet til materialområdet 14. Det fremkommer dermed et forsprangsområde 14, som når nærmere mot den andre funksjonsdelen 6 enn området derimellom. Herved tilveiebringes at i den på fig. 3a viste stillingg er induktiviteten til motoren spesielt liten, som fremmer en rask strømoppbygning i viklingen 10 etter spenningsomvendingen gjennom styreenheten 28.

Når derimot, som vist på fig. 3b, polene 8 ligger med sin respektive midte vendt mot virkflaten 24 eventuelt ovenfor avflatede spisser til en permanentmagnet 12 er induktiviteten til motoren høyere, som er gunstig spesielt for forsyning av motoren med pulset likestrøm. Dette forholdet er vist grafisk på fig. 4.

Claims (11)

1. Elektrisk maskin (2), omfattende en kombinasjon av a) en stator (6) med et ledersystem (10) og en rotor (4) med et system av permanentmagneter (12), idet det befinner seg mellom statoren (6) og rotoren (4) en luftspaltevirkflate (24), b) at rotoren (4) er utformet som ytre rotor med på innsiden virkflate (24), karakterisert ved c) at rotoren (4) har, sett fremadskridende i rotasjonsretningen (32), en vekslende rekke av i rotasjonsretningen (32) magnetiserte permanentmagneter (12) og områder utført i magnetisk ledende materiale (14), d) at permanentmagnetene (12) består av et materiale med en permeabilitet nær permeabiliteten til luft, e) målt i rotasjonsretningen, har permanentmagnetene (12) en med tiltagende avstand fra virkflaten (24) tiltagende bredde og områdene av magnetisk ledende materiale (14) har en med tiltagende avstand fra virkflaten (24) avtagende bredde, f) at de magnetisk ledende områdene (14) har respektive magnetstrøm-utløpsflater (22) vendt mot virkflaten (24), som er mindre enn summen av magnetstrømtverr-snittsflaten (21) til begge tilsluttende permanentmagneter (12), slik at magnetstrømmen til permanentmagnetene (12) er konsentrert for virkflaten (24), og g) at målt i rotasjonsretningen er hver pol (8) til statoren (6) nesten like bred som magnetstrøm-utløpsf laten (22) til de magnetisk ledende områdene (14).

2. Elektrisk maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at permanentmagnetene (12) betraktet i tverrsnitt rettvinklet i forhold til rotorens (4) rotasjonsakse, er i det vesentlige trekantet.

3. Elektrisk maskin ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at de magnetisk ledende områdene (14) betraktet i tverrsnitt rettvinklet i forhold til rotasjonsaksen til rotoren (4), er i det vesentlige trekantet.

4 . Elektrisk maskin ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at permanentmagnetene (12) består i sin helhet av et og samme materiale.

5 . Elektrisk maskin ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at de magnetisk ledende områdene (14), sett fremadskridende i rotasjonsretningen (32), består av materialer av forskjellige magnetiske ledeevner.

6. Elektrisk maskin ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at den er elektronisk kommutert.

7. Elektrisk maskin ifølge krav 6, karakterisert ved at hvert magnetisk ledende område (14) har i midten et fremspring (40) i retning mot statoren (6).

8. Elektrisk maskin ifølge et av kravene 1 til 7, karakterisert ved at permanentmagnetene (12) og de magnetisk ledende områdene (14) er formsluttende forbundet med hverandre.

9. Elektrisk maskin ifølge et av kravene 1 til 8, karakterisert ved at på baksiden til permanentmagnetene (12) vendt bort fra virkflaten (24) og på det magnetisk ledende området (14) er anordnet en lastopptaksdel (18) av magnetisk ikke-ledende materiale.

10. Elektrisk maskin ifølge krav 9, karakterisert ved at lastopptaksdelen (18) er fremstilt av fortrinnsvis fiberforsterket kunststoff.

11. Elektrisk maskin ifølge krav 9 eller 10, karakterisert ved at lastopptaksdelen (18) har en utvendig om rotoren (4) omlagt bandasje.