PL226450B1

PL226450B1 - Method for increasing electromagnetic moment in the motor with permanent magnets

Info

Publication number: PL226450B1
Application number: PL410321A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Wolnik; Emil Król; Tadeusz Glinka; Andrzej Białas
Original assignee: Inst Napędów I Masz Elektrycznych Komel
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2017-07-31
Also published as: PL410321A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik z magnesami trwałymi, montowanymi na powierzchni ferromagnetycznego jarzma, o zwiększonym momencie elektromagnetycznymThe subject of the invention is a permanent magnet motor mounted on the surface of a ferromagnetic yoke with an increased electromagnetic moment

Maszyny elektryczne mogą być konstruowane z wirnikiem wewnętrznym lub zewnętrznym. W maszynach wzbudzanych magnesami trwałymi wirnik składa się ferromagnetycznego jarzma oraz magnesów trwałych zamontowanych na powierzchni, bądź wewnątrz jarzma. Jarzmo ferromagnetyczne wirnika, na którym magnesy trwałe są montowane na powierzchni, ma kształt litego walca, bądź rury i standardowo wykonane jest ze stali. Na wirnikach wewnętrznych magnesy trwałe są mocowane na powierzchni zewnętrznej jarzma. Na wirnikach zewnętrznych magnesy trwałe są mocowane na powierzchni wewnętrznej jarzma. Magnesy trwałe mocowane są do powierzchni rdzenia ferromagnetycznego zwykle klejem. Przestrzeń pomiędzy sąsiadującymi magnesami trwałymi może być pusta (powietrzna), może też być wykorzystana do dodatkowego zabezpieczenia magnesów trwałych przed zerwaniem, np. klinami przykręconymi do jarzma. Jeśli przestrzeń między magnesami trwałymi jest powietrzna, bądź też kliny są niemagnetyczne, to silnik elektryczny generuje moment elektromagnetyczny tylko od współdziałania pola elektromagnetycznego stojana z polem magnetycznym magnesów trwałych. Rozwiązanie to nie pozwala na wytworzenie maksymalnej chwilowej wartości momentu elektromagnetycznego z danej objętości obwodu elektromagnetycznego maszyny, np. podczas rozruchu silnika.Electric machines can be constructed with an internal or external rotor. In machines excited by permanent magnets, the rotor consists of a ferromagnetic yoke and permanent magnets mounted on the surface or inside the yoke. The ferromagnetic rotor yoke, on which the permanent magnets are mounted on the surface, has the shape of a solid cylinder or tube and is made of steel as a standard. On the inner rotors, permanent magnets are attached to the outer surface of the yoke. On the outer rotors, permanent magnets are mounted on the inner surface of the yoke. Permanent magnets are attached to the surface of a ferromagnetic core, usually with an adhesive. The space between the adjacent permanent magnets can be empty (air), it can also be used for additional protection of permanent magnets against breaking, e.g. with wedges screwed to the yoke. If the space between the permanent magnets is air, or the wedges are non-magnetic, the electric motor generates the electromagnetic moment only from the interaction of the electromagnetic field of the stator with the magnetic field of the permanent magnets. This solution does not allow generating the maximum instantaneous value of the electromagnetic torque from a given volume of the machine's electromagnetic circuit, e.g. during engine start-up.

Znany jest również wirnik z magnesami trwałymi montowanymi na powierzchni cylindrycznego jarzma ferromagnetycznego, w którym cała przestrzeń pomiędzy sąsiadującymi magnesami, do wysokości magnesu, wypełniona jest materiałem ferromagnetycznym o dużej przenikalności magnetycznej względnej. Są to kliny ferromagnetyczne, bądź zęby uformowane wraz z jarzmem, wówczas magnesy trwałe są zamontowane w żłobkach otwartych. W tej konstrukcji moment elektromagnetyczny ma dwie składowe. Jedną składową generuje współdziałanie pola elektromagnetycznego stojana z polem magnetycznym magnesów trwałych, drugą składową jest składowa reluktancyjna, będąca reakcją oddziaływania pola elektromagnetycznego stojana z ferromagnetycznymi zębami, bądź klinami znajdującymi się w przestrzeni pomiędzy sąsiadującymi magnesami trwałymi. Jednak w rozwiązaniu tym, część strumienia magnetycznego magnesów trwałych zamyka się poprzez ferromagnetyczne zęby, bądź kliny i nie przechodzi przez szczelinę powietrzną do stojana, zatem nie uczestniczy w wytarzaniu momentu elektromagnetycznego. Rozwiązanie to, przy przepływie prądu stojana, wytwarza moment reluktancyjny, lecz obniża moment od pola magnetycznego magnesów trwałych, nie jest zatem rozwiązaniem optymalnym.A rotor with permanent magnets mounted on the surface of a cylindrical ferromagnetic yoke is also known, in which the entire space between the adjacent magnets, up to the height of the magnet, is filled with a ferromagnetic material with high relative magnetic permeability. These are ferromagnetic wedges or teeth formed together with the yoke, then the permanent magnets are mounted in open slots. In this construction, the electromagnetic moment has two components. One component is generated by the interaction of the stator's electromagnetic field with the magnetic field of permanent magnets, the other component is the reluctance component, which is the reaction of the stator's electromagnetic field with ferromagnetic teeth or wedges located in the space between neighboring permanent magnets. However, in this solution, part of the magnetic flux of the permanent magnets is closed by the ferromagnetic teeth or wedges and does not pass through the air gap to the stator and therefore does not contribute to generating the electromagnetic moment. This solution, with the flow of the stator current, generates the reluctance torque, but reduces the torque from the magnetic field of the permanent magnets, therefore it is not an optimal solution.

Znane jest z patentu nr US 2002/02 135 253 A1 rozwiązanie silnika z magnesami trwałymi, w którym między sąsiednimi magnesami trwałymi są umieszczone zęby ferromagnetyczne. Zęby i jarzmo tworzą jeden monolit. Magnesy trwałe są umieszczone na powierzchni, we wyfrezowanych w jarzmie korytach o głębokości równej grubości magnesów trwałych, przy czym łuk magnesów trwałych jest mniejszy od łyku koryta. Średnice zewnętrzne magnesów trwałych i zębów pokrywają się, lecz między magnesami trwałymi a zębami są odstępy powietrzne. Silnik z takim wirnikiem ma zwiększony moment elektromagnetyczny, lecz ma także cechy negatywne. Wykonanie wirnika jest stosunkowo drogie, gdyż jarzmo, przed obróbką, ma średnicę zębów i wymaga wyfrezowania koryt pod magnesy trwałe. Powierzchnia wirnika z odstępami powietrznymi, między magnesami trwałymi i zębami, podwyższa głośność pracy silnika.It is known from the patent US 2002/02 135 253 A1 a solution of a permanent magnet motor in which ferromagnetic teeth are placed between adjacent permanent magnets. The teeth and the yoke form one monolith. The permanent magnets are placed on the surface, in troughs milled in the yoke, with a depth equal to the thickness of the permanent magnets, the arc of the permanent magnets being smaller than the mouth of the trough. The outer diameters of the permanent magnets and the teeth are the same, but there is air gap between the permanent magnets and the teeth. A motor with such a rotor has an increased electromagnetic torque, but also has negative characteristics. The rotor is relatively expensive to manufacture, because the yoke, before machining, has a tooth diameter and requires milling of the troughs for permanent magnets. The rotor surface with air spaces between the permanent magnets and the teeth increases the noise level of the motor.

Przedmiotem wynalazku jest silnik z magnesami trwałymi o zwiększonym momencie elektromagnetycznym. Magnesy trwałe są przymocowane na powierzchni ferromagnetycznego jarzma cylindrycznego, na którym między sąsiadującymi magnesami trwałymi są umieszczone, z odstępami, ferromagnetyczne zęby o wysokości równej wysokości magnesów trwałych. Zęby są wykonane z materiału o przenikalności magnetycznej względnej μ_- > 100 i są mocowane do jarzma śrubami lub na jaskółczy ogon. Odstępy między magnesami trwałymi i zębami są wypełnione klinami, o przenikalności magnetycznej względnej μ- < 10, przykręconymi do jarzma śrubami lub na jaskółczy ogon.The subject of the invention is a permanent magnet motor with increased electromagnetic moment. Permanent magnets are attached to the surface of a ferromagnetic cylindrical yoke on which between adjacent permanent magnets are spaced, spaced ferromagnetic teeth equal to the height of the permanent magnets. The teeth are made of a material with a relative magnetic permeability of μ _- > 100 and are attached to the yoke with screws or a dovetail. The gaps between the permanent magnets and the teeth are filled with wedges with a relative magnetic permeability of μ- <10, bolted to the yoke or with a dovetail.

Zwiększenie momentu elektromagnetycznego w silniku uzyskuje się poprzez optymalne wykorzystanie przestrzeni między magnesami trwałymi. Optymalizacja polega na uzyskaniu możliwie dużej różnicy w reluktancji obwodu magnetycznego w osi między magnesami trwałymi (oś q) w stosunku doThe increase of the electromagnetic moment in the motor is achieved by the optimal use of the space between the permanent magnets. The optimization consists in obtaining the largest possible difference in the reluctance of the magnetic circuit in the axis between the permanent magnets (q axis) in relation to

-eluktancji obwodu magnetycznego w osi magnesów trwałych (oś d), przy jednoczesnej minimalizacji strumienia magnetycznego rozproszenia magnesów trwałych. Uzyskuje się to poprzez wstawienie, między magnesami trwałymi, zębów ferromagnetycznych μ- > 100, przy czym zęby leżą w środku-electance of the magnetic circuit in the axis of the permanent magnets (d axis), while minimizing the magnetic flux of the scattering of the permanent magnets. This is achieved by inserting, between the permanent magnets, ferromagnetic teeth μ-> 100, with the teeth lying in the middle

PL 226 450 B1 między magnesami trwałymi, lecz nie mogą przylegać do magnesów trwałych, mają od nich odstęp wypełniony klinem o przenikalności magnetycznej względnej p_r < 10. Maksymalny stosunek wymienionych wyżej reluktancji zależy od szerokości zęba ferromagnetycznego. Optymalna szerokość zębów ferromagnetycznych A_m jest funkcją liczby par biegunów p, podziałki biegunowej τ_ρ, kąta magnesu a_m oraz szczeliny powietrznej δ pomiędzy pakietem blach stojana i magnesami trwałymi:Between the permanent magnets, but not adjacent to the permanent magnets, they have a distance from them filled with a wedge with a relative magnetic permeability p _r <10. The maximum ratio of the above-mentioned reluctances depends on the width of the ferromagnetic tooth. The optimal width of the ferromagnetic teeth A _m is a function of the number of pole pairs p, the pole pitch τ _ρ , the magnet angle a _m and the air gap δ between the stator sheet package and the permanent magnets:

Λ ^am\ ^π '^D ) \ ^{1 1} τ_ρ ) '2 p ² ' ^Ap Λ ^a m \ ^π ' ^D ) \ ^{1 1} τ _ρ )' 2 p ² ' ^Ap

A_p ε (0, 5δ -?2δ) gdzie:A _p ε (0, 5δ -? 2δ) where:

D - średnica powierzchni jarzma, na której są mocowane magnesy trwale,D - diameter of the yoke surface on which the magnets are permanently mounted,

A_m - szerokość ferromagnetycznego zęba na średnicy D,A _m - the width of the ferromagnetic tooth on the diameter D,

Ap - szerokość odstępu niemagnetycznego na średnicy D,Ap - width of the non-magnetic spacing on the diameter D,

Am - kąt magnesu trwałego, τ_ρ - kąt podziałki biegunowej, δ - wielkość szczeliny powietrznej pomiędzy stojanem a magnesami trwałymi.Am - the angle of the permanent magnet, τ _ρ - the angle of the pole pitch, δ - the size of the air gap between the stator and the permanent magnets.

Przedmiot wynalazku jest zilustrowany na rysunkach, na których przedstawiono: fig. 1 - podziałkę biegunową silnika z wirnikiem wewnętrznym, fig. 2 - podziałkę biegunową silnika z wirnikiem zewnętrznym, fig. 3 - biegun silnika z magnesami mocowanymi na powierzchni zewnętrznej jarzma, fig. 4 - biegun silnika z magnesami mocowanymi na powierzchni wewnętrznej jarzma, fig. 5 - ząb ferromagnetyczny przykręcony śrubami do jarzma, fig. 6 - ząb ferromagnetyczny i klin nie magnetyczny połączony z jarzmem na jaskółcze ogony i fig. 7 - ząb ferromagnetyczny i klin nie magnetyczny przykręcone do jarzma śrubami.The subject of the invention is illustrated in the drawings, which show: Fig. 1 - pole division of the internal rotor motor, Fig. 2 - pole division of the external rotor motor, Fig. 3 - pole of the motor with magnets mounted on the outer surface of the yoke, Fig. 4 - motor pole with magnets mounted on the inner surface of the yoke, fig. 5 - ferromagnetic tooth screwed to the yoke, fig. 6 - ferromagnetic tooth and non-magnetic wedge connected to the dovetail yoke and fig. 7 - ferromagnetic tooth and non-magnetic wedge screwed on to the yoke with screws.

Silnik z magnesami trwałymi 3 montowanymi na powierzchni wirnika, o zwiększonym momencie elektromagnetycznym, ma magnesy trwałe 3 o kącie a_m mniejszym od kąta podziałki biegunowej τ_ρ. Magnesy trwałe 3 są zamocowane na ferromagnetycznym, cylindrycznym jarzmie 1, a między sąsiadującymi magnesami trwałymi 3 są umieszczone zęby 6 ferromagnetyczne o wysokości równej wysokości magnesów trwałych 3, przy czym pomiędzy magnesami trwałymi 3 a ferromagnetycznymi zębami 6 są odstępy 5.1 powietrzne, w których kliny 5.2 nie magnetyczne o przenikalności magnetycznej względnej p_r < 10, przykręcone do jarzma 1 śrubami lub na jaskółczy ogon. Zęby 6 są wykonane z materiału o przenikalności magnetycznej względnej p_r > 100 i są mocowane do jarzma 1 śrubami lub na jaskółczy ogon. Optymalna szerokość zęba 6 ferromagnetycznego Am jest funkcją liczby par biegunów p, kąta podziałki biegunowej τ_ρ, kąta magnesu a_m oraz szczeliny δ powietrznej 4 pomiędzy stojanem i wirnikiem. Magnesy trwałe 3 są mocowane do powierzchni jarzma wirnika 1 przy pomocy kleju.The motor with permanent magnets 3 mounted on the rotor surface, with increased electromagnetic moment, has permanent magnets 3 with an angle a _m smaller than the pole pitch angle τ _ρ . Permanent magnets 3 are mounted on a ferromagnetic, cylindrical yoke 1, and between the adjacent permanent magnets 3 there are ferromagnetic teeth 6, with a height equal to the height of the permanent magnets 3, with 5.1 air gaps between the permanent magnets 3 and the ferromagnetic teeth 6, with the wedges 5.2 non-magnetic with relative magnetic permeability p _r <10, screwed to the yoke with 1 bolts or dovetail The teeth 6 are made of a material with a relative magnetic permeability of p _r > 100 and are attached to the yoke by 1 bolts or by a dovetail. The optimal ferromagnetic tooth 6 width Am is a function of the number of pole pairs p, the pitch angle τ _ρ , the magnet angle a _m and the air gap δ between the stator and the rotor. The permanent magnets 3 are attached to the surface of the rotor yoke 1 by means of an adhesive.

Korzystnie jest, jeśli magnesy trwałe 3 mają końcówki skośne, jak na rysunkach fig. 6 i fig. 7, a kliny 5.2 przylegają do nich. Kliny 5.2 mogą być wykonane ze stali nie magnetycznej, mosiądzu lub włókna szklanego. Kliny 5.2 zabezpieczają dodatkowo magnesy trwałe 3 przed zerwaniem w przypadku pracy silnika ze zwiększoną prędkością obrotową.Preferably, the permanent magnets 3 have bevelled ends, as shown in Figs. 6 and 7, and the wedges 5.2 are adjacent to them. The wedges 5.2 may be made of non-magnetic steel, brass or fiberglass. The wedges 5.2 additionally protect the permanent magnets 3 against breaking when the motor is running at an increased speed.

Silnik, według przedstawionego rozwiązania wirnika charakteryzuje się większym momentem elektromagnetycznym. Uzyskuje się to poprzez wypełnieniu przestrzeni, między sąsiadującymi magnesami trwałymi 3, zębami 6 ferromagnetycznym i klinami 5.2 nie magnetycznymi. Rozwiązanie to umożliwia uzyskanie wyższych wartości momentu elektromagnetycznego silnika, przy tych samych wartościach prądu fazowego w stosunku do rozwiązań znanych, co jest ważne w napędach o dużych wahaniach momentu obciążenia.The motor, according to the presented rotor solution, is characterized by a higher electromagnetic moment. This is achieved by filling the space between adjacent permanent magnets 3, ferromagnetic teeth 6 and non-magnetic wedges 5.2. This solution allows to obtain higher values of the electromagnetic moment of the motor, with the same phase current values as compared to known solutions, which is important in drives with large fluctuations in the load torque.

Claims

1. Motor with permanent magnets with increased electromagnetic moment and permanent magnets mounted on the surface of a ferromagnetic cylindrical yoke, with spaced-apart ferromagnetic teeth between the adjacent permanent magnets with a height equal to the height of the permanent magnets, characterized in that the teeth (6) are made of material with relative magnetic permeability p _r > 100 and are mo4

The gaps (5.1) between the permanent magnets (3) and the ferromagnetic teeth (6) are filled with the wedges (5.2), with a relative magnetic permeability p _r <10, screwed to the yoke (1) to the yoke (1) with bolts or dovetail.