RO128581B1

RO128581B1 - Motor with commuted reluctance with internal self-ventilation of rotor

Info

Publication number: RO128581B1
Application number: ROA201200884A
Authority: RO
Inventors: Mircea Ruba; Daniel Fodorean
Original assignee: Universitatea Tehnică Din Cluj-Napoca
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2014-12-30
Also published as: RO128581A0

Abstract

The invention relates to a commuted reluctance motor, with internal rotor self-ventilation. According to the invention, the motor consists of a stator () made of electrotechnical steel sheets forming eight stator poles and an electric circuit () consisting of four phases, each phase comprising two coils wound around the salient poles located diametrically opposed, and a rotor () located inside the stator (), also made of electrotechnical steel sheets, between every two consecutive salient poles of the rotor () there being located some elements () made of non-magnetic material, uniting the margins of the poles at the two extreme ends of the rotor (), said elements () being arranged slantwise, being twisted in such a manner as to ensure a perfect alignment with the margins of the rotor poles, at the extremities of rotor (), said elements () acting as an internal fan which, together with the rotor () movement ventilates the stator windings, forcing the warm air around the windings to get out, being replaced with cold air from outside.

Description

Invenția se referă la un motor cu reluctanță comutată cu autoventilație la rotor, care funcționează pe principiul reluctanței comutate, folositîn medii cu temperatură foarte ridicată.The invention relates to a motor with reluctance switched with self-ventilation to the rotor, which operates on the principle of switched reluctance, used in very high temperature environments.

în general la motoarele electrice răcirea se face din exterior fie cu agent lichid, fie cu aer. Dacă se utilizează răcire prin ventilație, atunci se fixează în exteriorul mașinii, pe axul ei, un ventilator auxiliar, asigurând în timpul funcționării un jet de aer care trece peste carcasa exterioară a mașinii, și asigură diminuarea temperaturii acesteia (această ventilație nu este internă). în acest fel, răcirea mașinilor electrice se face mereu la nivelul statorului.In general, electric motors are cooled from the outside either with liquid or air. If ventilation cooling is used, then an auxiliary fan is attached to the outside of the machine, on its axis, ensuring during the operation an air jet that passes over the outer casing of the machine, and ensures its temperature reduction (this ventilation is not internal). . In this way, the cooling of the electric cars is always done at the stator level.

Pentru medii cu temperatură foarte ridicată, mașina cu reluctanță comutată (Switched Reluctance Machine, în engleză, de unde și acronimul uzual SRM) este folosită aproape exclusiv; în plus, datorită alimentării înfășurărilor statorice, se degajă căldură în circuitul magnetic al mașinii, denaturând proprietățile magnetice ale materialului din care acesta este conceput.For very high-temperature environments, the Switched Reluctance Machine (SRM) is used almost exclusively; In addition, due to the supply of stator windings, heat is released in the magnetic circuit of the machine, distorting the magnetic properties of the material from which it is designed.

Se cunoaște că, în baza principiului de funcționare a SRM, polii proeminenți (aparenți) rotorici sunt separați de un spațiu de aer. La temperaturi ridicate, oțelul tinde să își piardă proprietățile magnetice (de rezervor de energie magnetică), existând pericolul saturației (oțelul se comportă zonal sau global ca și aerul). Prin creșterea necontrolată a temperaturii, miezul magnetic devine inutilizabil în procesul de producere a lucrului mecanic, mașina diminuându-și performanțele energetice (randamentul și factorul de putere sunt reduse). Pentru evitarea acestor neajunsuri se impune ventilația internă a mașinii.It is known that, based on the principle of operation of the SRM, the protruding (apparent) rotor poles are separated by an air space. At high temperatures, the steel tends to lose its magnetic properties (of magnetic energy reservoir), with the danger of saturation (the steel behaves zonal or global as the air). By uncontrollably increasing the temperature, the magnetic core becomes unusable in the process of producing mechanical work, reducing the machine's energy performance (efficiency and power factor are reduced). In order to avoid these shortcomings, the internal ventilation of the machine is required.

în acest scop este cunoscută soluția din cererea de brevet CN 101442242 A, din 27 mai 1999, conform căreia, pentru asigurarea ventilației interne, atât crestăturile rotorului, cât și cele ale statorului sunt oblice, de forma unui ventilator. Această construcție asigură o circulație optimă a aerului, dar, din cauza formei crestăturilor, performanțele motorului scad.For this purpose, the solution is known from the patent application CN 101442242 A, dated May 27, 1999, according to which, for the internal ventilation, both the rotor and stator notches are oblique, in the form of a fan. This construction ensures optimum air circulation, but due to the shape of the notches, the engine performance decreases.

Problema tehnică pe care o rezolvă prezenta invenție se referă la realizarea răcirii directe cu jet de aer a înfășurărilor statorice, respectiv, a miezurilor statoric și rotoric ale motorului.The technical problem solved by the present invention relates to the direct cooling of stator windings, respectively, of the stator and rotor cores of the motor.

Motorul cu reluctanță comutată cu autoventilație la rotor, conform invenției, are rotorul alcătuit din tole din oțel electrotehnic, iar în crestăturile formate între polii lui aparenți sunt prevăzute niște lamele nemagnetice care unesc marginile extreme ale polilor consecutivi, pe cale oblică, pentru a forma un sistem ventilator care să forțeze aerul cald să fie evacuat din motor, fiind înlocuit de altul rece, introdus din exteriorul mașinii.The motor with reluctance switched by self-ventilation to the rotor, according to the invention, has the rotor made of electrotechnical steel sheets, and in the notches formed between its apparent poles there are provided non-magnetic blades that unite the extreme edges of the consecutive poles, in an oblique way, to form a fan system that forces the hot air to be discharged from the engine, being replaced by another cold one, introduced from outside the car.

Motorul cu reluctanță comutată, cu autoventilație la rotor, conform invenției, implică următoarele avantaje:The motor with reluctance switched, with self-ventilation to the rotor, according to the invention, implies the following advantages:

- se elimină necesitatea utilizării unui agent de răcire exterior, respectiv, a unui echipament auxiliar care să forțeze răcirea mașinii;- the need to use an external cooling agent or auxiliary equipment to force the cooling of the machine is eliminated;

- se mențin proprietățile magnetice ale miezului mașinii, respectiv, se asigură longevitatea înfășurărilor a căror îmbătrânire este cauzată, de cele mai multe ori, de încălziri succesive;- the magnetic properties of the core of the machine are maintained, respectively, the longevity of the coils whose aging is caused, most often, by successive heating is ensured;

- reducerea consumului de energie, prin îmbunătățirea factorului de putere;- reducing the energy consumption, by improving the power factor;

- randamentul mașinii este mai ridicat;- the efficiency of the machine is higher;

- fiabilitate ridicată;- high reliability;

- lipsa necesității unui control auxiliar pentru sistemul de răcire al mașinii;- lack of the need for an auxiliary control for the cooling system of the machine;

- posibilitate de extrapolare la orice structură de mașină ce are poli aparenți pe rotor;- possibility of extrapolation to any car structure that has poles appearing on the rotor;

- lipsa influenței în mod negativ asupra performanțelor mașinii sau asupra inerției rotorului acesteia.- the lack of negative influence on the performance of the machine or on the inertia of its rotor.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, pe baza figurilor anexate, ce reprezintă:Following is an example of embodiment of the invention, based on the appended figures, which represents:

- fig. 1 - vederea în spațiu a motorului, cu rotorul extras spre exterior, pentru vedere simplificată;FIG. 1 - the space view of the engine, with the rotor drawn outwards, for simplified view;

RO 128581 Β1RO 128581 Β1

- fig. 2 - secțiunea axială a motorului; 1FIG. 2 - axial section of the engine; 1

- fig. 3 - vederea verticală a rotorului motorului.FIG. 3 - vertical view of the motor rotor.

Se prezintă în continuare un motor electric rotativ tetrafazat, cu reluctanță variabilă, 3 cu rotor, care asigură o răcire internă a înfășurărilor și miezului magnetic al mașinii.The following is a tetra-phase rotary electric motor, with variable reluctance, 3 with rotor, which provides an internal cooling of the windings and magnetic core of the machine.

Motorul electric cu reluctanță comutată și răcire prin ventilație internă, conform 5 invenției, are statorul 1 obișnuit, cu patru faze și opt poli 2, rotorul 3 pasiv având șase poli aparenți, iar între marginile a doi poli 2 consecutivi, de pe rotor, se introduc, din material 7 nemagnetic, pe direcție oblică, niște lamele 4 nemagnetice care, împreună cu rotorul 3 propriu-zis, vor forma un ventilator intern în motor. Acest ventilator intern are rolul de a forța 9 aerul preluat din exterior, dintr-o parte a mașinii, să treacă prin interiorul acesteia, ieșind în partea opusă. în acest fel, aerul trecut prin motor va realiza o răcire fermă și consistentă atât 11 a înfășurărilor, cât și a circuitului magnetic statoric și rotoric, supus încălzirii.The electric motor with switched reluctance and cooling by internal ventilation, according to 5 of the invention, has the usual stator 1, with four phases and eight poles 2, the passive rotor 3 having six apparent poles, and between the edges of two consecutive poles 2, on the rotor, I introduce, from non-magnetic material 7, in an oblique direction, some non-magnetic blades 4 which, together with the rotor 3 itself, will form an internal fan in the motor. This internal fan has the role of forcing the air 9 taken from the outside, from one side of the car, to pass through the inside of it, exiting the opposite side. In this way, the air passed through the engine will achieve a firm and consistent cooling of both the windings, as well as the stator and rotor magnetic circuit, subject to heating.

Circuitul magnetic al rotorului 3 se construiește din tole de oțel electrotehnic, ștanțate, 13 formând pachetul de tole rotoric. Lamele 4 nemagnetice se montează prin lipire, între polii consecutivi ai rotorului 3, unind marginile polilor la capetele extreme ale rotorului 3. Astfel, 15 pe principiul ventilatorului, aerul de o parte a lamelor 4 nemagnetice este forțat să intre în motor, iar de cealaltă parte a lamelelor 4 nemagnetice este forțat sa iasă din mașină. Astfel, 17 aerul cald din jurul înfășurărilor este înlocuit cu aer rece, cel cald fiind evacuat din mașină.The magnetic circuit of the rotor 3 is constructed of electrotechnical steel sheets, stamped, 13 forming the package of rotor sheets. The non-magnetic blades 4 are mounted by welding, between the consecutive poles of the rotor 3, joining the edges of the poles to the extreme ends of the rotor 3. Thus, 15 on the principle of the fan, the air on one side of the non-magnetic blades 4 is forced to enter the engine, and from the other. part of the 4 non-magnetic blades is forced out of the car. Thus, the 17 hot air around the windings is replaced with cold air, the hot air being evacuated from the car.

Materialul din care se realizează lamelele este un material plastic, ușor, ieftin și 19 rezistent la încercări de natura termică, ce nu influențează operarea mașinii și nu modifică valoarea inerției rotorului. 21The material from which the blades are made is a plastic material, easy, cheap and resistant to thermal tests, which does not influence the operation of the machine and does not change the value of the rotor inertia. 21

Motorul funcționează pe baza principiului reluctanței magnetice minime, adică rotorul 3 se așază în acea poziție în care polii săi sunt aliniați cu polii statorici ai modulului cu bobina 23 alimentată. Excitând secvențial cu pulsuri de curenți bobinele motorului, se poate asigura o deplasare continuă a rotorului 3 în direcția dorită. 25The motor operates on the principle of minimum magnetic reluctance, ie the rotor 3 is located in that position where its poles are aligned with the stator poles of the module with the coil 23 fed. By sequentially pulsing the motor coils, a continuous movement of the rotor 3 in the desired direction can be ensured. 25

Astfel, fiind o mașină a cărei alimentare se bazează pe pulsuri de tensiune, datorită comutației electronice pierderile cresc, iar acestea sunt manifestate sub formă de creștere 27 a temperaturii înfășurărilor. Ca atare, o răcire locală și fermă a înfășurărilor și miezurilor magnetice este foarte importantă, evitând astfel încălzirea lor și, evident, se va evita 29 alterarea caracteristicilor operaționale ale mașinii.Thus, being a machine whose power supply is based on voltage pulses, due to the electronic switching the losses increase, and these are manifested as an increase of the winding temperature 27. As such, a local and firm cooling of the magnetic windings and cores is very important, thus avoiding their heating and, obviously, the alteration of the operational characteristics of the machine will be avoided.

Conform figurilor, motorul cu reluctanță comutată este compus dintr-un stator 1, 31 construit din tole din oțel electrotehnic, formând opt poli statorici, și un circuit electric 2, format din patru faze, fiecare fază fiind compusă din două bobine înfășurate în jurul polilor 33 aparenți, plasați diametral opus. în interiorul statorului 1 este plasat rotorul 3, construit și el din tole de oțel electrotehnic. între fiecare doi poli aparenți consecutivi ai rotorului 3 sunt 35 plasate lamelele 4 din material nemagnetic, unind marginile polilor din cele două capete extreme ale rotorului 3. Aceste elemente sunt plasate pe direcție oblică, fiind răsucite în așa 37 fel, încât să asigure alinierea perfectă cu marginile polilor rotorici la extremitățile rotorului 3. Fixarea acestor elemente se realizează prin lipire cu adeziv special atât pe cele două margini 39 extreme, cât și de-a lungul crestăturii rotorice, formate între cei doi poli consecutivi.According to the figures, the switched reluctance motor is composed of a stator 1, 31 constructed of electrotechnical steel sheets, forming eight stator poles, and an electrical circuit 2, consisting of four phases, each phase being composed of two coils wrapped around the poles. 33 appearances, placed diametrically opposite. Inside the stator 1 is placed the rotor 3, also constructed of electrotechnical steel sheets. Between each two consecutive poles appearing of the rotor 3 are placed the blades 4 of non-magnetic material, joining the edges of the poles from the two extreme ends of the rotor 3. These elements are placed in an oblique direction, being twisted in such a way as to ensure perfect alignment. with the edges of the rotor poles at the ends of the rotor 3. The fixing of these elements is made by bonding with special adhesive both on the two extremity edges 39 and along the rotor notch formed between the two consecutive poles.

Construcția specială a rotorului 3 permite forțarea fluxului de aer în așa fel încât 41 bobinele motorului să fie ventilate odată cu rotația rotorului 3, înlăturând aerul cald și înlocuindu-l cu altul rece, introdus în mașină din exteriorul ei. Structura este simplă, și 43 adăugarea elementelor de răcire este o soluție ieftină, simplă de implementat și care nu denaturează în niciun fel performanțele mașinii. Totodată, metoda poate fi extrapolată la 45 orice mașină cu poli aparenți pe rotor, indiferent de numărul sau dimensiunile acestora.The special construction of the rotor 3 allows the airflow to be forced in such a way that the 41 coils of the motor are ventilated with the rotation of the rotor 3, removing the hot air and replacing it with another cold one, inserted in the machine from its outside. The structure is simple, and 43 adding cooling elements is a cheap solution, simple to implement and that does not distort the performance of the machine in any way. At the same time, the method can be extrapolated to any machine with poles appearing on the rotor, regardless of their number or size.

RO 128581 Β1RO 128581 Β1

Motorul propus este de fapt unul cu reluctanță comutată (SRM - Switched ReluctanceThe proposed motor is actually one with switched reluctance (SRM)

Motor), având toate caracteristicile acestui tip de mașină electrică (construcție foarte simplă, 3 poli aparenți atât pe stator, cât și pe rotor, bobine concentrate, rotor pasiv etc.), și funcționează pe principiul reluctanței minime, rotind rotorul astfel încât câmpul statoric să se închidă 5 pe calea de reluctanță minimă, adică poziția în care polii statorici și rotorici sunt aliniați.Motor), having all the characteristics of this type of electric car (very simple construction, 3 poles appearing on both stator and rotor, concentrated coils, passive rotor, etc.), and works on the principle of minimum reluctance, rotating the rotor so that the stator field to close 5 on the path of minimum reluctance, ie the position in which the stator and rotor poles are aligned.

în concluzie, soluția tehnică oferită structurilor existente de motoare cu reluctanță 7 comutată reprezintă un sistem de răcire ferm, fiabil, sigur, simplu și ieftin, fără ca acesta să denatureze performanțele operaționale ale mașinii electrice; dimpotrivă, odată cu o răcire 9 fermă, scad pierderile, crescând randamentul mașinii.In conclusion, the technical solution offered to the existing structures of reluctantly switched motors 7 represents a firm, reliable, safe, simple and cheap cooling system, without this distorting the operational performance of the electric machine; on the contrary, with a firm 9 cooling, the losses decrease, increasing the efficiency of the machine.

Claims

Claim 1

Motor with reluctance switched, with self-ventilation to the rotor, which has the stator (1) with four 3 phases and eight poles (2), the rotor (3) passive having six apparent poles, characterized in that between the edges of two consecutive poles (2) from the rotor (3), by welding, in the oblique direction 5, some non-magnetic blades (4), which, together with the rotor (3) itself, will form an internal fan in the engine, with the role of forcing air taken from the outside, from one side of the motor 7, to pass through its interior, exiting the opposite side, thus achieving the firm and consistent cooling of both the windings and the stator and rotor magnetic circuit, subjected to heating.