RU2700656C1

RU2700656C1 - Electric motor with phase-free magnetic core from amorphous iron

Info

Publication number: RU2700656C1
Application number: RU2018130904A
Authority: RU
Inventors: Флюр Рашитович Исмагилов; Вячеслав Евгеньевич Вавилов; Владимир Игоревич Бекузин; Камиль Амирович Хисматуллин
Original assignee: Ооо "Этк"
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2019-09-18

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in electromechanical power converters of autonomous objects. Phase-free magnetic core is made in the form of a hollow cylinder, inside which there is a winding containing coils in the form of a rhombus with a long pitch. Hollow cylinder of the phase-free magnetic core of the stator consists of twisted sectors of amorphous iron, electrically isolated from each other, assembled in an axial direction, and the winding contains coils in the form of rhombus with the shortened pitch.

EFFECT: technical result is higher efficiency, energy efficiency and minimization of heat emissions.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in electromechanical energy converters of autonomous objects.

Известен сердечник из аморфного железа [патент US №5903082 А, H02K 1/12, H02K 21/12, H02K 37/12, Н02Р 9/18, H02K 21/24, H02K 1/14, H02K 1/02, H02K 1/04, H02K 29/10, H02K 1/18, 11.05.1999], содержащий отдельно сформированные аморфное ярмо и аморфные полюса, которые совместно установлены в корпусе из диэлектрика, образовывая при этом сердечник статора электромеханического преобразователя энергии.Known amorphous iron core [US patent No. 5903082 A, H02K 1/12, H02K 21/12, H02K 37/12, H02P 9/18, H02K 21/24, H02K 1/14, H02K 1/02, H02K 1 / 04, H02K 29/10, H02K 1/18, 05/11/1999], containing separately formed amorphous yoke and amorphous poles, which are jointly mounted in a dielectric housing, forming the stator core of an electromechanical energy converter.

Недостатками данного магнитопровода статора из аморфного железа являются сложность его изготовления и низкие магнитные свойства, обусловленные значительными нарушениями геометрии магнитопровода статора из аморфного железа при сборки отдельных полюсов и ярма, а также низкий теплоотвод потерь энергии от магнитопровода статора из аморфного железа.The disadvantages of this amorphous iron stator magnetic circuit are the complexity of its manufacture and low magnetic properties due to significant violations of the geometry of the stator magnetic circuit of amorphous iron during the assembly of individual poles and yoke, as well as the low heat loss of energy losses from the stator magnetic circuit of amorphous iron.

Известна торцевая электрическая машина (патент РФ №2246168, МПК H02K 21/24, опубл. 10.02.2005 г.), включающая статор с обмоткой, закрепленный в корпусе, обращенный рабочими поверхностями к двум дискообразным роторам, расположенным с двух сторон от статора, установленным в подшипниках качения, статор выполнен из двух половин, в каждой из которых залит компаундом автономный зубцовый слой, распределенная обмотка в виде обмоточных модулей и ярмо, навитое из стальной ленты, установленных по разные стороны этого диска, причем с обеих сторон диска выполнены центрирующие пояски, на которых сцентрированы пластины обмоточных модулей, а на дисках двух роторов со стороны рабочих поверхностей статора выполнены по два центрирующих пояска, между которыми смонтированы постоянные магниты, полюсные наконечники которых имеют форму пластины с уменьшающимся к краям сечением.A known end-face electric machine (RF patent No. 2246168, IPC H02K 21/24, publ. 02/10/2005), including a stator with a winding, is fixed in the housing, facing the working surfaces to two disk-shaped rotors located on both sides of the stator, installed in rolling bearings, the stator is made of two halves, each of which is filled with a compound of an independent tooth layer, a distributed winding in the form of winding modules and a yoke wound from a steel tape mounted on opposite sides of this disk, moreover, on both sides of the disk ntriruyuschie belts, which are aligned on the plate winding modules and two disk rotors from the working surfaces of the stator formed by two centering belt, between which are mounted permanent magnets, pole pieces which have a plate shape with a decreasing cross section towards the edges.

Недостатком - торцевой электрической машины является технологическая сложность в изготовлении, ограниченные функциональные возможности, высокие потери на перемагничивание и вихревые токи.The disadvantage is that the end-face electric machine has technological difficulty in manufacturing, limited functionality, high magnetization reversal losses and eddy currents.

Известна торцевая электрическая машина (патент РФ №2313888, МПК H02K 21/24, H02K 21/12, H02K 16/02, опубл. 27.12.2007 г.), содержащая статор, включающий диск, закрепленный в корпусе, и обмоточные модули, обращенные рабочими поверхностями к соответствующим дискообразным роторам с короткозамкнутыми обмотками, расположенным с двух сторон от статора и установленным в подшипниках качения, в диске статора выполнены прорези под обмоточные модули, края которых (отгибы) у двух соседних прорезей направлены в одну сторону диска, а у двух следующих прорезей - в противоположную, в которых обмоточные модули размещены таким образом, что между двумя пакетами пластин одного обмоточного модуля расположены по одному пакету пластин двух соседних обмоточных модулей с противоположной стороны диска, кроме того, на диске статора в промежутках между прорезями под обмоточные модули в радиальном направлении выполнены щелевидные прорези.Known end electric machine (RF patent No. 2313888, IPC H02K 21/24, H02K 21/12, H02K 16/02, publ. 12/27/2007) containing a stator including a disk mounted in the housing, and winding modules facing working surfaces to the corresponding disk-shaped rotors with squirrel-cage windings, located on both sides of the stator and installed in the rolling bearings, in the stator disk, slots are made for the winding modules, the edges of which (bends) in two adjacent slots are directed to one side of the disk, and for the next two slots - in the opposite wy, in which the winding modules are arranged in such a way that between the two packs of plates of one winding module are located one pack of plates of two adjacent winding modules on the opposite side of the disk, in addition, on the stator disk in the spaces between the slots under the winding modules in the radial direction are slotted cut through.

Недостатком торцевой электрической машины является технологическая сложность в изготовлении, ограниченные функциональные возможности, высокие потери на перемагничивание и вихревые токи.The disadvantage of the end electric machine is the technological complexity in manufacturing, limited functionality, high magnetization reversal losses and eddy currents.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является беспазовый магнитопровод статора [эл. каталог Maxon motor, Highprecision drives and systems, p. 231, 237, http://maxon.blaetterkatalog.ch/b9990/catalog/index.html?data=b9990/b999045&lang=e#237], содержащий статор, выполненный в виде полого цилиндра, шихтованного в аксиальном направлении из листов электротехнической стали, внутри статора расположена обмотка, катушки которой выполнены в виде ромба.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is a baseless stator magnetic circuit [e. catalog Maxon motor, Highprecision drives and systems, p. 231, 237, http://maxon.blaetterkatalog.ch/b9990/catalog/index.html?data=b9990/b999045&lang=e#237] containing a stator made in the form of a hollow cylinder, axially lined from sheets of electrical steel , inside the stator there is a winding whose coils are made in the form of a rhombus.

Недостатками ближайшего аналога являются его невысокая эффективность и низкие удельные показатели беспазового магнитопровода в составе электродвигателя. К недостаткам аналога можно также отнести отходы при штамповке листов беспазового магнитопровода.The disadvantages of the closest analogue are its low efficiency and low specific indicators of a baseless magnetic circuit in the electric motor. The disadvantages of the analogue can also include waste when stamping sheets of a baseless magnetic circuit.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности электродвигателя с беспазовым манитопроводом статора из аморфного железа благодаря повышению выходной мощности при неизменных массогабаритных показателях, за счет повышения эффективности удельных энергетических показателей.The objective of the invention is to expand the functionality and increase the reliability of an electric motor with a baseless stator manitowire made of amorphous iron by increasing the output power at constant mass and size indicators, by increasing the efficiency of specific energy indicators.

Техническим результатом является повышение КПД, энергоэффективности и минимизация тепловыделений магнитопровода статора из аморфного железа в составе беспазового электродвигателя.The technical result is to increase efficiency, energy efficiency and minimize heat dissipation of the stator magnetic circuit from amorphous iron as part of a baseless electric motor.

Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в электродвигателе с беспазовым магнитопроводом статора, выполненного в виде полого цилиндра, внутри которого расположена обмотка, содержащая катушки в виде ромба с длинным шагом, магнитоэлектрический ротор, согласно изобретению, полый цилиндр беспазового магнитопровода статора состоит из витых секторов аморфного железа, электрически изолированных друг от друга, собранных в аксиальном направлении и обмотку, содержащую катушки в виде ромба с укороченным шагом.The problem is solved and the specified result is achieved by the fact that in the electric motor with a stator-free magnetic core made in the form of a hollow cylinder, inside of which there is a winding containing coils in the form of a rhombus with a long pitch, the magnetoelectric rotor, according to the invention, the hollow cylinder of the stator's base-free magnetic circuit consists of twisted sectors of amorphous iron, electrically isolated from each other, assembled in the axial direction and a winding containing coils in the form of a rhombus with a shortened pitch.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен продольный разрез электродвигателе с беспазовым магнитопроводом статора из аморфного железа, на фиг. 2 приведена схема беспазовой обмотки прототипа, содержащая катушки в виде ромба с длинным шагом, на фиг. 3 приведена схема беспазовой обмотки, содержащая катушки в виде ромба с укороченным шагом, на фиг. 4 для наглядности показана 3D модель катушки беспазовой обмотки прототипа с магнитоэлектрическим ротором, на фиг. 5 показана 3D модель катушки беспазовой обмотки с укороченным шагом с магнитоэлектрическим ротором.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a longitudinal section through an electric motor with a baseless stator magnetic circuit made of amorphous iron, FIG. 2 shows a diagram of a protobaseless winding of the prototype, containing coils in the form of a rhombus with a long pitch, in FIG. 3 is a diagram of a baseless winding containing rhombus coils with a shortened pitch; FIG. 4, for illustrative purposes, a 3D model of a coil of a baseless winding of a prototype with a magnetoelectric rotor is shown; FIG. 5 shows a 3D model of a short-pitch winding coil with a shortened pitch with a magnetoelectric rotor.

Предложенное устройство содержит (фиг. 1) полый цилиндр 1, собранный в аксиальном направлении из витых секторов 2, имеющих форму колец, материал навивки - лента аморфного железа. Витые сектора 2 электрически изолированы друг от друга. На внутренней части полого цилиндра 1 установлена беспазовая обмотка 3, (содержащая катушки в виде ромба) с укороченным шагом с выводами 4. Внутри полого цилиндра 1 установлен магнитоэлектрический ротор 5.The proposed device contains (Fig. 1) a hollow cylinder 1 assembled in the axial direction from twisted sectors 2 having the shape of rings, the material of winding is a tape of amorphous iron. Twisted sectors 2 are electrically isolated from each other. On the inner part of the hollow cylinder 1, a baseless winding 3 is installed (containing coils in the form of a rhombus) with a shortened pitch with leads 4. Inside the hollow cylinder 1, a magnetoelectric rotor 5 is installed.

Предложенное устройство работает следующим образом: при подключении выводных концов 4 беспазовой обмотки 3 к силовым выводам системы управления электродвигателя с беспазовым магнитопроводом статора из аморфного железа по беспазовой обмотке 3 начинает проходить ток, который создает магнитное поле статора. Магнитное поле статора, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения магнитоэлектрического ротора 5, образует электромагнитный момент, в результате чего магнитоэлектрический ротор 5 начинает вращаться. В момент пуска, а также в процессе работы электродвигателя выделяются различного рода потери, которые приводят к снижению КПД, а именно:The proposed device works as follows: when connecting the output ends 4 of the baseless winding 3 to the power terminals of the electric motor control system with the baseless stator magnetic circuit from amorphous iron, the current begins to flow through the baseless winding 3, which creates the stator magnetic field. The magnetic field of the stator, interacting with the magnetic field of the excitation of the magnetoelectric rotor 5, forms an electromagnetic moment, as a result of which the magnetoelectric rotor 5 begins to rotate. At the time of start-up, as well as during the operation of the electric motor, various kinds of losses are distinguished, which lead to a decrease in efficiency, namely:

- тепловые потери в беспазовой обмотке 3, обусловленные током в беспазовой обмотке 3 и их активным сопротивлением;- heat loss in the non-groove winding 3, due to the current in the non-groove winding 3 and their active resistance;

- тепловые потери в полом цилиндре 1, обусловленные величиной магнитного поля возбуждения и магнитного поля статора, массой полого цилиндра 1 и удельными потерями материала навивки витых секторов 2 (ленты аморфного железа);- heat loss in the hollow cylinder 1, due to the magnitude of the magnetic field of the excitation and the magnetic field of the stator, the mass of the hollow cylinder 1 and the specific loss of the material of the winding of the twisted sectors 2 (amorphous iron tape);

- потери энергии на трение магнитоэлектрического ротора 5 с воздухом, обусловленные частотой вращения магнитоэлектрического ротора 5, его геометрическими размерами, температурой воздуха и давлением в зазоре между магнитоэлектрическим ротором 5 и беспазовой обмоткой 3.- energy loss due to friction of the magnetoelectric rotor 5 with air, due to the frequency of rotation of the magnetoelectric rotor 5, its geometric dimensions, air temperature and pressure in the gap between the magnetoelectric rotor 5 and the baseless winding 3.

Мощность, затрачиваемая на нагрев полого цилиндра 1 вихревыми токами, снижает КПД электровигателя с баспазовым магнитопроводом статора. Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, в аналоге (патент РФ №2313888, МПК H02K 21/24, H02K 21/12, H02K 16/02, опубл. 27.12.2007 г.) увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого магнитопровод статора набирают из отдельных тонких листов, изолированных друг от друга с помощью лака или окалины. Однако, путь вихревых токов, индуцируемых в тонких листах, пролегает по всей площади листа. Для минимизации потерь на вихревые токи, т.е. минимизацию путей вихревых токов в магнитопроводе статора - полом цилиндре 1, полый цилиндр 1 выполняют из витых секторов 2, собранных в аксиальном направлении, с ленточным материалом навивки из аморфного железа. Кроме того, материал аморфное железо обладает минимально возможными удельными потерями на перемагничивание и вихревые токи (0,1-1 Вт/кг). В совокупности, тем самым снижают потери, создаваемые полями рассеяния в лобовых частях, и удельные потери в беспазовом магнитопроводе статора. Чтобы исключить замыкание вихревых токов между витыми секторами 2, их выполняют изолированными друг от друга. Для уменьшения потерь и минимизации массогабаритных показателей беспазовая обмотка 3, (содержащая катушки в виде ромба) выполнена с укороченным шагом, т.е. вершины катушек в виде ромба обмотки 3, имеющие тупые внутренние углы, находятся на минимально возможном расстоянии, учитывая условие формирования n-полюсной магнитной системы электродвигателя. Для наглядности на фиг. 2 показаны схема соединений обмотки, содержащая катушки в виде ромба прототипа, имеющая двенадцать катушек, работающая с четырехполюсной магнитной системой ротора, а на фиг. 3 показана схема обмотки содержащая катушки в виде ромба, выполненной с укороченным шагом, имеющая двенадцать катушек, работающая с четырехполюсной магнитной системой ротора. На фиг. 4 и фиг. 5 показаны 3D модели их катушек. В результате электрическое сопротивление фазы становится меньше чем в аналоге (патент РФ №2313888, МПК H02K 21/24, H02K 21/12, H02K 16/02, опубл. 27.12.2007 г.), поэтому и снижаются потери в беспазовой обмотке 3. Для обеспечения механической прочности и минимизации аэродинамических потерь, конструкцию из полого цилиндра 1 и беспазовой обмоткой 3 заливают компаундом, например эпоксидным клеем.The power spent on heating the hollow cylinder 1 by eddy currents reduces the efficiency of the electric motor with a stasis base magnetic circuit. To reduce the power of eddy currents, in the analogue (RF patent No. 2313888, IPC H02K 21/24, H02K 21/12, H02K 16/02, publ. 12/27/2007) increase the electrical resistance of the magnetic circuit, for this the stator magnetic circuit is selected from separate thin sheets isolated from each other using varnish or scale. However, the path of eddy currents induced in thin sheets lies along the entire area of the sheet. To minimize eddy current losses, i.e. minimization of the eddy current paths in the stator magnetic circuit — hollow cylinder 1, hollow cylinder 1 is made of twisted sectors 2 assembled in the axial direction with amorphous iron ribbon material. In addition, the material amorphous iron has the lowest possible specific losses for magnetization reversal and eddy currents (0.1-1 W / kg). Together, this reduces the losses created by the scattering fields in the frontal parts, and the specific losses in the stator's magnetic core. To exclude the closure of the eddy currents between the twisted sectors 2, they perform isolated from each other. To reduce losses and minimize weight and size indicators, the non-phase winding 3, (containing coils in the form of a rhombus) is made with a shortened pitch, i.e. the tops of the coils in the form of a rhombus winding 3 having obtuse internal angles are at the minimum possible distance, taking into account the condition for the formation of an n-pole magnetic motor system. For clarity, in FIG. 2 shows a connection diagram of a winding containing coils in the form of a rhombus of the prototype, having twelve coils operating with a four-pole magnetic rotor system, and in FIG. 3 shows a winding circuit comprising rhombus-shaped coils made with a shortened pitch, having twelve coils, operating with a four-pole rotor magnetic system. In FIG. 4 and FIG. 5 shows 3D models of their coils. As a result, the electrical resistance of the phase becomes smaller than in the analogue (RF patent No. 2313888, IPC H02K 21/24, H02K 21/12, H02K 16/02, publ. 12/27/2007), therefore, losses in the non-groove winding 3 are reduced. To ensure mechanical strength and minimize aerodynamic losses, the structure of the hollow cylinder 1 and the non-groove winding 3 is filled with a compound, for example, epoxy glue.

Таким образом, достигается повышение КПД, надежности, энергоэффективности и минимизация тепловыделений магнитопровода статора из аморфного железа в составе беспазового электродвигателя.Thus, an increase in efficiency, reliability, energy efficiency and minimization of heat generation of the stator magnetic circuit from amorphous iron as part of a non-phase electric motor is achieved.

Также расширяются функциональные возможности электродвигателя с беспазовым манитопроводом статора из аморфного железа, благодаря повышению выходной мощности при неизменных массогабаритных показателях, за счет повышения эффективности удельных энергетических показателей.The functionality of an electric motor with a baseless stator manitowire made of amorphous iron is also expanding, due to an increase in the output power with constant weight and size parameters, due to an increase in the efficiency of specific energy indicators.

Claims

An electric motor with a stator-free magnetic core made in the form of a hollow cylinder, inside of which there is a winding containing a rhombus coil with a long pitch, a magnetoelectric rotor, characterized in that the hollow stator magnetic core cylinder consists of twisted sectors of amorphous iron that are electrically isolated from each other assembled in the axial direction, and the winding contains coils in the form of a rhombus with a shortened pitch.