SE459833B - Roterande elektrisk maskin - Google Patents

Description

459 833 hos det yttre fält som tränger igenom mellanrummen mellan magnetpolerna, dvs. i polluckorna, om det yttre fältet är riktat vinkelrätt mot polytorna och växlar polaritet från pollucka till pollucka. En sådan rad permanentmagnetpoler drives med andra ord av fältet vid polluckornas kantlinjer, dvs. vid permanentmagnetpolernas intill polluckorna liggande kanter. Ett överraskande resultat av detta betraktelsesätt är, att vid en given total storlek, volym och vikt, av perma- nentmagneterna och given storlek hos det yttre fältet är den resulterande kraften proportionell mot antalet polluckor och därmed antalet poler och kan därför i princip ökas över alla gränser genom ökning av antalet polluckor, dvs. antalet poler, utan ökning av permanentmagnetpolernas totala samman- lagda volym och vikt.

Samma resonemang gäller naturligtvis även, om de ovan nämnda fiktiva kantledarna ersättes av faktiska supraledande ledare, i vilka stora strömmar kan flyta väsentligen utan att förluster uppstår. Permanentmagnetpoler kan sålunda i princip ersättas av supraledande ledare, som sträcker sig utmed polytornas omkrets och som för en likström motsvarande produkten av permanentmagnetmaterialets koercítivfältstyrka och permanentmagnetpolernas kanthöjd.

Vid de för närvarande vanliga elektriska motorerna med permanentmagneter kan man emellertid endast i begränsad ut- sträckning utnyttja det ovan nämnda förhållandet, att den resulterande kraften vid en given total volym och vikt hos permanentmagneterna och en given storlek hos det yttre fältet är proportionell mot antalet polluckor och därför i princip kan ökas genom ökning av antalet polluckor, dvs. antalet permanentmagnetpoler.

Dagens vanligaste permanentmagnetmotorer har stator- lindnángar av samma typ som asynkronmotorer eller synkron- generatorer. Vid dessa motorer deltar endast en mot det totala antalet poler omvänt proportionell andel, nämligen l/4 p där p är antalet permanentmagnetpolpar, av det totala lindningskoppartvärsnittet i alstringen av det yttre fält som tränger igenom polluckorna och därmed ger upphov till kraft- alstringen. Produkten av antalet polluckor, dvs. antalet l0 l5 459 833 permanentmagnetpoler, och det yttre fältets styrka är där- för väsentligen oberoende av antalet poler vid en given total kopparförlust. De förbättringar av motorns specifika momentalstring, dvs. moment relativt volym och vikt, som kan uppnås genom ökning av antalet poler utan samtidig ökning av volym och vikt hos motorns aktiva delar, beror därför i huvudsak av den möjliga minskningen av statorokets höjd och härvändarnas längd och ger endast en marginell förbätt- ring vid poltal överstigande åtta.

Permanentmagnetmotorer med utpräglade statorpoler försedda med var sin spollindning har väsentligen samma egenskaper som den i föregående stycke behandlade motortypen vad avser sambandet mellan det av statorlindningarna alstra- de magnetfältet i permanentmagnetpolluckorna och antalet permanentmagnetpoler. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en roterande elektrisk maskin, i synnerhet motor, som är så utformad att den i det föregående diskuterade egen- skapen hos permanentmagnetpoler eller magnetpoler bildade av supraledande spolar sträckande sig runt polytornas omkrets, att den resulterande kraften är proportionell mot antalet polluckor och därmed magnetpoler, kan utnyttjas på ett mycket effektivare sätt än vid tidigare kända motorer, så att en motor med mycket högt moment relativt sin volym och vikt kan erhållas.

Enligt uppfinningen uppnås detta medelst en roterande elektrisk maskin utformad enligt bifogade patentkrav.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslutning till bifogade ritningar, i vilka fig. l schematiskt visar ett partiellt axíellt snitt genom en utföringsform av en motor enligt uppfinningen;. fig. 2 visar ett radiellt snitt genom motorn enligt fig. l utefter linjen II-II i fig. 1; fig. 3 är en utbredd schematisk framställning illust- rerande arrangemanget av magnetpoler och med dessa samver- kande ferromagnetiska delar vid motorn enligt fig. l och 2; 459 lÛ 833 fig. 4 är en utbredd schematisk framställning illust- rerande en annan möjlig utformning av de med magnetpolerna samverkande ferromagnetiska delarna hos en motor enligt uppfinningen; fig. 5 är en utbredd schematisk framställning illust- rerande en ytterligare utformning av magnetpolerna och de med dessa samverkande ferromagnetiska delarna hos en motor enligt uppfinningen; fig. 6 är en utbredd schematisk framställning illust- rerande ännu en möjlig utformning av magnetpolerna och de med dessa samverkande ferromagnetiska delarna hos en motor enligt uppfinningen; och fig. 7 illustrerar kurvformen för de motorns lindningar matande strömmarna vid en utföringsform enligt fig. 8.

Den i fig. l-3 schematiskt och såsom exempel visade, föredragna utföringsformen av en motor enligt uppfinningen innefattar en rotor allmänt betecknad med 1 och en rotorn koaxiellt omgivande stator allmänt betecknad med 2. Rotorn l innefattar en axel 3 och en på denna fast anordnad ferro- magnetisk kärna bestående av tre identiskt utformade, utmed sin yttre omkrets tandade ringar Rl, R2 och R3 av ett isotropt ferromagnetiskt material, företrädesvis med hög volymresisti- vitet, exempelvis bestående av ett material med handelsnamnet COROVAC, och två mellan dessa ringar Rl, R2, R3 anordnade ringar 4 av ferromagnetiskt material. Statorn 2 innefattar en rörformad statorkärna 5 av ett isotropt ferromagnetiskt material av liknande-slag som ringarna R1, R2, R3, som på sin inneryta uppbär tre ringar eller kransar Pl, P2 och P3 av permanentmagneter med växelvis motriktade polariteter, vilka magnetpolkransar är belägna mittför de tandade ringarna Rl, ß2_respektive R3 i rotorn l. Var och en av dessa perma- nentmagnetpolkransar Pl, P2, P3 kan utgöras av en enda perma- nentmagnetisk ring magnetiserad med växelvis motriktade pola- riteter eller vara uppbyggd av ett mot antalet poler svaran- de antal, till en ring sammanfogade, separata permanentmag- neter. För redumafing av virvelströmsförlusterna kan perma- nentmagneterna med fördel vara laminerade, varvid lamine- 4.59 833 ringen är parallell med fältets riktning och företrädesvis sträcker sig periferiellt. Av samma skäl kan permanentmag- neterna alternativt även bestå av sammanfogade, elektriskt isolerade korn eller stavar.

Det ferromagnetiska statorröret 5 uppbär vidare två spollindningar Ll och L2, vilka är anordnade mellan magnet- polkransarna Pl, P2 och P3 och som med fördel är sä montera- de på statorröret 5 att en god termisk förbindelse finnes mellan spollindningarna och statorröret.

Såsom tydligast framgår av fig. 2, är var och en av de ferromagnetiska rotorringarna R1, R2, R3 utformad med runt omkretsen jämnt fördelade tänder eller polkroppar 6 och mel-4 lanliggande tandluckor 7, varvid antalet tänder 6 överens- stämmer med antalet magnetpolpar i permanentpolkransarna Pl, P2, P3.

De olika magnetpolkransarna Pl, P2, P3 och/eller de olika tandade ferromagnetiska ringarna Rl, R2, R3 är så förskjutna relativt varandra i periferiell riktning, att det inbördes läget mellan magnetpolkransen och tandkransen i varje samhörande par, exempelvis Pl/Rl, är periferiellt förskjutet relativt motsvarande inbördes läge mellan magnet- polkrans och tandkrans i vart och ett av de övriga samhöran- de paren P2/R2 respektive P3/R3 med en vinkel motsvarande en tredjedel av den periferiella utsträckningen av ett magnet- polpar. Detta illustreras såsom exempel i fig. 3, där magnet- polkransarna P1, P2, P3 är inbördes periferiellt förskjutna med en vinkel motsvarande en tredjedel av ett magnetpolpar.

Naturligtvis skulle i stället tandkransarna Rl, R2, R3 kunna vara periferiellt förskjutna relativt varandra på motsvaran- de sätt. Alternativt är det naturligtvis även möjligt att såväl.magnetpolkransarna Pl, P2, P3 som tandkransarna_Rl, R2, R3 är periferiellt förskjutna relativt varandra i sådan grad att det ovan nämnda villkoret beträffande det inbördes läget mellan magnetpolkrans och tandkrans i varje samverkande par blir uppfyllt.

De båda spollindningarna Ll, L2 matas med växelström styrt i beroende av rotorns 1 rotationsvinkelläge på sådant 459 833 l0 G7 sätt att frekvensen är proportionell mot rotorns varvtal och antalet poler i magnetpolkransarna och så att det inbör- des fasläget mellan matningsströmmarna i de båda spollind- ningarna Ll, L2 motsvarar fasläget mellan tvâ fasströmmar i ett symmetriskt trefassystem.

De av spollindningarna Ll, L2 alstrade yttre fälten sluter sig genom statorröret 5, de ferromagnetiska ringarna 4 och Rl, R2, R3 och tänderna 6 hos dessa ringar Rl, R2, R3 och samverkar därigenom med permanentmagnetpolerna i samt- liga magnetpolkransar Pl, P2, P3 pâ det tidigare beskrivna sättet. Härigenom möjliggöres på ett mycket effektivt sätt en ökning av den totala kraftalstringen och därmed motorns moment genom ökning av antalet magnetpoler i magnetpolkran- sarna Pl, P2, P3. Det inses också, att kopparmängden i spol- lindningarna Ll, L2 blir mycket effektivt utnyttjad, eftersom dessa spollindningar saknar för kraftalstringen onyttiga och endast förlustskapande härvändar. Vidare kan dessa spol- lindningar Ll, L2 utan svårighet utformas med en mycket stor fyllfaktor, genom att de framställes av profilledare.

Genom att permanentmagnetpolerna Pl, P2, P3 vidare kan vara anordnade tillsammans med spollindningarna Ll, L2 på den yttre, företrädesvis stillastående, delen av motorn, dvs. på den yttre statorn, blir permanentmagnetpolernas pol- luckor, där kraftutvecklingen sker, belägna på största möj- liga avstånd från rotoraxeln, vilket ger största möjliga momentarm för kraftutvecklingen.

Genom lämplig utformning av de mot magnetpolkransarna Pl, P2, P3 vända ytorna hos tänderna 6 och/eller av permanent- magnetpolernas egna polytor kan det permanentmagnetiska flöde som vid strömlösa lindningsspolar Ll, L2 går genom var och en av de.ferromagnetiska ringarna Rl, R2, R3 fås att variera som en sinusfunktion av rotorns vinkelläge í förhållande till till- hörande magnetpolkrans. Detta tillsammans med den ovan be- skrivna och såsom exempel i fig. 3 illustrerade inbördes för- skjutningen mellan de olika paren av samverkande magnetpol- kransar och tandkransar, dvs. paren Pl/Rl, P2/R2 och P3/R3, medför att summan av de tre genom tandringarna Rl, R2 respek- 459 833 tive R3 passerande, som sinusfunktioner varierande permanent- magnetiska flödena alltid är noll, dvs. att det permanent- magnetiska flöde som går in i en viss tandring R kommer att passera genom förbindelseringarna U och gå ut genom de båda andra tandringarna R.

Nämnda sinusformiga variation av det permanentmagne~ tiska flödet genom en tandring R, som funktion av rotorns vínkelläge, kan uppnås exempelvis genom att den mot perma- nentmagnetpolkransen P vända ytan hos var och en av tand- ringens R tänder 6 har en utsträckning i axiell riktning, vilken varierar som en funktion av centrumvinkeln på samma sätt som amplituden hos en positiv halvperiod av en sinus- kurva, medan permanentmagnetpolerna är rektangulära. Detta illustreras schematískt i fig. 4.

Samma resultat kan uppnås vid en speciellt fördelaktig utföríngsform, vid vilken permanentmagnetpolernas periferiel- la utsträckning endast är två tredjedelar av en magnetpoldel- ning, såsom schematiskt illustreras i fíg. 5. Tänderna 6 hos tandringarna R har härvid en axiell utsträckning hos sina mot permanentmagnetpolkransarna vända ytor, som förändras som funktion av centrumvinkeln i överensstämmelse med summan av en halvperiod av en sínusvåg och dess tredje och besläktade övervâgor. Även på detta sätt kan man uppnå att det perma- nentmagnetíska flödet i de ferromagnetiska tandringarna R kommer att variera som funktion av rotorvinkeln i enlighet med den eftersträvade sinuskurvan. Ett exempel på en sådan förmånlig utformning av tändernas 6 axiella utsträckning som variation av rotorvinkeln är 2 . . . b = bMAX J: s1n(pa) + K3 s1n(3pa) + kg sin(9pu)] för 0 :pa 1 ¶ 459 833 l5 där b - tendens axiella utsträckning MAX 7 tandens maximala axiella utsträckning "- antal tänder a - centrumvinkel hos tandringen k = _12: _ 0,75 3 12\,[3 kg = 0,25 - 5 12 3 En sådan utformning finnes schematiskt illustrerad i fig. 5.

Denna utföringsform möjliggör således att en tredjedel av permanentmagnetmaterialet sparas in, utan att detta påverkar motorns momentutvecklingsförmåga. Detta kan vara av väsent- lig ekonomisk betydelse, eftersom det permanentmagnetiska materialet är dyrt. ~ En ytterligare möjlig utformning av magnetpolernas polytor och av de mot magnetpolkransarna vända ytorna hos tänderna 6 finnes illustrerad i fig. 6. Härvid är magnet- polernas polytor rektangulära med en periferiell utsträck- ning motsvarande en magnetpoldelning, på samma sätt som vid utförandena enligt fig. 3 och 14, medan tänderna 6 i tand- ringarna R har en yta med en trapetsformigt varierande axiell utsträckning. Den i axiell riktning jämnbreda delen av tandytan 6 har därvid en periferiell utsträckning mot- svarande 2/3 av magnetpoldelningen, medan de i axiell riktning avsmalnande delarna av den trapetsfor- miga tandytan 6 har vardera en periferiell utsträckning mot- svarande l/6 av magnetpoldelningen.'Denna utformning av tandytorna 6 är användbar och lämplig, då spollindningarna Ll och L2 ej matas med sinusformade ström- mar utan i stället strömmar med ett trappstegsformat förlopp, såsom illustreras i fig. 7. Vart och ett av "trappstegenw i dessa trappstegsformiga matningsströmmar till spollindningar- na Ll och L2 har därvid en längd motsvarande 60 elektriska grader. l0 459 833 Naturligtvis är det möjligt att uppnå samma resultat, som beskrivits ovan í samband med fig. U, 5, 6 och 7 genom att utforma tandringarnas R tänder 6 med rektangulära tand- ytor, medan magnetpolerna i magnetpolkransarna P utformas med polytor med på ovan beskrivet sätt varierande axiell utsträckning. Konstruktivt är dock detta mindre fördelak- tigt, eftersom det är enklast att utforma permanentmagneter- na rektangulära på grund av att permanentmagnetmaterialet är svårt att tillverka i mera komplicerade former.

Såsom framgår av det föregående, är det i princip möj- ligt att vid en motor utformad enligt uppfinningen i stället för permanentmagnetpoler använda magnetpoler bildade av supraledande spolar sträckande sig runt magnetpolernas yta.

Naturligtvis är även andra utföringsformer och modifi- kationer av en roterande elektrisk maskin enligt uppfin- ningen möjliga inom uppfinningens ram. Sålunda inses det att magnetpolkransarna P och'de ferromagnetiska tandkran- sarna R kan byta plats, utan att den principiella funktio- nen hos maskinen förändras. Líkaledes inses det, att spolar- na L skulle kunna vara placerade på maskinens roterande del, vilket dock naturligtvis kräver släpringar eller liknande för spolarnas strömmatning.

Rent principiellt är det naturligtvis ej heller något som hindrar att en maskin enligt uppfinningen utformas med ett större antal magnetpolkransar, tandkransar och spollind- ningar. Rent generellt kan sålunda en maskin enligt uppfin- ningen ha n lindningsspolar L, där n är ett heltal minst lika med 2, samt (n+l) par av samverkande magnetpolkransar P och tandkransar R, varvid de olika paren av samverkande magnet- polkrans och tandkrans P/R är periferiellt förskjutna rela- tivtsvarandra med en vinkel motsvarande l/(n+l) av den periferiella utsträckningen av ett magnetpolpar, varjämte de olika spollindningarna matas med växelströmmar med ett inbördes fasläge motsvarande fasläget för n fasströmmar i ett symmetriskt (n+l)-fassystem. Det inses också av det före- gående, att antalet magnetpoler i magnetpolkransarna och där- med även antalet tänder i de ferromagnetíska tandkransarna kan väljas efter önskemål.

Claims (3)

459 833 l0 PATENTKRAV l. Roterande elektrisk maskin innefattande tvâ, koaxiellt relativt varandra anordnade och relativt varandra roterbara delar (1, 2) med var sin ferromagnetisk kärna (R, 4 resp. 5) och ett delarnas respektive kärnor åtskiljande, väsentligen cylindriskt luftgap, k ä n n e t e c k n a d av att den ena delens (2) ferromagnetiska kärna (5) är på sin mot luft- gapet vända yta försedd med minst tre, ringformade och peri- feriellt förlöpande kransar av magnetpoler (Pl, P2, P3) med växelvis motriktade polariteter, vilka magnetpolkransar innehåller samma antal magnetpoler och är anordnade pá axiellt avstånd från varandra, att den andra delens (

1) ferromagnetiska kärna (R, H) är i sin mot luftgapet vända yta utformad med tre, ringformade och periferiellt f örlöpan- de kransar (Rl, R2, R3) av tänder (6) med mellanliggande tandluckor (7), vilka tandkransar (Rl, R2, R3) är belägna mittemot nämnda magnetpolkransar (Pl, P2, P3) och vardera innehåller ett antal tänder (6) lika med halva antalet magnet- poler i varje magnetpolkrans, varvid det inbördes läget mel- lan magnetpolkransen (P) och tandkransen (R) i varje sam- hörande par är förskjutet periferiellt relativt motsvarande inbördes läge mellan magnetpolkrans och tandkrans i vart och ett av de övriga samhörande paren med en vinkel motsvarande en tredjedel av den periferiella utsträcknin gen av ett magnet- polpar, samt att en av nämnda båda delar (1,

2) uppbär tvâ elektriska, koaxiellt relativt maskinens axel anordnade spollindningar (Ll, L2) placerade axiellt mellan nämnda samhörande par av magnetpolkransar och tandkransar. 2. - Maskin enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d -av att de båda spollindningarna (Ll, L2) är anordnade att matas med växelströmmar med ett inbördes fasläge motsvarande två fasströmmar i ett symmetriskt trefassystem. 459 833 ll 3. Maskin enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att spollindningarna (Ll, L2) och magnetpolkransarna (Pl, P2, P

3) är anordnade på samma del av maskinen, före- trädesvis pâ maskinens stillastående del (2). H. Maskin enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att spollindningarna (Ll, L2) och magnetpolkransarna (Pl, P2, P3) är anordnade pà maskinens koaxiellt yttre del (2). 5. iaskin enligt något av kraven l - U, k ä n n e - t e c k n a d av att magnetpolerna utgöres av permanent- magneter. 6. Maskin enligt något av kraven l - 4, k ä n n e t e c k- n a d av att magnetpolerna är bildade av likströmsmatade, supraledande ledare sträckande sig runt polytornas omkrets. 7. Maskin enligt något av kraven l - 6, k ä n n e - t e c k n a d av att magnetpolerna i magnetpolkransarna (P) har en rektangulär polyta med en periferiell utsträckning motsvarande poldelningen, och att varje tand (5) i tand- kransarna (R) har en períferiell utsträckning motsvarande en poldelning i magnetpolkransarna och en axiell utsträck- ning, vílken varierar som funktion av centrumvinkeln på samma sätt som amplítuden hos en halvperiod av en sinuskurva. 8. Maskin enligt något av kraven l - 6, k ä n n e - t e c k n a d av att magnetpolerna i magnetpolkransarna (P) har en rektangulär polyta med en periferiell utsträckning motsvarande 2/3 av en poldelning, och att varje tand (6) i tandkransarna (R) har en periferiell utsträckning motsvaran- de enrpoldelning i magnetpolkransarna och en axiell utsträck- ning, vilken varierar som funktion av centrumvinkeln på samma sätt som summan av en halvperiod av en sinusgrundvâg och dennas tredje och besläktade övervågor. 459 833 12 9. Maskin enligt något av kraven 1 - 6, k ä n n e - t e c k n a d av att magnetpolerna i magnetpolkransarna (P) har en rektangulär polyta med en períferiell utsträckning motsvarande en poldelning, och att varje tand (6) i tand- kransarna (R) har en periferiell utsträckning motsvarande en poldelníng i magnetpolkransarna och en axiell utsträck- ning, som varierar trapetsformígt som funktion av centruml vinkeln, varvid trapetsens plana del sträcker sig över en centrumvínkel motsvarande 2/3 av centrumvinkeln för en poldelning i magnetpolkransarna.