WO2021079175A1 - Electrical machine - Google Patents

Electrical machine Download PDF

Info

Publication number
WO2021079175A1
WO2021079175A1 PCT/IB2019/059095 IB2019059095W WO2021079175A1 WO 2021079175 A1 WO2021079175 A1 WO 2021079175A1 IB 2019059095 W IB2019059095 W IB 2019059095W WO 2021079175 A1 WO2021079175 A1 WO 2021079175A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
stator
rotor
cores
axial
machine according
Prior art date
Application number
PCT/IB2019/059095
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Рафаэль ВИРАБЯН
Сергей ДАШКЕВИЧ
Александр КОТОВИЧ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответсвенностью"Хевн Сторм"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответсвенностью"Хевн Сторм" filed Critical Общество С Ограниченной Ответсвенностью"Хевн Сторм"
Priority to PCT/IB2019/059095 priority Critical patent/WO2021079175A1/en
Publication of WO2021079175A1 publication Critical patent/WO2021079175A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/197Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil in which the rotor or stator space is fluid-tight, e.g. to provide for different cooling media for rotor and stator
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/20Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine that comprises a stator with pole-piece cores and a permanent magnet rotor rotatable in a stator.
  • the stator is equipped with coils wound on cores that interact with the rotor magnets through an air gap between the rotor and stator.
  • the machine can be either a motor or a generator and in many variants can be realized as an axial flux machine.
  • the present invention relates to an electric machine without a yoke and with a segmented armature, hereinafter referred to as "H-machine".
  • Known H-machine [1] which contains, successive coils wound around rods installed around the circumference of the stator located parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • the rotor has two sections containing permanent magnet disks that face both ends of each stator coil.
  • the lines of magnetic induction in any working section pass as follows: through the first coil - into the first magnet on the first section of the rotor, then, through the rotor yoke - onto the adjacent second magnet on the first section, and then, through the second stator coil, adjacent to the first coil into the first magnet on the second section of the rotor, aligned with the second magnet on the first section, and, through the yoke of the second section, into the second magnet in the second section, aligned with the first magnet on the first section.
  • the chain ends through the first spool.
  • the topology of the "H-machine" is given, indicating its advantages due to the reduced amount of iron in the stator, which allows to improve the torque density.
  • a core with high magnetic permeability is used, around which the coils are wound.
  • a multilayer or otherwise configured core is used.
  • an electric machine [2] containing a rotor having permanent magnets, and a stator having coils wound on stator rods to interact with magnets through an air gap defined between them, and the rotor is made to rotate relative to the stator around the axis of rotation, and the rods and coils on them are covered with an annular stator housing, and the stator housing contains two mating segments that fix the stator rods and coils in the machine, each stator rod has pole pieces at each end and each segment has parts of cylindrical walls on the inner and outer radii, and a radial wall connecting the parts of the inner and outer cylindrical walls, whereby the two segments mate between the opposing ends of the said parts of the inner and outer cylindrical walls, forming the said stator body, and in which the segments define a chamber throughwhich a cooling medium circulates around the coils to cool them.
  • Each rod is formed from at least two rod parts, connected to each other by transverse splitting along the cross section of the rod, and each segment is injection molded from reinforced plastics, being molded over the tips of one part of the stator rod to be held and located in the radial wall of the rod part whereby the pole pieces form part of said radial wall.
  • the disadvantage of the known machine is the high complexity of manufacturing and the sensitivity to the beating of permanent magnet rotors, due to the inefficiency of the cooling system, which leads to increased energy losses.
  • the disadvantages of the known device are the complexity and cumbersomeness of the coil mounting system.
  • an electrical machine comprising a stator housed in a ring-shaped casing and with pole-piece cores located at intervals around the circumference between the inner and outer connecting housings, forming a hollow space around the axis of the machine for circulation of coolant, on each of which a winding is wound, and two rotors mounted on the shaft with the possibility of rotation relative to the stator around the axis of the machine, each of which contains a set of constants magnets spaced at intervals around the circumference, the first rotor is located on one side of the stator at a distance from the pole pieces of the cores, forming an axial gap between the stator and the first rotor, and the second rotor is located on the opposite side of the stator at a distance from the pole pieces of the cores, forming between the stator and the second rotor is an axial clearance, and a set of permanent magnets of each rotor is located on its side facing the stator, characterized in that
  • the connecting housings are cylindrical, hermetically fixed between the stator housings, which are installed on the mounting surface of the machine end shields; a flux-dividing ring, which ensures the redirection of the magnetic fluxes of the stator cores towards the gaps between the permanent magnets of the rotor and the stator cores, where the gap value is determined to be less than the set nominal gap value, while providing additional torque on the rotor due to small gaps (the torque is inversely proportional to the square of the gap); the flux-dividing ring by its surfaces is connected with the stator cores by the sides opposite to its pole pieces; the first contact surface of the rotor is located axially on the shaft, to determine the axial position of the first rotor, and the second contact surface of the rotor is axially separated from the first contact surface of the rotor, to determine the axial distance between the first and second rotors and to determine the axial air clearance
  • An electrical machine is a motor or generator.
  • Figure 1 shows an electric machine with permanent magnets
  • Figure 2 is a section along the axis of the engine and along the axis of the suction nozzle;
  • Figure 4 is a section along the axis of the terminal box of the axis of the fittings: pumping and suction;
  • Figure 5 is a section along the axis of the engine and the terminal box
  • Figure 6 is a diagram of the magnetic fluxes along the cores and the ring, between the windings and magnets;
  • Figure 7 is a section BB along the axis of the thicknesses of the permanent magnets
  • the electrical machine consists of assembled shields of bearing housings 1 and 2 and stator 3 and 4, while stator 3 and 4 are connected by means of hermetically sealed connections with an outer connecting casing 5 and an inner connecting casing 6, forming a sealed space for the arrangement of windings 7 and cores 8.
  • Shaft the rotor 9 is installed in the bearings 10 of the shields 1 and 2.
  • On the shaft 9 are the rotor 11 and 12, with permanent magnets 13 built into them 13.
  • the inner cylindrical surface of the ring 14 together with the outer cylindrical surface of the inner connecting body 6 forms a volume for the liquid after collecting heat 16.
  • the volume 15 is connected with the nozzle 17, and the volume 16 with the nozzle 18.
  • the liquid inlet 17 is installed on the outer connecting body 5 and connects the volume for the incoming coolant 15 with the outlet channel of the cooling unit (not shown in the figures).
  • the nozzle for pumping out the heated liquid 18 is installed on the outer connecting body 5 and through the hole in the flow distribution ring 14 is connected to the volume for the liquid 16 after collecting heat from the windings 7 and cores 8.
  • the nozzle 18 is connected to the inlet channel of the cooling unit (not shown in the figures) ...
  • Bearings 10 are installed in shields 1 and 2 and are supports for shaft 9, which carries rotors 11 and 12 with magnets 13.
  • Bearing caps 19 and shaft outlet cover 20 are mounted on shields 1 and 2, respectively.
  • the stator housings 3 and 4 of the electric machine are housings with sector recesses made along its perimeter and cores 8 fixed in the recesses with a similarly shaped working winding 7.
  • Each flat end of the core on the rotor side is equipped with a pole piece in order to increase the area for the passage of the magnetic flux from the cores 8.
  • Corresponding grooves are made in the housing, due to which the fixation of the cores 8 is provided, which makes it possible to increase the compactness of the electric machine.
  • the air gaps "S” should be as small as possible in order to reduce the reluctance in the magnetic circuit.
  • the design described allows a minimum air gap to be created with few manufacturing tolerances that can be agreed upon when assembling the engine. Since the bearings 10 represent a relatively significant source of idle movements in the axial direction, it is necessary to select the bearings 10 with small clearances or to adjust the relative position of the bearings 10 of the shields 1 and 2.
  • the flux distribution ring 14 is made of a composite, soft magnetic material (Fig. 6), the additional, shortest path of the magnetic flux is advantageous, since it reduces the requirement for limiting the magnetic flux itself and allows an alternative return path for each circuit: magnet 13 winding 7 - magnet 13.
  • the total magnetic resistance reduces the energy consumption of the winding 7, which is closed along the minimum path.
  • stator housings 3 and 4 The entire structure forming the motor, bearing shields 1 and 2, stator housings 3 and 4, connecting housings 5 and 6 are connected by pins 22.
  • a terminal box 23 is installed on the stators housings 3 and 4 to connect the windings 7 with the engine control unit.
  • the axial force applied to each rotor is significant due to the magnets, and it increases if the air gap decreases, and can be on the order of 7500N per rotor.
  • the axial support of the rotors is extremely important and thus the bearings 10 between stators 4 and 5 and rotors 11 and 12 will provide a rigid and reliable response to this force.
  • the flow distribution ring 14 and the cores 8 in the presented invention are made of a composite, soft magnetic material by powder metallurgy methods. In some versions, it is also permissible to combine and manufacture from electrical steel.
  • Soft magnetic materials are used for a variety of applications such as core materials in inductors, stators and rotors for electrical machines, drives, sensors and transformer cores.
  • soft magnetic cores such as rotors and stators in electrical machines are made from multilayer steel laminates.
  • Soft magnetic composites can be based on soft magnetic particles, usually iron based, with an electrically insulating coating on each particle. Molding takes place by compacting isolated particles together with lubricants and / or binders using a traditional powder metallurgy process. Using this technology, such components can be manufactured with a greater degree of design freedom.
  • the present invention relates to the use of a soft magnetic iron-based composite powder, the particles of which are coated with a carefully selected coating that imparts material properties suitable for the production of motor stator cores.
  • An inductor or core is a passive electrical component that can store energy in the form of a magnetic field created by an electric current passing through the component. The ability of inductors to store energy, inductance "L” is measured in Henry “H”.
  • an inductor is an insulated wire wound in a coil. The electric current flowing through the turns of the coil creates a magnetic field around the coil, the field strength being proportional to the current and the unit of turns (coil length). The alternating current will create an alternating magnetic field that will induce a voltage that opposes the change in the current that created it.
  • Ferromagnetic or iron core inductors use a magnetic core made of a ferromagnetic or ferrimagnetic material such as iron or ferrite to increase the inductance of the coil by several thousand by increasing the magnetic field due to the higher permeability of the core material.
  • One of the important parameters for improving the characteristics of the soft magnetic component is to reduce its core loss characteristics.
  • energy losses occur due to both hysteresis losses and eddy current losses.
  • the loss of hysteresis is proportional to the frequency of alternating magnetic fields, while the loss of eddy currents is proportional to the square of the frequency.
  • the eddy current loss is of great importance, which must be taken into account in order to reduce eddy current losses and maintain a low level of hysteresis losses. This implies that it is desirable to increase the resistivity of the magnetic cores.
  • the liquid is constantly pumped by the pump of the cooling unit through the nozzles 17 and 18 through the volume for the incoming liquid 15 and the volume 16 for the liquid after collecting heat from windings and cores, where excess heat is then removed by the air flow from the fan of the cooling unit (not shown in the figures), thereby ensuring the temperature regime of the machine in the required range.
  • the currents in the windings 7, as a rule decrease and the heat fluxes from the copper resistive resistance of the windings 7 decrease, but due to an increase in the frequency of magnetic fluxes due to induction heating from the windings 7, the temperature of the cores 8 increases and rotors 11 and 12.
  • Liquid in volumes 15 and 16 provides heat transfer from induction heating of cores 8. At the same time, an increase in heat flux from induction heating of cores 8 and flow distribution ring 14, with an increase in the rotational speed of the rotors, will cause an increase in the flow of coolant from the cooling unit and will reduce the increasing heat build-up in the material of the cores 8 of the ring 14.
  • each core 8 there is a magnetic flux created by the windings 7.
  • the magnetic flux is closed through the magnets, while crossing the gaps between the cores 8 and the magnets 13, where a shear force arises in accordance with Ohm's law, which creates a torque on the rotors 11 and 12, which is transmitted to the shaft 9 and is used for the intended purpose of the machine.
  • the magnetic fluxes of the opposing cores 8 are added, crossing the flux distribution ring 14.
  • the gaps between the cores 8 and the magnets 13 within one revolution of the shaft 9 may change.
  • the size of the gap affects not only the magnitude of the resistance to magnetic flux, but also determines the amount of torque on the shaft.
  • the proposed invention due to the effective intensive cooling of areas with a high concentration of thermal energy and reduced losses of magnetic fluxes of the cores, will increase the power and torque of an electric machine for use when operating at low speeds with a long duration of starting loads.
  • the invention relates to the field of electrical engineering and concerns the execution of electrical machines filled with a coolant, mainly synchronous motors, and can be used in the electric drive of systems with a long duration of starting loads when operating at low speeds, for example, in transport equipment, generating equipment for hydro and wind installations.
  • a coolant mainly synchronous motors
  • the electric car can be used to drive all-electric and hybrid vehicles.
  • the purpose of the invention is to simplify the design and improve the quality of cooling of the windings and cores, reduce the losses of magnetic fluxes with a decrease in thermal losses of the motor as a whole.
  • the technical result is an increased specific power and specific torque of an electric machine. Ensuring its operation at the same time both at a low number of revolutions with a long duration and frequent repetition of starting loads, and at a high number of rotor revolutions by efficient cooling of actively heating elements of an electric machine in the entire range of possible rotor revolutions.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

The invention relates to an electrical machine which comprises a stator having cores with pole tips, and a rotor having permanent magnets and being rotatable in the stator. The stator is equipped with coils that are wound on the cores and interact with the magnets of the rotor across an air gap between the rotor and the stator. The cores with pole tips are arranged at intervals in a circle between inner and outer connecting housings which form a hollow space. Mounted between the cores of the stator is a flow-splitting ring which splits the hollow space of the stator into a space for a liquid for cooling a winding and a space for collecting liquid containing the heat produced by the stator winding. The technical result consists in increasing the specific power and specific torque of an electrical machine.

Description

Электрическая машина Electric car
Область техники Technology area
Изобретение относится к электрической машине, которая содержит статор с сердечниками с полюсными наконечниками и ротор с постоянными магнитами, выполненный с возможностью вращения в статоре. Статор снабжен намотанными на сердечниках катушками, взаимодействующими с магнитами ротора через воздушный зазор между ротором и статором. Машина может быть либо двигателем, либо генератором и во многих вариантах может быть реализована как машина с осевым магнитным потоком. В частности, настоящее изобретение относится к электрической машине без ярма и с сегментированным якорем, далее называемой как «Н- машина». The invention relates to an electrical machine that comprises a stator with pole-piece cores and a permanent magnet rotor rotatable in a stator. The stator is equipped with coils wound on cores that interact with the rotor magnets through an air gap between the rotor and stator. The machine can be either a motor or a generator and in many variants can be realized as an axial flux machine. In particular, the present invention relates to an electric machine without a yoke and with a segmented armature, hereinafter referred to as "H-machine".
Предшествующий уровень техники Prior art
Известна Н-машина [1], которая содержит, последовательные катушки, намотанные вокруг стержней, установленных по окружности в округ статора расположенного параллельно оси вращения ротора. Ротор имеет две секции, содержащие диски с постоянными магнитами, которые обращены к обоим концам каждой катушки статора. В известной машине линии магнитной индукции в любой рабочей секции проходят следующим образом: через первую катушку — в первый магнит на первой секции ротора, затем, через ярмо ротора - на смежный второй магнит на первой секции, после чего, через вторую катушку статора, смежную с первой катушкой — в первый магнит на второй секции ротора, выровненный со вторым магнитом на первой секции, и, через ярмо второй секции - на второй магнит во второй секции, выровненный с первым магнитом на первой секции. Цепь завершается через первую катушку. В описании известной машины приведена топология «Н-машины», указывая ее преимущества, обусловленными уменьшенным количеством железа в статоре, который позволяет улучшить плотность вращающего момента. Known H-machine [1], which contains, successive coils wound around rods installed around the circumference of the stator located parallel to the axis of rotation of the rotor. The rotor has two sections containing permanent magnet disks that face both ends of each stator coil. In a known machine, the lines of magnetic induction in any working section pass as follows: through the first coil - into the first magnet on the first section of the rotor, then, through the rotor yoke - onto the adjacent second magnet on the first section, and then, through the second stator coil, adjacent to the first coil into the first magnet on the second section of the rotor, aligned with the second magnet on the first section, and, through the yoke of the second section, into the second magnet in the second section, aligned with the first magnet on the first section. The chain ends through the first spool. In the description of the known machine, the topology of the "H-machine" is given, indicating its advantages due to the reduced amount of iron in the stator, which allows to improve the torque density.
Специфической проблемой для « Н - машины » с большой плотностью вращающего момента, является то, что при больших вращательных моментах в катушках образуется значительное количество тепла, которое часто представляет собой ограничивающий фактор для используемых вращательных моментов. A specific problem for "H - machines" with a high torque density is that at high torques, a significant amount of heat is generated in the coils, which is often the limiting factor for the torques used.
Исходя из того, что магнитная связь между катушками и постоянными магнитами зависит от напряженности магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами и обмотками сердечников статора и проницаемостью магнитной системы, применяется сердечник с большой магнитной проницаемостью, вокруг которого наматываются катушки. При этом, для уменьшения действия вихревых токов, используется многослойный или скомпонованный иначе сердечник. Based on the fact that the magnetic coupling between coils and permanent magnets depends on the strength of the magnetic field created permanent magnets and windings of the stator cores and the permeability of the magnetic system, a core with high magnetic permeability is used, around which the coils are wound. In this case, to reduce the effect of eddy currents, a multilayer or otherwise configured core is used.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электрическая машина [2], содержащая ротор, имеющий постоянные магниты, и статор, имеющий катушки, намотанные на стержнях статора для взаимодействия с магнитами через воздушный зазор, определенный между ними, причем ротор, выполнен с возможностью вращения относительно статора вокруг оси вращения, причем стержни и катушки на них покрыты кольцевым корпусом статора, и причем корпус статора содержит два сопрягающихся сегмента, которые фиксируют стержни статора и катушки в машине, каждый стержень статора, имеет полюсные наконечники на каждом конце и каждый сегмент, имеет части цилиндрических стенок на внутреннем и внешнем радиусах, и радиальную стенку, соединяющую части внутренней и внешней цилиндрических стенок, посредством чего два сегмента сопрягаются между противостоящими торцами упомянутых частей внутренней и внешней цилиндрических стенок, формируя упомянутый корпус статора, и в котором сегменты определяют между собой камеру, через которую охлаждающая среда циркулирует вокруг катушек для их охлаждения. Closest to the proposed invention is an electric machine [2], containing a rotor having permanent magnets, and a stator having coils wound on stator rods to interact with magnets through an air gap defined between them, and the rotor is made to rotate relative to the stator around the axis of rotation, and the rods and coils on them are covered with an annular stator housing, and the stator housing contains two mating segments that fix the stator rods and coils in the machine, each stator rod has pole pieces at each end and each segment has parts of cylindrical walls on the inner and outer radii, and a radial wall connecting the parts of the inner and outer cylindrical walls, whereby the two segments mate between the opposing ends of the said parts of the inner and outer cylindrical walls, forming the said stator body, and in which the segments define a chamber throughwhich a cooling medium circulates around the coils to cool them.
Каждый стержень формуется, по меньшей мере, из двух частей стержня, соединяемых между собой при поперечном расщеплении по сечению стержня, и каждый сегмент инжекционно формуется из усиленных пластиков, будучи сформованным поверх наконечников одной части стержня статора, чтобы удерживаться и располагаться в радиальной стенке части стержня, посредством чего полюсные наконечники формируют часть упомянутой радиальной стенки. Each rod is formed from at least two rod parts, connected to each other by transverse splitting along the cross section of the rod, and each segment is injection molded from reinforced plastics, being molded over the tips of one part of the stator rod to be held and located in the radial wall of the rod part whereby the pole pieces form part of said radial wall.
Недостатком известной машины является высокая сложность изготовления и чувствительность к биению роторов с постоянными магнитами, из-за неэффективности системы охлаждения, что приводит к повышенным энергетическим потерям. Кроме того недостатками известного устройства являются сложность и громоздкость системы крепления катушек. The disadvantage of the known machine is the high complexity of manufacturing and the sensitivity to the beating of permanent magnet rotors, due to the inefficiency of the cooling system, which leads to increased energy losses. In addition, the disadvantages of the known device are the complexity and cumbersomeness of the coil mounting system.
Краткое изложение существа изобретения. Brief summary of the essence of the invention.
В соответствии с настоящим изобретением представляется электрическая машина, содержащая размещенный в кольцеобразном корпусе статор с сердечниками с полюсными наконечниками, которые расположены с интервалами по окружности между внутренним и наружным соединительными корпусами, образуя полое пространство вокруг оси машины для циркуляции охлаждающей жидкости, на каждом из которых намотана обмотка, и два ротора, установленных на валу с возможностью вращения относительно статора вокруг оси машины, каждый из которых содержит набор постоянных магнитов, расположенных с интервалами по окружности, первый ротор расположен с одной стороны статора на расстоянии от полюсных наконечников сердечников, образуя между статором и первым ротором осевой зазор, а второй ротор расположен на противоположной стороне статора на расстоянии от полюсных наконечников сердечников, образуя между статором и вторым ротором осевой зазор, причем набор постоянных магнитов каждого ротора расположен на его стороне, обращенной к статору, отличающаяся тем, что между сердечниками статора установлено потокоделительное кольцо, которое делит полое пространство статора на пространство для жидкости охлаждающей обмотки и пространство для сбора жидкости с теплом, полученным от обмоток статора, причем каждый сердечник формуется, по меньшей мере, из двух частей, соединяемых между собой торцами потокоделительного кольца. In accordance with the present invention, there is provided an electrical machine comprising a stator housed in a ring-shaped casing and with pole-piece cores located at intervals around the circumference between the inner and outer connecting housings, forming a hollow space around the axis of the machine for circulation of coolant, on each of which a winding is wound, and two rotors mounted on the shaft with the possibility of rotation relative to the stator around the axis of the machine, each of which contains a set of constants magnets spaced at intervals around the circumference, the first rotor is located on one side of the stator at a distance from the pole pieces of the cores, forming an axial gap between the stator and the first rotor, and the second rotor is located on the opposite side of the stator at a distance from the pole pieces of the cores, forming between the stator and the second rotor is an axial clearance, and a set of permanent magnets of each rotor is located on its side facing the stator, characterized in that a flux-dividing ring is installed between the stator cores, which divides the stator hollow space into a space for liquid of the cooling winding and a space A compartment for collecting liquid with heat received from the stator windings, and each core is formed from at least two parts connected by the ends of the flow dividing ring.
Согласно предпочтительным и дополнительным признакам, приведенных в зависимых пунктах: внутренний и наружный, относительно сердечников статора, соединительные корпуса цилиндрообразные, герметично закреплены между корпусами статора, которые установлены на монтажной поверхности подшипниковых щитов машины; потокоделительное кольцо, которое обеспечивает перенаправление магнитных потоков сердечников статора в сторону зазоров между постоянными магнитами ротора и сердечниками статора, где величина зазора определена меньше установленной номинальной величины зазора, при этом обеспечивается дополнительный крутящий момент на роторе за счет малых зазоров (крутящий момент по величине обратно пропорционален квадрату величины зазора); потокоделительное кольцо своими поверхностями связано с сердечниками статора сторонами противоположными своим полюсным наконечникам; первая контактная поверхность ротора расположена в осевом направлении на валу, для определения осевого положения первого ротора, причём вторая контактная поверхность ротора отделена в осевом направлении от первой контактной поверхности ротора, для определения осевого расстояние между первым и вторым роторами и для определения осевых воздушных зазоров между первым ротором и статором и вторым ротором и статором; сердечники статора выполнены из магнитно-мягкого композитного порошка на основе железа; According to the preferred and additional features given in the dependent items: inner and outer, relative to the stator cores, the connecting housings are cylindrical, hermetically fixed between the stator housings, which are installed on the mounting surface of the machine end shields; a flux-dividing ring, which ensures the redirection of the magnetic fluxes of the stator cores towards the gaps between the permanent magnets of the rotor and the stator cores, where the gap value is determined to be less than the set nominal gap value, while providing additional torque on the rotor due to small gaps (the torque is inversely proportional to the square of the gap); the flux-dividing ring by its surfaces is connected with the stator cores by the sides opposite to its pole pieces; the first contact surface of the rotor is located axially on the shaft, to determine the axial position of the first rotor, and the second contact surface of the rotor is axially separated from the first contact surface of the rotor, to determine the axial distance between the first and second rotors and to determine the axial air clearances between the first rotor and stator and the second rotor and stator; stator cores are made of soft magnetic iron-based composite powder;
Электрическая машина представляет собой двигатель или генератор. An electrical machine is a motor or generator.
Изобретение поясняется чертежами: The invention is illustrated by drawings:
На фиг.1 изображена электрическая машина с постоянными магнитами; Figure 1 shows an electric machine with permanent magnets;
На фиг.2- разрез по оси двигателя и по оси всасывающего штуцера; Figure 2 is a section along the axis of the engine and along the axis of the suction nozzle;
На фиг.З- разрез А- А по оси двигателя и по оси нагнетающего штуцера; In Fig.Z - section A - A along the axis of the engine and along the axis of the injection nozzle;
На фиг.4- разрез по оси коробки выводов оси штуцеров: нагнетающего и всасывающего; Figure 4 is a section along the axis of the terminal box of the axis of the fittings: pumping and suction;
На фиг.5- разрез по оси двигателя и коробке выводов; Figure 5 is a section along the axis of the engine and the terminal box;
На фиг.6- схема магнитных потоков по сердечникам и кольцу, между обмотками и магнитами; Figure 6 is a diagram of the magnetic fluxes along the cores and the ring, between the windings and magnets;
На фиг.7- разрез Б-Б по оси толщин постоянных магнитов; Figure 7 is a section BB along the axis of the thicknesses of the permanent magnets;
На указанных чертежах используются следующие обозначения:The following symbols are used in these drawings:
1-щит подшипниковый; 2-щит подшипниковый; 3 -корпус статора; 4- корпус статора; 5-корпус соединительный наружный; 6-корпус соединительный внутренний; 7-обмотка; 8-сердечник; 9-вал ротора; 10- ш/подшипник; 11 -ротор; 12-ротор; 13 -магнит постоянный; 14-кольцо распределения потоков; 15-объём для поступающей охлаждающей жидкости; 16-объём для жидкости после сбора тепла с обмоток и сердечников; 17-штуцер для подачи жидкости; 18- штуцер для выкачивания нагретой жидкости; 19-крышка подшипника; 20-крышка выхода вала; 21 -кольцо уплотнительное; 22-шпилька; 23 -коробка выводов; Конструкция электрической машины: 1-bearing shield; 2-bearing shield; 3 - stator body; 4- stator housing; 5-outer connecting body; 6-inner connecting body; 7-winding; 8-core; 9-shaft rotor; 10- w / bearing; 11 - rotor; 12-rotor; 13 - permanent magnet; 14-ring of distribution of streams; 15-volume for the incoming coolant; 16-volume for liquid after collecting heat from windings and cores; 17-fitting for fluid supply; 18- connection for pumping out the heated liquid; 19-bearing cover; 20-shaft exit cover; 21 - sealing ring; 22-hairpin; 23 - a box of conclusions; Electric machine design:
Электрическая машина состоит из собранных щитов подшипниковых корпусов 1 и 2 и статора 3 и 4, при этом статора 3 и 4 связаны с помощью герметичных соединений корпусом соединительным наружным 5 и корпусом соединительным внутренним 6, образовав герметичное пространство для расположения обмоток 7 и сердечников 8. Вал ротора 9 установлен в подшипниках 10 щитов 1 и 2. На валу 9 установлены ротора 11 и 12, с встроенными в них постоянными магнитами 13. Между сердечниками 8, с обмотками 7, установлено кольцо распределения потоков 14, которое своей наружной цилиндрической поверхностью с поверхностью корпуса соединительного наружного 5, образует объём для поступающей охлаждающей жидкости 15. Внутренняя цилиндрическая поверхность кольца 14 совместно с наружной цилиндрической поверхностью корпуса соединительного внутреннего 6 образует объем для жидкости после сбора тепла 16. Объём 15 связан со штуцером 17, а объём 16 со штуцером 18. Штуцер для подачи жидкости 17 установлен на корпусе соединительном наружном 5 и связывает объем для поступающей охлаждающей жидкости 15 с выходным каналом блока охлаждения (на рисунках не показано). Штуцер для выкачивания нагретой жидкости 18 установлен на корпусе соединительном наружном 5 и через отверстие в кольце распределения потоков 14 связан с объёмом для жидкости 16 после сбора тепла с обмоток 7 и сердечников 8. Штуцер 18 связан с входным каналом блока охлаждения (на рисунках не показано). Подшипники 10 установлены в щитах 1 и 2 и являются опорами для вала 9, который с помощью шпоночного соединения несет на себе роторы 11 и 12 с магнитами 13. Крышки подшипника 19 и крышка выхода вала 20 установлены на щитах 1 и 2 соответственно. The electrical machine consists of assembled shields of bearing housings 1 and 2 and stator 3 and 4, while stator 3 and 4 are connected by means of hermetically sealed connections with an outer connecting casing 5 and an inner connecting casing 6, forming a sealed space for the arrangement of windings 7 and cores 8. Shaft the rotor 9 is installed in the bearings 10 of the shields 1 and 2. On the shaft 9 are the rotor 11 and 12, with permanent magnets 13 built into them 13. Between the cores 8, with the windings 7, there is a flow distribution ring 14, which with its outer cylindrical surface with the body surface connecting outer 5, forms a volume for the incoming cooling liquid 15. The inner cylindrical surface of the ring 14 together with the outer cylindrical surface of the inner connecting body 6 forms a volume for the liquid after collecting heat 16. The volume 15 is connected with the nozzle 17, and the volume 16 with the nozzle 18. The liquid inlet 17 is installed on the outer connecting body 5 and connects the volume for the incoming coolant 15 with the outlet channel of the cooling unit (not shown in the figures). The nozzle for pumping out the heated liquid 18 is installed on the outer connecting body 5 and through the hole in the flow distribution ring 14 is connected to the volume for the liquid 16 after collecting heat from the windings 7 and cores 8. The nozzle 18 is connected to the inlet channel of the cooling unit (not shown in the figures) ... Bearings 10 are installed in shields 1 and 2 and are supports for shaft 9, which carries rotors 11 and 12 with magnets 13. Bearing caps 19 and shaft outlet cover 20 are mounted on shields 1 and 2, respectively.
Корпуса статора 3 и 4 электрической машины представляют собой корпуса с выполненными по его периметру секторными выемками и зафиксированные в указанных выемках сердечники 8 с аналогичной формы рабочей обмоткой 7. Каждый плоский торец сердечника со стороны ротора снабжен полюсным наконечником, с целью увеличения площади для прохода магнитного потока от сердечников 8. В корпусе выполнены соответствующие пазы, за счет которых обеспечивается фиксация сердечников 8, что позволяет повысить компактность электрической машины. The stator housings 3 and 4 of the electric machine are housings with sector recesses made along its perimeter and cores 8 fixed in the recesses with a similarly shaped working winding 7. Each flat end of the core on the rotor side is equipped with a pole piece in order to increase the area for the passage of the magnetic flux from the cores 8. Corresponding grooves are made in the housing, due to which the fixation of the cores 8 is provided, which makes it possible to increase the compactness of the electric machine.
Между магнитами 13 и сердечниками 8, имеются воздушные зазоры «S» (фиг.6). Как известно из теории электродвигателестроения, воздушные зазоры «S» должны быть максимально малы, чтобы уменьшить магнитное сопротивление в магнитной цепи. Between the magnets 13 and the cores 8, there are air gaps "S" (Fig. 6). As is known from the theory of electric motor construction, the air gaps "S" should be as small as possible in order to reduce the reluctance in the magnetic circuit.
Описанная конструкция позволяет создать минимальный воздушный зазор посредством немногих технологических допусков, согласуемых при сборке двигателя. Поскольку подшипники 10 представляют собой относительно существенный источник холостых подвижек в осевом направлении, то необходимо подшипники 10 подбирать с малыми зазорами или регулировать взаимным расположением подшипников 10 щитов 1 и 2. The design described allows a minimum air gap to be created with few manufacturing tolerances that can be agreed upon when assembling the engine. Since the bearings 10 represent a relatively significant source of idle movements in the axial direction, it is necessary to select the bearings 10 with small clearances or to adjust the relative position of the bearings 10 of the shields 1 and 2.
Конечно, в осевом направлении сложно осуществить необходимую подгонку. Однако, кроме подшипников, имеется минимум других деталей двигателя, допуски которых накладываются и требуют большего воздушного зазора «S». Один из важных узлов - это сами ротора 11 и 12, которые своим торцевым биением значительно влияют на величину зазоров «S». Кроме того, общий принцип конструирования двигателей требует, чтобы магниты 13 и обмотки 7 с сердечниками 8 были расположены максимально далеко от оси вала 9 роторов 11 и 12 так, чтобы магнитосдвигающая сила, действующая между сердечниками 8 и магнитами 13, преобразовывалась в максимальный вращающий момент относительно оси вала 9. Of course, in the axial direction it is difficult to make the necessary fit. However, in addition to bearings, there are a minimum of other engine parts, the tolerances of which are imposed and require more air clearance "S". One of the important units is the rotors 11 and 12 themselves, which, with their end runout, significantly affect the size of the clearances "S". In addition, the general design principle of motors requires that the magnets 13 and windings 7 with cores 8 are located as far as possible from the axis of the shaft 9 of the rotors 11 and 12 so that the magnetosheating force acting between the cores 8 and the magnets 13 is converted into a maximum torque relative to shaft axes 9.
Так как кольцо распределения потока 14 выполнено из композитного, магнитно-мягкого материала (фиг.6), то дополнительный, самый короткий путь, магнитного потока даёт преимущество, поскольку он снижает требование ограничения самого магнитного потока и допускает альтернативный возвратный путь для каждой цепи: магнит 13 обмотка 7 — магнит 13. Полное магнитное сопротивление снижает энергозатраты обмотки 7, которая замкнулась по минимальному пути. Since the flux distribution ring 14 is made of a composite, soft magnetic material (Fig. 6), the additional, shortest path of the magnetic flux is advantageous, since it reduces the requirement for limiting the magnetic flux itself and allows an alternative return path for each circuit: magnet 13 winding 7 - magnet 13. The total magnetic resistance reduces the energy consumption of the winding 7, which is closed along the minimum path.
Для обеспечения герметичности соединений корпуса соединительного наружного 5 и корпуса соединительного внутреннего 6 с корпусами статора 3 и 4 установлены кольца 21. To ensure the tightness of the connections of the outer connecting body 5 and the inner connecting body 6 with the stator bodies 3 and 4, rings 21 are installed.
Всю конструкцию, образующую двигатель, щиты подшипниковые 1 и 2, корпуса статора 3 и 4, корпуса соединительные 5 и 6 связывают шпильки 22. Кроме того на корпусах статоров 3 и 4 установлена коробка выводов 23 для связи обмоток 7 с блоком управления двигателем. The entire structure forming the motor, bearing shields 1 and 2, stator housings 3 and 4, connecting housings 5 and 6 are connected by pins 22. In addition, a terminal box 23 is installed on the stators housings 3 and 4 to connect the windings 7 with the engine control unit.
Следует отметить, что осевая сила, приложенная к каждому ротору, благодаря магнитам оказывается существенной, и она увеличивается, если воздушный зазор уменьшается, и может быть порядка 7500Н на ротор. В результате этого, осевая поддержка роторов чрезвычайно важна и, таким образом, подшипники 10 между статорами 4 и 5 и роторами 11 и 12 обеспечат жёсткую и надёжную реакцию на эту силу. It should be noted that the axial force applied to each rotor is significant due to the magnets, and it increases if the air gap decreases, and can be on the order of 7500N per rotor. As a result, the axial support of the rotors is extremely important and thus the bearings 10 between stators 4 and 5 and rotors 11 and 12 will provide a rigid and reliable response to this force.
Если роторы идеально расположены с обеих сторон статора, то осевая сила оказывается нулевой, но для достижения этого требуется применять жесткие конструктивные допуски и обеспечить плотную сборку подшипников 10 с валом 9, что может потребовать увеличение стоимости сборочных работ. If the rotors are ideally located on both sides of the stator, then the axial force is zero, but this requires tight design tolerances and tight assembly of the bearings 10 to the shaft 9, which may require increased assembly costs.
Как указывалось ранее — кольцо распределения потоков 14 и сердечники 8 в представленном изобретении, изготовлены из композитного, магнитно-мягкого материала, методами порошковой металлургии. В некоторых исполнениях допустимо также комбинирование и изготовление из электротехнической стали. Мягкие магнитные материалы используются для различных применений, таких как материалы сердечника в катушках индуктивности, статорах и роторах для электрических машин, приводов, датчиков и сердечников трансформаторов. Традиционно магнитно-мягкие сердечники, такие как роторы и статоры в электрических машинах, изготавливаются из многослойных стальных ламинатов. Магнитно-мягкие композиты могут быть основаны на магнитно-мягких частицах, обычно на основе железа, с электроизоляционным покрытием на каждой частице. Формование происходит путём уплотнения изолированных частиц вместе со смазочными материалами и (или) связующими веществами с использованием традиционного процесса порошковой металлургии. Используя данную технологию можно изготавливать такие компоненты с большей степенью свободы при проектировании. As mentioned earlier, the flow distribution ring 14 and the cores 8 in the presented invention are made of a composite, soft magnetic material by powder metallurgy methods. In some versions, it is also permissible to combine and manufacture from electrical steel. Soft magnetic materials are used for a variety of applications such as core materials in inductors, stators and rotors for electrical machines, drives, sensors and transformer cores. Traditionally, soft magnetic cores such as rotors and stators in electrical machines are made from multilayer steel laminates. Soft magnetic composites can be based on soft magnetic particles, usually iron based, with an electrically insulating coating on each particle. Molding takes place by compacting isolated particles together with lubricants and / or binders using a traditional powder metallurgy process. Using this technology, such components can be manufactured with a greater degree of design freedom.
Настоящее изобретение относится к использованию магнитно-мягкого композитного порошка на основе железа, частицы которого покрыты тщательно отобранным покрытием, придающим свойства материала, подходящие для производства сердечников статоров электродвигателей. Индуктор или сердечник представляет собой пассивный электрический компонент, который может накапливать энергию в форме магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим через указанный компонент. Способность индукторов накапливать энергию, индуктивность «L» измеряется в Генри «Н». Обычно индуктор представляет собой изолированный провод, намотанный в виде катушки. Электрический ток, протекающий через витки катушки, создает магнитное поле вокруг катушки, при этом напряженность поля пропорциональна току и единице витков (длинны катушки). Переменный ток создаст переменное магнитное поле, которое будет индуцировать напряжение, противодействующее изменению тока, который его создал. The present invention relates to the use of a soft magnetic iron-based composite powder, the particles of which are coated with a carefully selected coating that imparts material properties suitable for the production of motor stator cores. An inductor or core is a passive electrical component that can store energy in the form of a magnetic field created by an electric current passing through the component. The ability of inductors to store energy, inductance "L" is measured in Henry "H". Typically, an inductor is an insulated wire wound in a coil. The electric current flowing through the turns of the coil creates a magnetic field around the coil, the field strength being proportional to the current and the unit of turns (coil length). The alternating current will create an alternating magnetic field that will induce a voltage that opposes the change in the current that created it.
Индукторы с ферромагнитным сердечником или железным сердечником используют магнитный сердечник, изготовленный из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо или феррит, для увеличения индуктивности катушки на несколько тысяч за счет увеличения магнитного поля из-за более высокой проницаемости материала сердечника. Ferromagnetic or iron core inductors use a magnetic core made of a ferromagnetic or ferrimagnetic material such as iron or ferrite to increase the inductance of the coil by several thousand by increasing the magnetic field due to the higher permeability of the core material.
Магнитная проницаемость, «Р», материала является показателем его способности переносить магнитный поток или его способности намагничиваться. Проницаемость определяется как отношение индуцированного магнитного потока «В» и, измеренного в ньютонах/ампераххметр или в вольтаххсекундах/метр2 к силе намагничивания или напряженности поля, обозначенного «Н» и измеренного в амперах/метр (А/м). Следовательно, магнитная проницаемость имеет размерность вольтхсекунда/амперх метр. Обычно магнитная проницаемость выражается как относительная проницаемость цг=р/цО, относительно проницаемости свободного пространства, p0=4xIIx10-7-Vs/Am. The permeability, "P", of a material is a measure of its ability to carry magnetic flux or its ability to be magnetized. Permeability is defined as the ratio of the induced magnetic flux "B" and measured in newtons / amperes x meter or in volts x seconds / meter 2 to the magnetizing force or field strength indicated by "H" and measured in amperes / meter (A / m). Therefore, magnetic permeability is measured in volts x second / ampere x meter. Usually, the magnetic permeability is expressed as the relative permeability cg = p / cO, relative to the permeability of free space, p0 = 4 x II x 10-7-Vs / Am.
Одним из важных параметров для улучшения характеристик магнитно- мягкого компонента является снижение его характеристик потерь в сердечнике. Когда магнитный материал подвергается воздействию переменного поля, потери энергии происходят как из-за потерь на гистерезис, так и из-за потерь на вихревые токи. Потеря гистерезиса пропорциональна частоте переменных магнитных полей, тогда как потеря вихревых токов пропорциональна квадрату частоты. One of the important parameters for improving the characteristics of the soft magnetic component is to reduce its core loss characteristics. When a magnetic material is exposed to an alternating field, energy losses occur due to both hysteresis losses and eddy current losses. The loss of hysteresis is proportional to the frequency of alternating magnetic fields, while the loss of eddy currents is proportional to the square of the frequency.
Таким образом, на высоких частотах потеря вихревых токов имеет большое значение, что необходимо учитывать, с целью уменьшения потерь на вихревые токи и поддержание при этом низкого уровня гистерезисных потерь. Это подразумевает, что желательно увеличить удельное сопротивление магнитных сердечников. Thus, at high frequencies, the eddy current loss is of great importance, which must be taken into account in order to reduce eddy current losses and maintain a low level of hysteresis losses. This implies that it is desirable to increase the resistivity of the magnetic cores.
В поисках путей улучшения удельного сопротивления были использованы и предложены различные методы. Эти способы основаны на нанесении электроизоляционных покрытий или пленок на частицы порошка до того, как эти частицы будут подвергнуты уплотнению. В настоящее время существует большое количество патентных публикаций, в которых описаны различные типы электроизоляционных покрытий. In search of ways to improve the resistivity, various methods have been used and proposed. These methods rely on the application of electrically insulating coatings or films to the powder particles before the particles are compacted. Currently, there are a large number of patent publications that describe various types of electrical insulating coatings.
Преимущества композитного, магнитного материала перед электротехнической сталью неоспоримо и обеспечивает самое широкое его применение в электрических машинах повышенной удельной мощности, в особенности с высокой скоростью вращения, где электротехнические стали имеют большие потери. The advantages of a composite, magnetic material over electrical steel are undeniable and provide the widest application in electrical machines with increased power density, especially with high rotation speeds, where electrical steel has large losses.
Работа электрической машины. Electric machine operation.
При подаче синусоидального напряжения на обмотки 7 статоров 3 и 4 машины в сердечниках 8 возникает вращающееся относительно оси вала 9 роторов 11 и 12 электромагнитное поле с частотой питания от блока питания. Электромагнитное поле через рабочие зазоры между сердечниками 8 и постоянными магнитами 13 через кольцо распределения потоков 14 проникает и взаимодействует с силовыми полями постоянных магнитов 13, обеспечивая появление вращающего момента на роторах 11 и 12. Величина вращающего момента на роторах 11 и 12 зависит от величины тока подаваемого в обмотки 7. Число оборотов вала 9 с роторами 11 и 12 зависит от частоты синусоидального напряжения подаваемого на обмотки 7 статоров машины. Как правило, высокая величина вращающего момента необходима на низких оборотах вращения вала 9, а, следовательно, через обмотки 7 проходят токи высоких значений с результатом нагрева медных проводов обмотки 7. Тепло с обмоток 7 передается на сердечники 8, корпуса статора 3 и 4 и в жидкость в объемах 15 и 16, что, в общем, вызывает подъем температуры всех деталей машины. Тепло в соответствии с законом теплопередачи нагреет жидкость, расположенную в объемах 15 и 16 и вокруг обмоток 7, и кольца 14. Жидкость постоянно перекачивается насосом блока охлаждения через штуцера 17 и 18 через объем для поступающей жидкости 15 и объем 16 для жидкости после сбора тепла с обмоток и сердечников, где излишнее тепло удаляется затем потоком воздуха от вентилятора блока охлаждения (на рисунках не показано), тем самым обеспечивается температурный режим машины в необходимом диапазоне. При работе на высоких величинах оборотов роторов 11 и 12 токи в обмотках 7, как правило, уменьшаются и тепловые потоки от резистивного сопротивления меди обмоток 7 снижаются, но из-за роста частоты магнитных потоков за счет индукционного нагрева от обмоток 7 растет температура сердечников 8 и роторов 11 и 12. Жидкость в объемах 15 и 16 обеспечивает снос тепла от индукционного нагрева сердечников 8. При этом увеличение теплового потока от индукционного нагрева сердечников 8 и кольца распределения потоков 14, при увеличении частоты вращения роторов, вызовет увеличение потока охлаждающей жидкости от блока охлаждения и снизит растущее накопление тепла в материале сердечников 8 кольца 14. When a sinusoidal voltage is applied to the windings 7 of the stators 3 and 4 of the machine in the cores 8, an electromagnetic field rotating relative to the axis of the shaft 9 of the rotors 11 and 12 appears with a frequency of supply from the power supply. The electromagnetic field through the working gaps between the cores 8 and permanent magnets 13 through the flow distribution ring 14 penetrates and interacts with the force fields of permanent magnets 13, providing the appearance of a torque on the rotors 11 and 12. The magnitude of the torque on the rotors 11 and 12 depends on the value of the current supplied to the windings 7. The number of revolutions of the shaft is 9 s rotors 11 and 12 depends on the frequency of the sinusoidal voltage applied to the stator windings 7 of the machine. As a rule, a high value of torque is required at low rotational speeds of shaft 9, and, therefore, currents of high values pass through the windings 7 with the result of heating the copper wires of the winding 7. Heat from the windings 7 is transferred to the cores 8, the stator housings 3 and 4 and into liquid in volumes 15 and 16, which, in general, causes a rise in the temperature of all parts of the machine. Heat, in accordance with the law of heat transfer, heats the liquid located in the volumes 15 and 16 and around the windings 7 and the ring 14. The liquid is constantly pumped by the pump of the cooling unit through the nozzles 17 and 18 through the volume for the incoming liquid 15 and the volume 16 for the liquid after collecting heat from windings and cores, where excess heat is then removed by the air flow from the fan of the cooling unit (not shown in the figures), thereby ensuring the temperature regime of the machine in the required range. When operating at high speeds of the rotors 11 and 12, the currents in the windings 7, as a rule, decrease and the heat fluxes from the copper resistive resistance of the windings 7 decrease, but due to an increase in the frequency of magnetic fluxes due to induction heating from the windings 7, the temperature of the cores 8 increases and rotors 11 and 12. Liquid in volumes 15 and 16 provides heat transfer from induction heating of cores 8. At the same time, an increase in heat flux from induction heating of cores 8 and flow distribution ring 14, with an increase in the rotational speed of the rotors, will cause an increase in the flow of coolant from the cooling unit and will reduce the increasing heat build-up in the material of the cores 8 of the ring 14.
Расположение полостей с объемом для жидкости по всем корпусам статора 3 и 4 по корпусу соединительному наружному 5 и корпусу соединительному внутреннему 6 позволяет производить максимально- эффективное охлаждение как внутри наиболее нагревающихся элементов обмотки 7, так и снаружи. The location of cavities with a volume for liquid in all stator housings 3 and 4 along the outer connecting body 5 and the inner connecting body 6 allows for the most efficient cooling both inside the most heating elements of the winding 7 and outside.
При работе (Фиг.6) в каждом сердечнике 8 возникает магнитный поток создаваемый обмотками 7. Магнитный поток замыкается через магниты, пересекая при этом зазоры между сердечниками 8 и магнитами 13, где и возникает в соответствии с законом Ома сдвигающая сила, создающая на роторах 11 и 12 крутящий момент, который передается на вал 9 и используется по назначению машины. В предлагаемой схеме магнитные потоки противолежащих сердечников 8 складываются, пересекая кольцо распределения потоков 14. Схема работает при номинально одинаковых размерах рабочих зазоров (Sa=Sd=Sb=Sg). During operation (Fig. 6) in each core 8 there is a magnetic flux created by the windings 7. The magnetic flux is closed through the magnets, while crossing the gaps between the cores 8 and the magnets 13, where a shear force arises in accordance with Ohm's law, which creates a torque on the rotors 11 and 12, which is transmitted to the shaft 9 and is used for the intended purpose of the machine. In the proposed scheme, the magnetic fluxes of the opposing cores 8 are added, crossing the flux distribution ring 14. The scheme operates at nominally identical working clearances (Sa = Sd = Sb = Sg).
Однако, из-за погрешностей при сборке, изготовлении роторов, температурных деформаций, зазоры между сердечниками 8 и магнитами 13 в рамках одного оборота вала 9 могут изменяться. Величина зазора влияет не только на величину сопротивления магнитному потоку, но и является определяющим величину крутящего момента на валу. В итоге, при увеличении зазора возрастает сопротивление магнитному потоку и, кроме этого, падает величина создаваемого крутящего момента на валу 9, а при уменьшении зазора — уменьшается сопротивление магнитному потоку, создаваемому в сердечниках, но увеличивается величина создаваемого крутящего момента на валу 9. However, due to errors in assembly, manufacturing of rotors, temperature deformations, the gaps between the cores 8 and the magnets 13 within one revolution of the shaft 9 may change. The size of the gap affects not only the magnitude of the resistance to magnetic flux, but also determines the amount of torque on the shaft. As a result, with an increase in the gap, the resistance to the magnetic flux increases and, in addition, the value of the created torque on the shaft 9 decreases, and with a decrease in the gap, the resistance to the magnetic flux created in the cores decreases, but the value of the created torque on the shaft 9 increases.
Таким образом, благодаря расположению потокоделительного кольца 14 между сердечниками 8, получаем возможность регулирования величины магнитных потоков через зазоры. Thus, due to the location of the flux dividing ring 14 between the cores 8, we obtain the ability to control the magnitude of the magnetic fluxes through the gaps.
Зазоры (Sb+ Sg) больше чем (Sa+Sd). Магнитные потоки от обоих сердечников «F1» и «F3» пересекают (Sb+ Sg) и (Sa+Sd), а поток от сердечников «F2 и «F4» из-за низкого сопротивления потокам замкнется через материал кольца 14 с результатом дополнительного создания крутящего момента на валу 9 ввиду замыкания по малому кругу (малое сопротивление магнитному потоку). The clearances (Sb + Sg) are larger than (Sa + Sd). Magnetic fluxes from both cores "F1" and "F3" intersect (Sb + Sg) and (Sa + Sd), and the flux from cores "F2 and" F4 ", due to the low resistance to fluxes, will be closed through the material of the ring 14 with the result of additional creation of a torque moment on shaft 9 due to a short circuit (low resistance to magnetic flux).
Вывод: При неравенствах величин зазоров наиболее близкие к зазорам сердечники замкнутся через кольцо 14 и уменьшенные рядом лежащие зазоры, что снизит энергетические затраты сердечников с результатом увеличения величины крутящего момента на валу 9 от данной группы сердечников. Крутящий момент на валу 9 обратно пропорционален квадрату величины зазора. Такой результат получается в результате усиления потока при малом сопротивлении самому потоку малого круга. Conclusion: With inequalities in the values of the gaps, the cores closest to the gaps will close through the ring 14 and the smaller adjacent gaps, which will reduce the energy consumption of the cores as a result of an increase in the torque on the shaft 9 from this group of cores. The torque on the shaft 9 is inversely proportional to the square of the clearance. This result is obtained as a result of increased flow with low resistance to the small circle flow itself.
При пуске синхронных двигателей, к которым относится данная электрическая машина, выполненная согласно изобретению, пусковой ток в обмотке статора возрастает в 5-7 раз по сравнению с номинальным. При продолжительной работе на таком режиме на низких или близких около нуля числе оборотов происходит сильный перегрев обмоток вплоть до выхода из строя двигателя. When starting synchronous motors, to which this electric machine, made according to the invention belongs, the starting current in the stator winding increases 5-7 times compared to the nominal. With prolonged operation in this mode at low or close to zero speed, strong overheating of the windings occurs until the engine fails.
Предложенное изобретение благодаря эффективному интенсивному охлаждению участков с высокой концентрацией тепловой энергии и уменьшенными потерями магнитных потоков сердечников позволит увеличить мощность и крутящий момент электрической машины для использования ее при работе на низких оборотах с большой продолжительностью пусковых нагрузок. The proposed invention, due to the effective intensive cooling of areas with a high concentration of thermal energy and reduced losses of magnetic fluxes of the cores, will increase the power and torque of an electric machine for use when operating at low speeds with a long duration of starting loads.
Изобретение относится к области электротехники и касается выполнения электрических машин, заполненных охлаждающей жидкостью, преимущественно синхронных двигателей, и может быть использовано в электроприводе систем с большой продолжительностью пусковых нагрузок при работе на низких оборотах, например в транспортной технике, генераторном оборудовании гидро и ветро установок. The invention relates to the field of electrical engineering and concerns the execution of electrical machines filled with a coolant, mainly synchronous motors, and can be used in the electric drive of systems with a long duration of starting loads when operating at low speeds, for example, in transport equipment, generating equipment for hydro and wind installations.
Электрическая машина может быть использована для приводов полностью электрических и гибридных транспортных средств. The electric car can be used to drive all-electric and hybrid vehicles.
Цель изобретения — упрощение конструкции и улучшение качества охлаждения обмоток и сердечников, уменьшения потерь магнитных потоков с снижением тепловых потер двигателя в целом. The purpose of the invention is to simplify the design and improve the quality of cooling of the windings and cores, reduce the losses of magnetic fluxes with a decrease in thermal losses of the motor as a whole.
Технический результат — повышенная удельная мощность и удельный крутящий момент электрической машины. Обеспечение ее работы при этом как на малом числе оборотов с большой продолжительностью и частым повторением пусковых нагрузок, так и высоком числе оборотов ротора путем эффективного охлаждения, активно нагревающихся элементов электрической машины во всем диапазоне возможного числа оборотов ротора. The technical result is an increased specific power and specific torque of an electric machine. Ensuring its operation at the same time both at a low number of revolutions with a long duration and frequent repetition of starting loads, and at a high number of rotor revolutions by efficient cooling of actively heating elements of an electric machine in the entire range of possible rotor revolutions.
Ссылки Links
[1] TJ Woolmer и MD McCulloch "Analysis of the Yokeless and Segmented Armature Machine", International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC) Международные Электрические Машины и Конференция Дисков (IEMDC), 3-5 May 2007; [1] TJ Woolmer and MD McCulloch "Analysis of the Yokeless and Segmented Armature Machine", International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC) International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC), 3-5 May 2007;
[2] Патент РФ 2551844 С2 [2] RF Patent 2551844 C2

Claims

Формула изобретения. Claim.
1. Электрическая машина, содержащая размещенный в кольцеобразном корпусе статор с сердечниками с полюсными наконечниками, которые расположены с интервалами по окружности между внутренним и наружным соединительными корпусами, образуя полое пространство вокруг оси машины для циркуляции охлаждающей жидкости, на каждом из которых намотана обмотка, и два ротора, установленных на валу с возможностью вращения относительно статора вокруг оси машины, каждый из которых содержит набор постоянных магнитов, расположенных с интервалами по окружности, первый ротор расположен с одной стороны статора на расстоянии от полюсных наконечников сердечников, образуя между статором и первым ротором осевой зазор, а второй ротор расположен на противоположной стороне статора на расстоянии от полюсных наконечников сердечников, образуя между статором и вторым ротором осевой зазор, причем набор постоянных магнитов каждого ротора расположен на его стороне, обращенной к статору, отличающаяся тем, что между сердечниками статора установлено потокоделительное кольцо, которое делит полое пространство статора на пространство для жидкости охлаждающей обмотки и пространство для сбора жидкости с теплом, полученным от обмоток статора, причем каждый сердечник формуется, по меньшей мере, из двух частей, соединяемых между собой торцами потокоделительного кольца. 1. An electrical machine containing a stator placed in a ring-shaped housing with cores with pole pieces, which are located at intervals around the circumference between the inner and outer connecting bodies, forming a hollow space around the machine axis for circulation of coolant, on each of which a winding is wound, and two rotor mounted on the shaft with the possibility of rotation relative to the stator around the machine axis, each of which contains a set of permanent magnets spaced at intervals around the circumference, the first rotor is located on one side of the stator at a distance from the pole pieces of the cores, forming an axial gap between the stator and the first rotor , and the second rotor is located on the opposite side of the stator at a distance from the pole pieces of the cores, forming an axial gap between the stator and the second rotor, and a set of permanent magnets of each rotor is located on its side facing the stator, characterized in that between the cores and a stator, a flow-dividing ring is installed, which divides the stator hollow space into a space for liquid in the cooling winding and a space for collecting liquid with heat received from the stator windings, each core being formed from at least two parts connected by the ends of the flow-dividing ring.
2. Электрическая машина по п.1, в которой внутренний и наружный, относительно сердечников статора, соединительные корпуса цилиндрообразные, герметично закреплены между корпусами статора, которые установлены на монтажной поверхности подшипниковых щитов машины. 2. An electric machine according to claim 1, wherein the inner and outer, with respect to the stator cores, are cylindrical connecting housings, hermetically fixed between the stator housings, which are mounted on the mounting surface of the machine end shields.
3. Электрическая машина по п.2, содержащая потокоделительное кольцо, которое обеспечивает перенаправление магнитных потоков сердечников статора в сторону зазоров между постоянными магнитами ротора и сердечниками статора, величина зазора определена меньше установленной номинальной величины зазора, при этом обеспечивается дополнительный крутящий момент на роторе за счет малых зазоров (крутящий момент по величине обратно пропорционален квадрату величины зазора). 3. An electric machine according to claim 2, comprising a flux-dividing ring, which redirects the magnetic fluxes of the stator cores towards the gaps between the permanent magnets of the rotor and the stator cores, the gap value is determined to be less than the specified nominal gap value, while providing additional torque on the rotor due to small clearances (torque is inversely proportional to the square of the clearance).
4. Электрическая машина по п.З, в которой потокоделительное кольцо своими поверхностями связано с сердечниками статора сторонами противоположными своим полюсным наконечникам. ^ί?.1(n7m1 /веская машина по любому из пи. 1-4, в кото{?ч£ ?й^91?Й?5л^гактная поверхность ротора расположена в осевом направлении на валу, для определения осевого положения первого ротора, причём вторая контактная поверхность ротора отделена в осевом направлении от первой контактной поверхности ротора, для определения осевого расстояние между первым и вторым роторами и для определения осевых воздушных зазоров между первым ротором и статором и вторым ротором и статором. 4. The electric machine according to claim 3, in which the flux-dividing ring is connected by its surfaces with the stator cores by the sides opposite to its pole pieces. ^ ί? .1 (n7 m 1 / weight machine according to any of pi. 1-4, in which { ? h £? d ^ 91? R? 5 l ^ the active surface of the rotor is located in the axial direction on the shaft, to determine the axial the position of the first rotor, wherein the second rotor contact surface is axially separated from the first rotor contact surface, to determine the axial distance between the first and second rotors and to determine the axial air gaps between the first rotor and stator and the second rotor and stator.
6. Электрическая машина по любому из пп. 1-5, в которой сердечники статора выполнены из магнитно-мягкого композитного порошка на основе железа. 6. Electric machine according to any one of paragraphs. 1-5, in which the stator cores are made of a soft magnetic iron-based composite powder.
7. Электрическая машина по любому из пп. 1-6, представляет собой двигатель или генератор. 7. Electric machine according to any one of paragraphs. 1-6 represents an engine or generator.
PCT/IB2019/059095 2019-10-24 2019-10-24 Electrical machine WO2021079175A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IB2019/059095 WO2021079175A1 (en) 2019-10-24 2019-10-24 Electrical machine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IB2019/059095 WO2021079175A1 (en) 2019-10-24 2019-10-24 Electrical machine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021079175A1 true WO2021079175A1 (en) 2021-04-29

Family

ID=75619831

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/IB2019/059095 WO2021079175A1 (en) 2019-10-24 2019-10-24 Electrical machine

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2021079175A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220200367A1 (en) * 2020-12-22 2022-06-23 Hamilton Sundstrand Corporation Stator for electrical machines

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020067091A1 (en) * 1999-04-06 2002-06-06 Gerald Burt Kliman Axial flux machine and method of fabrication
US20060113856A1 (en) * 2004-11-26 2006-06-01 Fujitsu General Limited Axial air-gap electronic motor
US20070262674A1 (en) * 2006-05-10 2007-11-15 Nissan Motor Co., Ltd. Electric rotary machine
RU2551844C2 (en) * 2010-08-19 2015-05-27 Яса Моторз Лимитед Electrical machine - design with top casting

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020067091A1 (en) * 1999-04-06 2002-06-06 Gerald Burt Kliman Axial flux machine and method of fabrication
US20060113856A1 (en) * 2004-11-26 2006-06-01 Fujitsu General Limited Axial air-gap electronic motor
US20070262674A1 (en) * 2006-05-10 2007-11-15 Nissan Motor Co., Ltd. Electric rotary machine
RU2551844C2 (en) * 2010-08-19 2015-05-27 Яса Моторз Лимитед Electrical machine - design with top casting

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220200367A1 (en) * 2020-12-22 2022-06-23 Hamilton Sundstrand Corporation Stator for electrical machines

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI102864B (en) Electromagnetic converter, anchor for electromagnetic converter and electric motor
US11502570B2 (en) Multi-tunnel electric machine
US5723933A (en) Electronically commutated DC machine
US20220368202A1 (en) Axial flux machine
EP0261953A2 (en) Full flux reversal variable reluctance machine
KR100509381B1 (en) Cage-type induction motor for high rotational speeds
JPS61251459A (en) Permanent magnet variable magnetic reluctance generator
US12021467B2 (en) Reluctance synchronous machines without permanent magnets
WO2001076039A2 (en) Electromagnetic apparatus employing high permeability low conductivity element
WO2007061210A1 (en) Induction motor utilizes magnetic fluxes of end-turns of stator
CN112994390A (en) Birotor radial permanent magnet motor
WO2021079175A1 (en) Electrical machine
US2539747A (en) High-speed rotor for dynamoelectric machines
CN107836070B (en) Electromagnetic armature for rotating electrical machine and method for manufacturing same
CN114876955B (en) Magnetic suspension bearing and compressor
WO2011055124A1 (en) Electrical machines
US9755465B2 (en) Method for manufacturing a rotor of a synchronous reluctance motor, a rotor of a synchronous reluctance motor, and a synchronous reluctance motor
CN116488393A (en) Electromagnetic structure of double-iron-core homopolar inductor motor for flywheel energy storage
EP0522015B1 (en) Method of making an electromagnetic transducer
JP6917363B2 (en) Unipolar composite asynchronous motor
CA3153688A1 (en) Three-phase asynchronous electric machine and method of manufacture thereof
US12015316B2 (en) High temperature and high power density axial flux motor
EP4170869A1 (en) High temperature and high power density axial flux motor
CA3141849C (en) Brushless electrical machine with permanent magnet excitation
CN209982197U (en) Like-pole excitation motor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19949958

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 26.08.2022)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19949958

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1