Область техники

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».

Предшествующий уровень техники

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Краткое изложение существа изобретения.

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.

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;

Электрическая машина представляет собой двигатель или генератор.

Изобретение поясняется чертежами:

На фиг.1 изображена электрическая машина с постоянными магнитами;

На фиг.2- разрез по оси двигателя и по оси всасывающего штуцера;

На фиг.З- разрез А- А по оси двигателя и по оси нагнетающего штуцера;

На фиг.4- разрез по оси коробки выводов оси штуцеров: нагнетающего и всасывающего;

На фиг.5- разрез по оси двигателя и коробке выводов;

На фиг.6- схема магнитных потоков по сердечникам и кольцу, между обмотками и магнитами;

На фиг.7- разрез Б-Б по оси толщин постоянных магнитов;

На указанных чертежах используются следующие обозначения:

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Для обеспечения герметичности соединений корпуса соединительного наружного 5 и корпуса соединительного внутреннего 6 с корпусами статора 3 и 4 установлены кольца 21.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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/амперах ^х метр или в вольтах ^х секундах/метр ² к силе намагничивания или напряженности поля, обозначенного «Н» и измеренного в амперах/метр (А/м). Следовательно, магнитная проницаемость имеет размерность вольт ^х секунда/ампер ^х метр. Обычно магнитная проницаемость выражается как относительная проницаемость цг=р/цО, относительно проницаемости свободного пространства, 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.

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.

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.

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.

Работа электрической машины.

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.

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.

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).

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.

Таким образом, благодаря расположению потокоделительного кольца 14 между сердечниками 8, получаем возможность регулирования величины магнитных потоков через зазоры.

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).

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.

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.

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.

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.

Электрическая машина может быть использована для приводов полностью электрических и гибридных транспортных средств.

Цель изобретения — упрощение конструкции и улучшение качества охлаждения обмоток и сердечников, уменьшения потерь магнитных потоков с снижением тепловых потер двигателя в целом.

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.

Ссылки

[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;

[2] Патент РФ 2551844 С2