RU2138110C1

RU2138110C1 - Stator of permanent-magnet machine

Info

Publication number: RU2138110C1
Application number: RU97120858/09A
Authority: RU
Inventors: Ю.Б. Казаков; Ю.Я. Щелыкалов
Original assignee: Ивановский государственный энергетический университет
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1999-09-20

Abstract

FIELD: electric drives. SUBSTANCE: stator has core whose outer surface is round. Radially magnetized permanent magnets form main poles. They are curvilinear pentagons in cross-section which are fixed in triangular depressions whose quantity depends on number of poles on cylindrical inner surface of stator core. Inner and outer surfaces of the latter do not intersect and form jumpers along pole axes thinner than jumpers along axes of commutating poles; inner surface of stator forms circumference in cross-section. In this way, magnetic field in air gap approaches sine-wave shape; demagnetization of permanent magnets due to armature reaction fluxes is reduced; magnets are precisely positioned on stator and reliably secured in position due to enlarged area of their attachment and physical impediment to their tangential shift; magnet space in machine is enlarged thereby raising its energy. EFFECT: improved commutation and utilization of inner space of machine. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции магнитоэлектрических машин постоянного тока. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to the design of magnetoelectric DC machines.

Известен статор машины постоянного тока с электромагнитным возбуждением, взятый в качестве аналога, который содержит сердечник с неявно выраженными полюсами, внешняя поверхность которого в поперечном сечении выполнена в виде многоугольника с числом сторон, равным числу полюсов, а оси главных полюсов пересекают середины сторон многоугольника. Такая конструкция позволяет создать повышенное магнитное сопротивление статора для потоков реакции якоря, улучшить коммутацию и снизить габариты машины. A known stator of a direct current machine with electromagnetic excitation, taken as an analogue, which contains a core with implicit poles, the outer surface of which in cross section is made in the form of a polygon with the number of sides equal to the number of poles, and the axis of the main poles intersect the midpoints of the sides of the polygon. This design allows you to create increased stator magnetic resistance for the armature reaction flows, improve switching and reduce the dimensions of the machine.

Известен статор двигателя постоянного тока с постоянными магнитами, взятый в качестве прототипа, у которого радиально намагниченные магниты в форме сегментов кольца прикрепляются к цилиндрической внутренней поверхности сердечника статора. Постоянные магниты образуют главные полюса и заменяют обмотку возбуждения, что исключает расход меди на нее и электрические потери в ней. A known stator of a DC motor with permanent magnets, taken as a prototype, in which radially magnetized magnets in the form of ring segments are attached to the cylindrical inner surface of the stator core. Permanent magnets form the main poles and replace the field winding, which eliminates the consumption of copper on it and electrical losses in it.

Однако в такой конструкции не учитывается распределенность и неподвижность магнитного поля в сердечнике статора. Элементы сердечника по оси главного полюса насыщены магнитным потоком постоянного магнита незначительно, а по оси дополнительного полюса - предельно. Поток реакции якоря в такой конструкции достигает существенной величины, он ухудшает коммутацию и оказывает размагничивающее действие на постоянный магнит. При определенной степени размагничивания постоянного магнита наступает необратимое снижение его магнитных свойств. Форма поля в зазоре близка к прямоугольной. Применение постоянных магнитов с высокими магнитными свойствами, например на основе NdFeB, приводит к снижению размеров магнита и, следовательно, требует повышения точности позиционирования его на цилиндрической внутренней поверхности сердечника статора. Меньшая поверхность крепления магнита при прежнем усилии тангенциального смещения вызывает необходимость повышения надежности крепления. В конструкции нет элементов, препятствующих тангенциальному сдвигу магнита от вращающего момента. However, this design does not take into account the distribution and immobility of the magnetic field in the stator core. The core elements along the axis of the main pole are slightly saturated with the magnetic flux of the permanent magnet, and to the maximum along the axis of the additional pole. The reaction flow of the armature in this design reaches a significant value, it worsens the switching and has a demagnetizing effect on the permanent magnet. With a certain degree of demagnetization of a permanent magnet, an irreversible decrease in its magnetic properties occurs. The shape of the field in the gap is close to rectangular. The use of permanent magnets with high magnetic properties, for example, based on NdFeB, reduces the size of the magnet and, therefore, requires increasing the accuracy of its positioning on the cylindrical inner surface of the stator core. The smaller surface of the magnet attachment with the same tangential displacement force necessitates an increase in the attachment reliability. There are no elements in the structure that prevent the tangential shift of the magnet from torque.

Технический результат изобретения заключается в том, чтобы оставить все положительные черты аналога и прототипа, а именно магнитоэлектрическое возбуждение, увеличенное магнитноe сопротивление на пути потоков реакции якоря, улучшение коммутации; но и получить эффект, превосходящий суммарный от объединения этих черт за счет снижения степени размагничивания магнита потоками реакции якоря, точного позиционирования магнитов на статоре, надежного крепления магнитов путем увеличения площади крепления и конструктивного препятствования тангенциальному сдвигу, приближения формы магнитного поля в зазоре к синусоидальной, повышения объема магнита и как следствие увеличение его энергии, то есть повышение использования внутреннего объема машины. The technical result of the invention is to leave all the positive features of the analogue and prototype, namely magnetoelectric excitation, increased magnetic resistance in the path of the armature reaction flows, improved switching; but also to obtain an effect that is superior to the combined effect of combining these features by reducing the degree of magnetization demagnetization by the armature reaction fluxes, precise positioning of the magnets on the stator, reliable mounting of the magnets by increasing the mounting area and constructive obstruction of the tangential shift, approximating the shape of the magnetic field in the gap to the sinusoidal, increasing the volume of the magnet and, as a consequence, an increase in its energy, that is, an increase in the use of the internal volume of the machine.

Это достигается тем, что на внутренней цилиндрической поверхности сердечника статора выполнены треугольные выемки по числу полюсов машины. Постоянные радиально намагниченные магниты имеют форму криволинейных пятиугольников, фиксируются в этих выемках и образуют главные полюса, причем через вершины выемок проходят оси главных полюсов. В целом сердечник и магниты образуют внутреннюю поверхность статора в форме окружности. Внешняя поверхность статора в поперечном сечении может быть выполнена в форме окружности или правильного многоугольника с числом сторон, кратным числу полюсов. Внешняя и внутренняя поверхности сердечника статора не пересекаются и формируют толщину сердечника по осям главных полюсов (перемычку) тоньше, чем толщина сердечника по осям дополнительных полюсов. Толщина сердечника по осям главных полюсов определяется механической прочностью статора и требуемым магнитным сопротивлением потокам реакции якоря, а по осям дополнительных полюсов - магнитным сопротивлением потоку главныx полюсов. This is achieved by the fact that on the inner cylindrical surface of the stator core triangular recesses are made according to the number of poles of the machine. Permanent radially magnetized magnets have the shape of curved pentagons, are fixed in these recesses and form the main poles, and the axes of the main poles pass through the vertices of the recesses. In general, the core and magnets form the inner surface of the stator in the shape of a circle. The outer surface of the stator in cross section can be made in the form of a circle or a regular polygon with the number of sides multiple of the number of poles. The outer and inner surfaces of the stator core do not intersect and form the core thickness along the axes of the main poles (jumper) thinner than the core thickness along the axes of the additional poles. The core thickness along the axes of the main poles is determined by the mechanical strength of the stator and the required magnetic resistance to the armature reaction flows, and along the axes of the additional poles by the magnetic resistance to the flow of the main poles.

Эта конструкция отличается от прототипа тем, что в нем не применялись треугольные выемки на внутренней цилиндрической поверхности сердечника статора по числу полюсов и с осями главных полюсов, проходящих через вершины выемок, а также магниты в форме криволинейных пятиугольников, фиксируемые в этих выемках. Такая конструкция ранее не использовалась и поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". This design differs from the prototype in that it did not use triangular recesses on the inner cylindrical surface of the stator core in the number of poles and with the axes of the main poles passing through the tops of the recesses, as well as magnets in the form of curved pentagons fixed in these recesses. Such a design has not been previously used and therefore the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой показано поперечное сечение четырехполюсной магнитоэлектрической машины предлагаемой конструкции с внешней поверхностью сердечника статора 1 в виде окружности. Показаны радиально намагниченный магнит в форме криволинейного пятиугольника 2, образующий главный полюс, и треугольная выемка 3, в которой он фиксируется. Помечены перемычки по осям главного и дополнительного полюсов, соответственно 4 и 5. Показаны силовая линия потока реакции якоря 6, созданная током обмотки якоря 7, и силовая линия потока постоянного магнита 8. При определенных значениях глубины и углового раствора треугольных выемок, если это допускается внешним размером статора, грани выемок могут соединяться и образовывать внутреннюю поверхность сердечника статора в поперечном сечении в виде правильного многоугольника (фиг. 2а) или звезды (фиг. 2б), с числом лучей, равным числу полюсов. Но оба эти случая являются частными примерами более общей конфигурации внутренней поверхности сердечника статора, полученной путем выполнения треугольных выемок на цилиндрической внутренней поверхности. При уменьшении толщины криволинейного пятиугольного магнита его форма может в пределе преобразоваться в криволинейный треугольник. Но такая форма магнита нецелесообразна из-за малой механической прочности тонких краев магнита и соответственно их малой намагничивающей силы, вследствие чего возможно их размагничивание потоками реакции якоря. The invention is illustrated in FIG. 1, which shows a cross section of a four-pole magnetoelectric machine of the proposed design with the outer surface of the core of the stator 1 in the form of a circle. Shown are a radially magnetized magnet in the form of a curved pentagon 2 forming the main pole, and a triangular recess 3 in which it is fixed. The jumpers are marked along the axes of the main and additional poles, respectively 4 and 5. The force line of the armature reaction stream 6, created by the armature winding current 7, and the power line of the permanent magnet flux 8 are shown. For certain depths and angular solution of triangular recesses, if external allows the size of the stator, the edges of the recesses can connect and form the inner surface of the stator core in cross section in the form of a regular polygon (Fig. 2a) or star (Fig. 2b), with the number of rays equal to the number of poles. But both of these cases are particular examples of a more general configuration of the inner surface of the stator core obtained by making triangular recesses on the cylindrical inner surface. With a decrease in the thickness of the curved pentagonal magnet, its shape can ultimately be transformed into a curved triangle. But such a form of the magnet is impractical due to the low mechanical strength of the thin edges of the magnet and, accordingly, their small magnetizing force, as a result of which it is possible to demagnetize by the flow of the armature reaction.

Тонкие ферромагнитные перемычки по осям главных полюсов не оказывают влияния на магнитный поток магнита так как он замыкается не через них, а через перемычки сердечника статора по осям дополнительных полюсов, имеющие максимальное сечение. Более того, распределенный поток постоянного магнита создает в спинке статора переменного сечения равномерное насыщение, повышая использование стали. Намагничивающая сила обмотки якоря действует по оси щеток, и ее вектор сдвинут по отношению к вектору намагничивающей силы постоянного магнита под углом 90 электрических градусов, если щетки расположены на геометрической нейтрали. Поток реакции якоря проходит не через магнит, имеющий низкую магнитную проницаемость, близкую к магнитной проницаемости воздуха, а через тонкую ферромагнитную перемычку по оси главного полюса и насыщает ее. Создается большое магнитное сопротивление, и поток реакции якоря ослабляется. Следовательно, облегчается процесс коммутации. Thin ferromagnetic jumpers along the axes of the main poles do not affect the magnetic flux of the magnet, since it closes not through them, but through the jumpers of the stator core along the axes of the additional poles, having a maximum cross section. Moreover, the distributed flux of a permanent magnet creates uniform saturation in the back of the stator of variable cross section, increasing the use of steel. The magnetizing force of the armature winding acts along the axis of the brushes, and its vector is shifted with respect to the magnetizing force vector of the permanent magnet at an angle of 90 electrical degrees, if the brushes are located on geometric neutral. The armature reaction flow does not pass through a magnet having a low magnetic permeability close to that of air, but through a thin ferromagnetic jumper along the axis of the main pole and saturates it. A large magnetic resistance is created, and the reaction flow of the armature is weakened. Therefore, the switching process is facilitated.

Данное техническое решение позволяет повысить мощность магнитоэлектрической машины по сравнению с прототипом из-за облегчения коммутации, повышения объема магнита и его энергии в машине за счет использования части объема сердечника статора, или переходить на меньшие габариты при той же мощности. Если в аналоге технический результат достигается только изменением магнитных сопротивлений разных участков сердечника путем внешнего усечения сердечника статора, не затрагивая обмотку возбуждения, то в предлагаемой конструкции - путем внутренних (возможно, и внешних) усечений сердечника статора и одновременном повышении объема магнита. This technical solution allows to increase the power of the magnetoelectric machine in comparison with the prototype due to the ease of switching, increasing the volume of the magnet and its energy in the machine by using part of the volume of the stator core, or switch to smaller dimensions at the same power. If in the analogue the technical result is achieved only by changing the magnetic resistances of different sections of the core by means of an external truncation of the stator core, without affecting the field winding, then in the proposed design it is possible by means of internal (and possibly external) truncations of the stator core and at the same time increase the magnet volume.

Ослабление потока реакции якоря при одновременном увеличении объема магнита, его энергии и намагничивающей силы значительно снижает размагничивающее действие на постоянный магнит поперечной реакции якоря. The weakening of the flow of the reaction of the armature while increasing the volume of the magnet, its energy and magnetizing force significantly reduces the demagnetizing effect on the permanent magnet of the transverse reaction of the armature.

Так как толщина магнита в предлагаемом техническом решении возрастает при перемещении от краев магнита к его середине (оси главного полюса), то соответственно возрастает и намагничивающая сила. Следовательно, форма магнитного поля в зазоре приближается к синусоидальной по сравнению с прямоугольной формой поля для магнитов в виде сегментов кольца. Since the thickness of the magnet in the proposed technical solution increases when moving from the edges of the magnet to its middle (axis of the main pole), the magnetizing force increases accordingly. Consequently, the shape of the magnetic field in the gap approaches sinusoidal in comparison with the rectangular shape of the field for magnets in the form of ring segments.

Применение магнитов пятиугольной формы и фиксация их в треугольных выемках на внутренней поверхности сердечника статора обеспечивает повышенную точность позиционирования магнитов, конструктивное препятствие тангенциальному сдвигу и увеличенную площадь крепления, так как периметр многоугольника всегда больше длины вписанной в него окружности. The use of pentagonal magnets and fixing them in triangular recesses on the inner surface of the stator core provides increased accuracy in the positioning of magnets, a structural obstacle to tangential shift and an increased attachment area, since the perimeter of the polygon is always greater than the length of the circle inscribed into it.

Технологически треугольные выемки могут формироваться фрезерованием на внутренней цилиндрической поверхности сплошного сердечника статора или штамповкой листов прессами соответствующей формы для шихтованных сердечников. Пятиугольный вид магнитов может быть получен при спекании магнитной смеси в требуемых формах или путем механической обработки. Technologically triangular recesses can be formed by milling on the inner cylindrical surface of a solid stator core or by stamping sheets with presses of the corresponding shape for lined cores. The pentagonal shape of the magnets can be obtained by sintering the magnetic mixture in the required shapes or by machining.

В качестве примера рассмотрена магнитоэлектрическая машина с предлагаемым статором (фиг. 1), разработанная на базе машины 4П80. Конструкция якоря сохранена без изменений. Коэффициент полюсного перекрытия принят равным 0,7. Магнит традиционной формы в виде сегмента кольца имеет толщину, соответствующую высоте паза статора и равную 16,2 мм. Толщина перемычки сердечника статора по оси дополнительного полюса принята равной толщине спинки сердечника для машины 4П80 - 7,3 мм, а по оси главного полюса задана равной 1,2 мм. Толщина магнита предлагаемой формы возрастает от 16,2 мм на краю полюса до 22 мм по оси полюса, что обеспечивает более синусоидальную форму магнитного поля. Площадь крепления пятиугольного магнита по сравнению с магнитом в виде сегмента кольца возрастает на 4,7%, а объем магнита - на 15,7%. При этом напряжение тангенциального сдвига из-за упора в угол сердечника даже снижается на 15%. As an example, we consider a magnetoelectric machine with the proposed stator (Fig. 1), developed on the basis of the 4P80 machine. The design of the anchor is saved unchanged. The pole overlap coefficient is assumed to be 0.7. A traditionally shaped magnet in the form of a ring segment has a thickness corresponding to the height of the stator groove and equal to 16.2 mm. The thickness of the jumper of the stator core along the axis of the additional pole is taken equal to the thickness of the back of the core for the 4P80 machine - 7.3 mm, and along the axis of the main pole is set to 1.2 mm. The thickness of the magnet of the proposed shape increases from 16.2 mm at the edge of the pole to 22 mm along the axis of the pole, which provides a more sinusoidal shape of the magnetic field. The area of fastening of a pentagonal magnet in comparison with a magnet in the form of a ring segment increases by 4.7%, and the volume of the magnet - by 15.7%. In this case, the tangential shear stress due to the emphasis in the core angle even decreases by 15%.

Таким образом, в данном техническом решении получен эффект, известный ранее, но который невозможно осуществить известными ранее методами и который выше суммы эффектов применяемых ранее решений. Это позволяет говорить о "существенных отличиях" в данном решении. Этот эффект приводит к улучшению коммутации, снижению размагничивания постоянного магнита потоками реакции якоря, приближению формы магнитного поля в зазоре к синусоидальной, точному позиционированию магнитов на статоре, более надежному креплению магнитов из-за увеличенной площади крепления магнита и конструктивного препятствования тангенциальному сдвигу, повышению объема магнита в машине и как следствие увеличению его энергии, то есть повышению использования внутреннего объема машины, что говорит о "полезности" данного решения и промышленной применимости. Thus, in this technical solution, an effect is known that was previously known, but which cannot be implemented by methods known previously and which is higher than the sum of the effects of the previously applied solutions. This allows us to talk about "significant differences" in this decision. This effect leads to improved switching, reduced demagnetization of the permanent magnet by the armature reaction fluxes, closer to the sinusoidal shape of the magnetic field in the gap, accurate positioning of the magnets on the stator, more reliable magnet fastening due to the increased magnet attachment area and structural opposition to the tangential shift, increase the magnet volume in the machine and, as a consequence, an increase in its energy, that is, an increase in the use of the internal volume of the machine, which indicates the “usefulness” of this solution and omyshlennoy applicability.

Claims

The stator of a magnetoelectric DC machine containing a core, the outer surface of which in cross section is made in the form of a circle or a regular polygon with the number of sides that is a multiple of the number of poles, and radially magnetized permanent magnets forming the main poles, characterized in that in the cross section the permanent magnets have the shape of curved pentagons and fixed in triangular recesses according to the number of poles of the machine, made on the inner cylindrical surface of the stator core along the axes of the main poles passing through the tops of the recesses, while the outer and inner surfaces of the stator core form jumpers thinner on the axes of the main poles than the jumpers along the axes of the additional poles, and the inner surface of the stator in a cross section forms a circle.