RU2375807C1

RU2375807C1 - Alternating current electronic motor with constant magnets

Info

Publication number: RU2375807C1
Application number: RU2008144458/09A
Authority: RU
Inventors: Алексей Петрович Сеньков (RU); Алексей Петрович Сеньков; Валерий Михайлович Михайлов (RU); Валерий Михайлович Михайлов; Ольга Юрьевна Шишова (RU); Ольга Юрьевна Шишова
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2009-12-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention refers to rotating electric machines and can be used in electronic or synchronous electric motors with constant magnets on their rotors. Alternating current electronic motor with constant magnets contains circular stator with multiphase winding and cylindrical rotor including shaft and circumferentially-spaced ferromagnetic strips. Each pole is formed by packs of laminated magnetic conductors of two adjacent segments installed on non-magnetic shaft, and each segment comprises top-flatted magnetic basement on which two packs of laminated magnetic conductor are mounted. Between the packs cavity is created for constant magnets installation whereupon the cavity is closed with non-magnetic plate. Above mentioned segments are installed on non-magnetic shaft with creation of non-magnetic gap between packs of laminated magnet conductors of adjacent segments comprising a pole.

EFFECT: reducing eddy-current losses in rotor magnet conductor and armature reaction whereupon increase in coefficient of efficiency of suggested motor is achieved.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к вращающимся электрическим машинам и может быть использовано в вентильных или синхронных электродвигателях с постоянными магнитами на роторе.The invention relates to rotating electric machines and can be used in valve or synchronous permanent magnet motors on the rotor.

Аналогом является, например, вентильный электродвигатель с постоянными магнитами [Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988, рис.1.28], содержащий кольцевой статор с обмоткой, цилиндрический ротор коллекторного типа, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюсы, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пространства в виде параллельных оси вала пазов, расположенные в пазах намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты и устройство закрепления магнита в пазу, выполненное в виде цилиндрической оболочки, охватывающей ротор.An analogue is, for example, a valve motor with permanent magnets [Balagurov VA, Galteev F.F. Permanent magnet electric generators. - M .: Energoatomizdat, 1988, Fig. 1.28], containing an annular stator with a winding, a cylindrical collector-type rotor, including a non-magnetic shaft, ferromagnetic poles distributed around the circumference, made in the form of segments forming interpole spaces in the form of grooves parallel to the axis of the shaft in the grooves, permanent prismatic magnets magnetized in the tangential direction and a magnet fixing device in the groove made in the form of a cylindrical shell covering the rotor.

Наиболее близок к предлагаемому вентильный электродвигатель с постоянными магнитами (патент РФ №2100893, БИ №13, 2005), который содержит кольцевой статор с многофазной обмоткой, цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюсы, выполненные в виде сегментов и образующие межполюсные пространства в виде параллельных оси вала пазов. В пазах расположены намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты. Устройство закрепления магнитов в пазах выполнено в виде охватывающего магнит призматического футляра, стенки которого с торцов, со стороны вала и статора выполнены из неферромагнитного материала, а прилегающие к полюсам из ферромагнитного материала. Футляр закреплен разъемными соединениями торцов ротора и футляра с возможностью установки и выдвижения его из паза в осевом направлении.Closest to the proposed permanent magnet motor with permanent magnets (RF patent No. 2100893, BI No. 13, 2005), which contains an annular stator with a multiphase winding, a cylindrical rotor including a non-magnetic shaft, ferromagnetic poles distributed around the circumference, made in the form of segments and forming interpolar spaces in the form of grooves parallel to the axis of the shaft. Permanent prismatic magnets magnetized in the tangential direction are located in the slots. The device for fixing the magnets in the grooves is made in the form of a prismatic case enclosing a magnet, the walls of which from the ends, from the shaft and stator sides are made of non-ferromagnetic material, and adjacent to the poles of ferromagnetic material. The case is fixed by detachable joints of the ends of the rotor and the case with the possibility of installing and extending it from the groove in the axial direction.

Основными недостатком известного электродвигателя является снижение кпд вследствие возникновения вихревых токов в ферромагнитных стенках футляра, которые магнитный поток пересекает в поперечном направлении, а также индукционных токов в боковых стенках, охватывающих постоянные магниты. Вихревые и индукционные токи в стенках футляра образуются вследствие пульсаций магнитного потока постоянных магнитов из-за зубцовых пульсаций проводимости зазора при вращении ротора, а также из-за воздействия на ротор пульсаций магнитного потока, созданного статором (потоком реакции якоря). Пульсации магнитного потока, созданного статором, возникают в переходных процессах, а в некоторых типах вентильных электродвигателей с постоянными магнитами они имеют большую амплитуду и в установившихся режимах, например, в вентильных электродвигателях с зубцовыми обмотками [патент РФ №2047936, БИ №17, 2000].The main disadvantage of the known electric motor is the reduction in efficiency due to the occurrence of eddy currents in the ferromagnetic walls of the case, which the magnetic flux crosses in the transverse direction, as well as induction currents in the side walls covering the permanent magnets. Eddy and induction currents in the walls of the case are formed due to pulsations of the magnetic flux of permanent magnets due to tooth pulsations of the conduction gap during rotation of the rotor, and also due to the impact on the rotor of pulsations of the magnetic flux created by the stator (armature reaction flow). The pulsations of the magnetic flux created by the stator arise in transients, and in some types of permanent magnet motors with permanent magnets they have a large amplitude and in steady-state modes, for example, in valve motors with gear windings [RF patent No. 2047936, BI No. 17, 2000] .

Предлагаемое изобретение позволит снизить потери на вихревые и индукционные токи в элементах ротора, а также уменьшить реакцию якоря, чем обеспечивается более высокий кпд вентильных электродвигателей с постоянными магнитами.The present invention will reduce the loss of eddy and induction currents in the elements of the rotor, as well as reduce the reaction of the armature, which ensures a higher efficiency of permanent magnet motors.

Это достигается тем, что в вентильном электродвигателе с постоянными магнитами, содержащем кольцевой статор с многофазной обмоткой и цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал и распределенные по окружности ферромагнитные полюсы, согласно изобретению каждый полюс образован пакетами шихтованных магнитопроводов двух соседних сегментов, установленных на немагнитном валу, а каждый сегмент составляют немагнитное основание П-образной формы, на котором закреплены два пакета шихтованного магнитопровода таким образом, чтобы между пакетами шихтованного магнитопровода оставалась полость, в которую устанавливаются постоянные магниты, после чего полость закрывается немагнитной пластиной. При этом образующие полюсы сегменты могут быть установлены на немагнитном валу таким образом, чтобы между пакетами шихтованных магнитопроводов соседних сегментов, образующих полюс, оставался немагнитный зазор.This is achieved by the fact that in a permanent magnet permanent magnet motor comprising an annular stator with a multiphase winding and a cylindrical rotor including a non-magnetic shaft and ferromagnetic poles distributed around the circumference, according to the invention, each pole is formed by bundled magnetic circuits of two adjacent segments mounted on a non-magnetic shaft, and each segment consists of a non-magnetic U-shaped base, on which two packets of a charged magnetic core are fixed so that between etami magnetic laminations remained cavity in which permanent magnets are installed, after which the hole is closed by a nonmagnetic plate. In this case, the segments forming the poles can be mounted on a non-magnetic shaft in such a way that a non-magnetic gap remains between the packs of charged magnetic circuits of adjacent segments forming the pole.

Выполнение магнитопровода полюсов ротора только из шихтованного магнитопровода и исключение ферромагнитных и боковых стенок футляра, в который устанавливаются постоянные магниты, позволяет снизить потери на вихревые и индукционные токи в магнитопроводе ротора. Образование каждого полюса вентильного электродвигателя с постоянными магнитами из двух пакетов магнитопровода с немагнитным зазором между ними позволяет уменьшить реакцию якоря и не допустить существенного снижения и пульсаций магнитного потока ротора при работе двигателя под нагрузкой. Вследствие этого предлагаемый вентильный электродвигатель с постоянными магнитами имеет более высокий кпд, чем прототип.The implementation of the magnetic circuit of the poles of the rotor only from the charged magnetic circuit and the exclusion of the ferromagnetic and side walls of the case in which the permanent magnets are installed, allows to reduce losses due to eddy and induction currents in the magnetic circuit of the rotor. The formation of each pole of a permanent magnet permanent magnet motor from two packages of a magnetic circuit with a non-magnetic gap between them makes it possible to reduce the armature reaction and to prevent a substantial decrease in pulsations of the rotor magnetic flux when the motor is operating under load. As a result, the proposed permanent magnet permanent magnet motor has a higher efficiency than the prototype.

На фиг.1 показан один из сегментов, образующих полюсы ротора в предлагаемом вентильном электродвигателе с постоянными магнитами; на фиг.2 - диаметральное сечение предлагаемого вентильного электродвигателя с постоянными магнитами.Figure 1 shows one of the segments forming the poles of the rotor in the proposed valve motor with permanent magnets; figure 2 is a diametrical section of the proposed valve motor with permanent magnets.

Изображенный на фиг.1 сегмент состоит из двух пакетов 1 шихтованного магнитопровода, набранных из пластин электротехнической стали. Каждый пакет 1 магнитопровода имеет паз, в котором установлен стержень 2 из немагнитного материала, имеющий поперечные резьбовые отверстия. Пакеты 1 устанавливаются на основание 3 П-образной формы из немагнитного материала и винты 4 завинчиваются в резьбовые отверстия стержней 2, и стержни 2 прижимают пакеты 1 к немагнитному основанию 3. В образованную между пакетами 1 полость устанавливаются постоянные магниты 5, и полость закрывается немагнитной пластиной 6, фиксирующей постоянные магниты 5.The segment shown in FIG. 1 consists of two packs of 1 lined magnetic core, recruited from plates of electrical steel. Each package 1 of the magnetic circuit has a groove in which a rod 2 of non-magnetic material is installed, having transverse threaded holes. The bags 1 are installed on a U-shaped base 3 of non-magnetic material and the screws 4 are screwed into the threaded holes of the rods 2, and the rods 2 press the bags 1 against the non-magnetic base 3. Permanent magnets 5 are installed in the cavity formed between the packets 1, and the cavity is closed by a non-magnetic plate 6, fixing the permanent magnets 5.

Основание 3 имеет резьбовые отверстия 7, с помощью которых сегмент закрепляется на полом немагнитном валу 8 винтами 9 (фиг.2). Сегменты располагаются на валу 8 таким образом, чтобы пакеты 1 соседних сегментов имели одинаковую полярность. Два пакета 1 соседних сегментов образуют один полюс ротора, но между пакетами 1 одно и того же полюса ротора остается немагнитный зазор 10. Статор электродвигателя состоит из шихтованного магнитопровода 11 и обмотки 12. На фиг.2 изображен статор с трехфазной зубцовой обмоткой, в которой каждая катушка размещается на одном зубце магнитопровода 11. Катушки первой фазы размещены на зубцах 13, 16, 19 и 22 магнитопровода 11. Катушки второй фазы размещены на зубцах 14, 17, 20 и 23, и катушки третьей фазы размещены на зубцах 15, 18, 20 и 24 магнитопровода 11. В фазах статора вентильного электродвигателя протекает трехфазный синусоидальный ток, синхронизированный с положением ротора. В положении ротора, показанном на фиг.2, для создания максимального момента ток первой фазы должен быть равен амплитудному значению I_m, а токи второй и третьей фаз - I_m/2. На фиг.2 показана полярность зубцов статора (обведена окружностями) при данных токах в фазах и магнитные потоки, созданные токами трех соседних зубцов 13, 14 и 24 статора разных фаз. При взаимодействии магнитных полей ротора и статора возникает момент, заставляющий ротор двигателя вращаться.The base 3 has threaded holes 7, with which the segment is fixed on the hollow non-magnetic shaft 8 with screws 9 (figure 2). The segments are arranged on the shaft 8 so that the packets 1 of adjacent segments have the same polarity. Two packets 1 of adjacent segments form one rotor pole, but non-magnetic gap 10 remains between packets 1 of the same rotor pole. The stator of the electric motor consists of a charged magnetic core 11 and a winding 12. Figure 2 shows a stator with a three-phase gear winding, in which each the coil is placed on one tooth of the magnetic circuit 11. The coils of the first phase are placed on the teeth 13, 16, 19 and 22 of the magnetic circuit 11. The coils of the second phase are placed on the teeth 14, 17, 20 and 23, and the coils of the third phase are placed on the teeth 15, 18, 20 and 24 magnetic cores 11. In phases of stato and the three-phase BLDC motor flows sinusoidal current synchronized with the rotor position. In the rotor position shown in FIG. 2, in order to create a maximum moment, the current of the first phase must be equal to the amplitude value I _m , and the currents of the second and third phases must be I _m / 2. Figure 2 shows the polarity of the stator teeth (circled) at given currents in phases and magnetic flux created by the currents of three adjacent stator teeth 13, 14 and 24 of different phases. When magnetic fields of the rotor and stator interact, a moment arises causing the motor rotor to rotate.

Как видно на фиг.2, магнитопровод ротора состоит только из пакетов шихтованного магнитопровода, и магнитные потоки через пакеты проходят в направлении шихтовки. Вследствие этого потери на вихревые ток в данном магнитопроводе минимальны. Потери на вихревые токи в самих постоянных магнитах из интерметаллических соединений снижаются набором постоянных магнитов каждого сегмента из нескольких призматических магнитов меньшего размера, изолированных друг от друга, либо использованием в качестве постоянных магнитов магнитопластов, имеющих намного большее электрическое сопротивление, чем постоянные магниты из интерметаллических соединений. Магнитные потоки, созданные фазами якоря, проходят через немагнитные зазоры между соседними сегментами, вследствие чего реакция якоря ослаблена и пульсации магнитных потоков уменьшаются, что также снижает потери в магнитопроводе. В то же время наличие воздушных зазоров между соседними сегментами практически не влияет на основной магнитный поток, созданный постоянными магнитами ротора. Сегменты, из которых формируется магнитная система ротора, могут быть закреплены на полом валу после установки ротора в расточку статора, при необходимости могут быть сняты с ротора и заменены без демонтажа ротора, что удобно для электродвигателей большой мощности.As can be seen in figure 2, the rotor magnetic circuit consists only of packaged magnetic core, and the magnetic flux through the packets pass in the direction of the charge. As a result of this, eddy current losses in this magnetic circuit are minimal. Losses due to eddy currents in the permanent magnets of intermetallic compounds themselves are reduced by a set of permanent magnets of each segment from several smaller prismatic magnets isolated from each other, or by using magnetoplastics as permanent magnets that have a much higher electrical resistance than permanent magnets from intermetallic compounds. Magnetic fluxes created by the phases of the armature pass through non-magnetic gaps between adjacent segments, as a result of which the armature reaction is weakened and the ripple of magnetic fluxes is reduced, which also reduces losses in the magnetic circuit. At the same time, the presence of air gaps between adjacent segments practically does not affect the main magnetic flux created by the permanent rotor magnets. The segments from which the rotor magnetic system is formed can be fixed on the hollow shaft after installing the rotor in the stator bore, if necessary, can be removed from the rotor and replaced without dismantling the rotor, which is convenient for high-power motors.

Таким образом, в предлагаемом вентильном электродвигателе с постоянными магнитами по сравнению с прототипом потери в магнитопроводе ротора на вихревые токи, а также реакция якоря существенно меньше, вследствие чего кпд предлагаемого электродвигателя выше.Thus, in the proposed permanent magnet motor with permanent magnets, in comparison with the prototype, the losses in the rotor magnetic circuit to eddy currents, as well as the armature reaction, are significantly less, as a result of which the efficiency of the proposed electric motor is higher.

Claims

1. A permanent magnet permanent magnet motor containing a ring stator with a multiphase winding and a cylindrical rotor, comprising a non-magnetic shaft and ferromagnetic poles distributed around the circumference, characterized in that each pole is formed by packs of charged magnetic circuits of two adjacent segments mounted on a non-magnetic shaft, and each segment is a non-magnetic U-shaped base on which two packets of a charged magnetic core are fixed with the formation of a cavity between them for installing a permanent magnets, wherein the cavity is closed nonmagnetic plate.

2. The valve motor according to claim 1, characterized in that the said segments are mounted on a non-magnetic shaft with the formation of adjacent segments between the packets of the charged magnetic circuits that make up the pole of the non-magnetic gap.