RU2659091C1

RU2659091C1 - Free-phase magnetic core stator of electromechanical energy converters from amorphous iron with minimum influence of vortex currents (options)

Info

Publication number: RU2659091C1
Application number: RU2017125656A
Authority: RU
Inventors: Флюр Рашитович Исмагилов; Ирек Ханифович Хайруллин; Вячеслав Евгеньевич Вавилов; Владимир Игоревич Бекузин; Валентина Владимировна Айгузина
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2018-06-28

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in electromechanical power converters of autonomous objects. Stator phase-free magnetic core of electromechanical energy converters of amorphous iron with minimal effect of eddy currents contains coil groups, mounted on the unpaired magnetic core of the stator, made in the form of a hollow cylinder, in the inner part of which a rotor is mounted. Hollow cylinder of the phase-free magnetic core stator is made of a twisted thin filament of amorphous iron, on the inner and outer walls of the same are mounted coil groups in the form of toroidal windings. In the second embodiment, the hollow cylinder of the phase-free magnetic core stator is comprised of three parts. Middle part is made of twisted their strips of amorphous iron, and the ends of the unrestricted magnetic core are made twisted from thin filaments of amorphous iron. Length of the end parts is equal to the depth of penetration of the magnetic flux emanating from the frontal parts.

EFFECT: increase of reliability, energy efficiency and minimization of heat emission of electromechanical energy converters, increase efficiency by 1–2 %, as well as reduction of losses in the magnetic circuit created by the fields of the frontal parts.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in electromechanical energy converters of autonomous objects.

Известна торцевая электрическая машина (патент РФ №2246168, МПК Н02К 21/24, опубл. 10.02.2005 г.), включающая статор с обмоткой, закрепленный в корпусе, обращенный рабочими поверхностями к двум дискообразным роторам, расположенным с двух сторон от статора, установленным в подшипниках качения, статор выполнен из двух половин, в каждой из которых залит компаундом автономный зубцовый слой, распределенная обмотка в виде обмоточных модулей и ярмо, навитое из стальной ленты, установленных по разные стороны этого диска, причем с обеих сторон диска выполнены центрирующие пояски, на которых сцентрированы пластины обмоточных модулей, а на дисках двух роторов со стороны рабочих поверхностей статора выполнены по два центрирующих пояска, между которыми смонтированы постоянные магниты, полюсные наконечники которых имеют форму пластины с уменьшающимся к краям сечением.Known end electric machine (RF patent No. 226168, IPC Н02К 21/24, publ. 02/10/2005), including a stator with a winding, mounted in a housing facing working surfaces to two disk-shaped rotors located on both sides of the stator, installed in rolling bearings, the stator is made of two halves, each of which is filled with a compound of an independent tooth layer, a distributed winding in the form of winding modules and a yoke wound from steel tape mounted on opposite sides of this disk, and on both sides of the disk entriruyuschie belts, which are aligned on the plate winding modules and two disk rotors from the working surfaces of the stator formed by two centering belt, between which are mounted permanent magnets, pole pieces which have a plate shape with a decreasing cross section towards the edges.

Недостатком торцевой электрической машины является технологическая сложность в изготовлении, ограниченные функциональные возможности, высокие потери на перемагничивание и вихревые токи.The disadvantage of the end electric machine is the technological complexity in manufacturing, limited functionality, high magnetization reversal losses and eddy currents.

Известна торцевая электрическая машина (патент РФ №2313888, МПК Н02К 21/24, Н02К 21/12, Н02К 16/02, опубл. 27.12.2007 г.), содержащая статор, включающий диск, закрепленный в корпусе, и обмоточные модули, обращенные рабочими поверхностями к соответствующим дискообразным роторам с короткозамкнутыми обмотками, расположенным с двух сторон от статора и установленным в подшипниках качения, в диске статора выполнены прорези под обмоточные модули, края которых (отгибы) у двух соседних прорезей направлены в одну сторону диска, а у двух следующих прорезей - в противоположную, в которых обмоточные модули размещены таким образом, что между двумя пакетами пластин одного обмоточного модуля расположены по одному пакету пластин двух соседних обмоточных модулей с противоположной стороны диска, кроме того, на диске статора в промежутках между прорезями под обмоточные модули в радиальном направлении выполнены щелевидные прорези.Known end electric machine (RF patent No. 2313888, IPC N02K 21/24, N02K 21/12, N02K 16/02, publ. 12/27/2007) containing a stator including a disk mounted in the housing, and winding modules facing working surfaces to the corresponding disk-shaped rotors with squirrel-cage windings, located on both sides of the stator and installed in the rolling bearings, in the stator disk, slots are made for the winding modules, the edges of which (bends) in two adjacent slots are directed to one side of the disk, and for the next two slots - in the counter in which the winding modules are arranged in such a way that between the two packs of plates of one winding module are located one pack of plates of two adjacent winding modules on the opposite side of the disk, in addition, on the stator disk in the intervals between the slots for the winding modules in the radial direction are slotted cut through.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является торцевая электрическая машина (А.с. СССР №462255, МПК Н02К 17/02, Н02К 5/04, опубл. 28.02.1975 г.), содержащая беспазовый статор, набранный из катушечных групп, активная часть которых выполнена из чередующихся между собой проводников обмотки и отделенных слоем изоляции листовых ферромагнитных элементов, остов статора, на котором укреплены активные части катушечных групп и два ротора, расположенные по разные стороны статора, причем остов статора выполнен из материала с большим электрическим сопротивлением и имеет посадочные места для установки в них катушечных групп.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is an end-face electric machine (A.S. USSR No. 462255, IPC Н02К 17/02, Н02К 5/04, published on 02.28.1975), containing a baseless stator drawn from coil groups, the active part of which is made of alternating winding conductors and separated by an insulation layer of sheet ferromagnetic elements, the stator core, on which the active parts of the coil groups and two rotors located on opposite sides of the stator are mounted, and the stator core is made of mother la with a large electric resistance and has seats for loading the coil groups.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей беспазового магнитопровода статора электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) из нити аморфного железа, благодаря повышению выходной мощности при неизменных массогабаритных показателях, повышение эффективности и удельных показателей беспазового магнитопровода статора из нити аморфного железа в составе электромеханических преобразователей энергии.The objective of the invention is to expand the functionality of a stator-free magnetic circuit of a stator of electromechanical energy converters (EMFs) from an amorphous iron filament, due to an increase in output power with constant mass and size indicators, to increase the efficiency and specific indicators of a stator magnetic circuit from an amorphous iron filament as part of electromechanical energy converters.

Техническим результатом является повышение надежности, энергоэффективности и минимизация тепловыделений электромеханических преобразователей энергии, повышение КПД ЭМПЭ на 1-2%, а также снижение потерь в магнитопроводе создаваемыми полями лобовых частей ЭМПЭ.The technical result is to increase the reliability, energy efficiency and minimize heat dissipation of electromechanical energy converters, increase the efficiency of EMF by 1-2%, as well as reduce losses in the magnetic circuit created by the fields of the frontal parts of EMF.

Поставленная задача по первому варианту решается и указанный технический результат достигается тем, что в беспазовом магнитопроводе статора электромеханических преобразователей энергии из аморфного железа с минимальным влиянием вихревых токов, содержащим катушечные группы, установленные на беспазовом магнитопроводе статора, выполненного в виде полого цилиндра, во внутренней части которого смонтирован ротор, согласно изобретению полый цилиндр беспазового магнитопровода статора выполнен витым из тонкой нити аморфного железа, а на внутренние и внешние стенки полого цилиндра беспазового магнитопровода статора смонтированы катушечные группы в виде тороидальных обмоток.The problem of the first embodiment is solved and the technical result is achieved by the fact that in a stator's magnetic core of electromechanical energy converters made of amorphous iron with minimal eddy currents containing coil groups mounted on a stator's magnetic core made in the form of a hollow cylinder, in the inner part of which a rotor is mounted, according to the invention, the hollow cylinder of the stator-free magnetic core is twisted from a thin thread of amorphous iron, and in The inner and outer walls of the hollow cylinder of the stator's magnetic core are mounted coil groups in the form of toroidal windings.

Поставленная задача по второму варианту решается и указанный технический результат достигается тем, что в беспазовом магнитопроводе статора электромеханических преобразователей энергии из аморфного железа с минимальным влиянием вихревых токов, содержащим катушечные группы, установленные на беспазовом магнитопроводе статора, выполненного в виде полого цилиндра, во внутренней части которого смонтирован ротор, согласно изобретению полый цилиндр беспазового магнитопровода статора состоит из трех частей, средняя часть выполнена витой их ленты аморфного железа, а торцы беспазового магнитопровода выполнены витыми из тонкой нити аморфного железа, причем длина торцевых частей равна глубине проникновения магнитного потока, исходящего от лобовых частей ЭМПЭ, а на внутренние и внешние стенки полого цилиндра беспазового магнитопровода статора смонтированы катушечные группы в виде тороидальных обмоток.The problem of the second embodiment is solved and the technical result is achieved by the fact that in a stator's magnetic core of electromechanical amorphous iron energy converters with a minimum of eddy currents containing coil groups mounted on a stator's magnetic core made in the form of a hollow cylinder, in the inner part of which the rotor is mounted, according to the invention, the hollow cylinder of the stator baseless magnetic circuit consists of three parts, the middle part is twisted their ribbons of amorphous iron, and the ends of the baseless magnetic core are twisted from a thin thread of amorphous iron, the length of the end parts being equal to the penetration depth of the magnetic flux emanating from the frontal parts of the EMF, and coil groups are mounted on the inner and outer walls of the hollow cylinder of the stator's magnetic core in the form of toroidal windings.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 и на фиг. 2 показан 3-D вид беспазового магнитопровода статора электромеханических преобразователей энергии из аморфного железа с минимальным влиянием вихревых токов, для первого и второго вариантов соответственно, на фиг. 3 показан продольный разрез предложенной конструкции по варианту 1, на фиг. 4 показан продольный разрез предложенной конструкции по варианту 2.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 and in FIG. 2 shows a 3-D view of a baseless stator magnetic circuit of electromechanical amorphous iron energy converters with minimal eddy current effects, for the first and second variants, respectively, in FIG. 3 shows a longitudinal section of the proposed design according to embodiment 1, FIG. 4 shows a longitudinal section of the proposed design according to option 2.

Предложенное устройство по первому варианту содержит (фиг. 2) полый цилиндр 1, который образует беспазовый магнитопровод статора, выполненный витым из тонкой нити аморфного железа, с целью минимизации потерь на вихревые токи в активной части и в лобовых частях беспазового магнитопровода статора. На внутренние и внешние стенки полого цилиндра 1 установлены катушечные группы 2, в виде тороидальных обмоток. Полый цилиндр 1 и катушечные группы 2 залиты эпоксидным клеем, для обеспечения механической прочности. Внутри полого цилиндра 1 установлен магнитоэлектрический ротор 3 электромеханического преобразователя энергии.The proposed device according to the first embodiment contains (Fig. 2) a hollow cylinder 1, which forms a stator-free magnetic core made of twisted thin amorphous iron filament in order to minimize eddy current losses in the active part and in the frontal parts of the stator magnetic core. Coil groups 2 are installed on the inner and outer walls of the hollow cylinder 1, in the form of toroidal windings. The hollow cylinder 1 and coil groups 2 are filled with epoxy glue to ensure mechanical strength. A magnetoelectric rotor 3 of an electromechanical energy converter is installed inside the hollow cylinder 1.

Предложенное устройство по второму варианту содержит (фиг. 3) полый цилиндр 1, который состоит из трех частей, средняя часть выполнена витой их ленты аморфного железа 2, а торцы беспазового магнитопровода выполнены витыми из тонкой нити аморфного железа 3. На внутренних и внешних стенках полого цилиндра беспазового магнитопровода статора установлены катушечные группы в виде тороидальных обмоток 4. Полый цилиндр 1, катушечные группы 4 залиты эпоксидным клеем, для обеспечения механической прочности. Внутри полого цилиндра 1 установлен магнитоэлектрический ротор 5 электромеханического преобразователя энергии.The proposed device according to the second embodiment contains (Fig. 3) a hollow cylinder 1, which consists of three parts, the middle part is made of their twisted amorphous iron ribbon 2, and the ends of the baseless magnetic core are made of twisted thin amorphous iron 3. On the inner and outer walls of the hollow coils in the form of toroidal windings 4 are installed in the cylinder of the stator's magnetic core. The hollow cylinder 1, the coil groups 4 are filled with epoxy glue, to ensure mechanical strength. A magnetoelectric rotor 5 of an electromechanical energy converter is installed inside the hollow cylinder 1.

Предложенное устройство по первому варианту работает следующим образом: при вращении ротора 3, по полому цилиндру 1, выполненному из нити аморфного железа, протекает магнитный поток возбуждения. При этом по закону электромагнитной индукции в катушечных группах 2 наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки, частоты вращения ротора 1 и магнитного потока возбуждения. При подключении нагрузки в катушечных группах 2 начинает протекать ток, при этом создаются тепловые потери в катушечных группах 2, обусловленные током в катушечных группах 2 и их активным сопротивлением, а также потери на вихревые токи, обусловленные частотой вращения ротора, размерами обмотки и ее удельным сопротивлением, тепловые потери в полом цилиндре 1, обусловленные величиной магнитного потока возбуждения, массой полого цилиндра 2 и удельными потерями материала нити аморфного железа - материала полого цилиндра 1, потери энергии на трение ротора 3 с воздухом, обусловленные частотой вращения ротора 3, его геометрическими размерами, температурой воздуха и давлением в зазоре между ротором 1 и полом роторе 3. Мощность, затрачиваемая на нагрев полого цилиндра вихревыми токами, снижает КПД электромеханических преобразователей энергии. Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, в прототипе увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого магнитопровод статора набирают из отдельных тонких листов, изолированных друг от друга с помощью лака или окалины. Однако путь вихревых токов, индуцируемых в тонких листах, пролегает по всему поперечному сечению листа. Для минимизации потерь на вихревые токи, т.е. минимизацию путей вихревых токов в магнитопроводе статора - полом цилиндре 1, полый цилиндр 1 выполняют витым из тонкой изолированной нити аморфного железа (фиг. 2). Кроме того, материал аморфное железо обладает минимально возможными удельными потерями на перемагничивание и вихревые токи (0,1-1 Вт/кг). В совокупности, тем самым снижают потери, создаваемые полями рассеяния в лобовых частях, и удельные потери в беспазовом магнитопроводе статора. Для обеспечения механической прочности, конструкцию из полого цилиндра 1 и катушечных групп 2 заливают эпоксидным клеем.The proposed device according to the first embodiment works as follows: when the rotor 3 is rotated, a magnetic excitation flux flows through the hollow cylinder 1 made of amorphous iron filament. In this case, according to the law of electromagnetic induction in the coil groups 2, an electromotive force is induced, the magnitude of which depends on the number of turns of the winding, the rotational speed of the rotor 1 and the magnetic flux of excitation. When a load is connected in coil groups 2, a current begins to flow, while thermal losses are created in coil groups 2 due to the current in coil groups 2 and their active resistance, as well as eddy current losses due to the rotor speed, winding size and its specific resistance , heat loss in the hollow cylinder 1, due to the magnitude of the magnetic flux of the excitation, the mass of the hollow cylinder 2 and the specific losses of the material of the amorphous iron filament - the material of the hollow cylinder 1, energy loss per tr of the rotor 3 with the air due to the rotor speed 3, its geometrical dimensions, temperature and air pressure in the gap between the rotor 1 and the floor of the rotor 3. The power expended on heating the hollow cylinder eddy currents reduce the efficiency of electromechanical energy converters. To reduce the power of eddy currents, in the prototype increase the electrical resistance of the magnetic circuit, for this the stator magnetic circuit is drawn from separate thin sheets isolated from each other using varnish or scale. However, the path of eddy currents induced in thin sheets lies along the entire cross section of the sheet. To minimize eddy current losses, i.e. minimization of eddy current paths in the stator magnetic circuit - hollow cylinder 1, hollow cylinder 1 is made of twisted from a thin insulated amorphous iron filament (Fig. 2). In addition, the material amorphous iron has the lowest possible specific losses for magnetization reversal and eddy currents (0.1-1 W / kg). Together, this reduces the losses created by the scattering fields in the frontal parts, and the specific losses in the stator's magnetic core. To ensure mechanical strength, the structure of the hollow cylinder 1 and coil groups 2 is filled with epoxy glue.

Предложенное устройство по второму варианту работает следующим образом: при вращении ротора 5, по полому цилиндру 1, выполненному из нити аморфного железа, протекает магнитный поток возбуждения. При этом по закону электромагнитной индукции в катушечных группах 4 наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки, частоты вращения ротора 1 и магнитного потока возбуждения. При подключении нагрузки в катушечных группах 4 начинает протекать ток, при этом создаются тепловые потери в катушечных группах 4, обусловленные наличием тока в них и их активным сопротивлением, а также потери на вихревые токи, обусловленные частотой вращения ротора, размерами обмотки и ее удельным сопротивлением, тепловые потери в полом цилиндре 1, обусловленные величиной магнитного потока возбуждения, массой полого цилиндра 1 и удельными потерями материала нити аморфного железа - материала полого цилиндра 1, потери энергии на трение ротора 5 с воздухом, обусловленные частотой вращения ротора 5, его геометрическими размерами, температурой воздуха и давлением в зазоре между ротором 1 и полом роторе 3. Мощность, затрачиваемая на нагрев полого цилиндра вихревыми токами, снижает КПД электромеханических преобразователей энергии. Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, в прототипе увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого магнитопровод статора набирают из отдельных тонких листов, изолированных друг от друга с помощью лака или окалины. Однако путь вихревых токов, индуцируемых в тонких листах, пролегает по всему поперечному сечению листа. Особенно негативное влияние вихревых токов, исходящих от полей рассеивания, присутствует в лобовых частях беспазового магнитопровода, выполненного в виде цилиндра 1. Негативное влияние вихревых токов в активное длине полого цилиндра 1 не столь высоко, как в лобовых частях, в частях с торцов полого цилиндра 1. Поэтому авторами предлагается разделить полый цилиндр 1 на три части: две торцевые 3 и среднюю часть 2. Средняя часть 2 выполнена витой их ленты аморфного железа, а торцы 3 беспазового магнитопровода (полого цилиндра 1) выполнены витыми из тонкой нити аморфного железа, с целью минимизации потерь на вихревые токи в лобовых частях полого цилиндра 1, причем длина торцевых частей 3 равна глубине проникновения магнитного потока, исходящего от лобовых частей ЭМПЭ, а уже на внутренние и внешние стенки полого цилиндра монтируются катушечные группы в виде тороидальных обмоток 4, вся описанная конструкция залита эпоксидным клеем, с целью обеспечения механической прочности.The proposed device according to the second embodiment works as follows: when the rotor 5 is rotated, a magnetic excitation flux flows through the hollow cylinder 1 made of amorphous iron filament. In this case, according to the law of electromagnetic induction in the coil groups 4, an electromotive force is induced, the magnitude of which depends on the number of turns of the winding, the rotational speed of the rotor 1 and the magnetic flux of the excitation. When the load is connected in the coil groups 4, a current begins to flow, while thermal losses are created in the coil groups 4, due to the presence of current in them and their active resistance, as well as eddy current losses due to the rotor speed, the size of the winding and its specific resistance, thermal losses in the hollow cylinder 1, due to the magnitude of the magnetic flux of the excitation, the mass of the hollow cylinder 1 and the specific losses of the material of the amorphous iron filament - the material of the hollow cylinder 1, energy loss due to rotor friction 5 with air, due to the rotational speed of the rotor 5, its geometrical dimensions, air temperature and pressure in the gap between the rotor 1 and the floor of the rotor 3. The power spent on heating the hollow cylinder by eddy currents reduces the efficiency of electromechanical energy converters. To reduce the power of eddy currents, in the prototype increase the electrical resistance of the magnetic circuit, for this the stator magnetic circuit is drawn from separate thin sheets isolated from each other using varnish or scale. However, the path of eddy currents induced in thin sheets lies along the entire cross section of the sheet. A particularly negative effect of eddy currents emanating from the scattering fields is present in the frontal parts of a baseless magnetic circuit made in the form of cylinder 1. The negative effect of eddy currents in the active length of the hollow cylinder 1 is not as high as in the frontal parts, in the parts from the ends of the hollow cylinder 1 Therefore, the authors propose to divide the hollow cylinder 1 into three parts: two end 3 and the middle part 2. The middle part 2 is made of twisted amorphous iron tape, and the ends 3 of the baseless magnetic core (hollow cylinder 1) are made of twisted thin filaments of amorphous iron, in order to minimize eddy current losses in the frontal parts of the hollow cylinder 1, the length of the end parts 3 being equal to the penetration depth of the magnetic flux coming from the frontal parts of the EMF, and coil groups are mounted on the inner and outer walls of the hollow cylinder in the form toroidal windings 4, the entire described structure is filled with epoxy glue, in order to ensure mechanical strength.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности, повысить выходную мощность при неизменных массогабаритных показателях и повысить удельные показатели электромеханических преобразователей энергии и снизить негативное влияние вихревых токов на работу ЭМПЭ.So, the claimed invention allows to expand the functionality, increase the output power with constant weight and size indicators and increase the specific indicators of electromechanical energy converters and reduce the negative impact of eddy currents on the operation of EMF.

Claims

1. Baseless stator magnetic circuit of electromechanical energy converters made of amorphous iron with a minimum of eddy currents, containing coil groups mounted on a baseless stator magnetic circuit made in the form of a hollow cylinder, a rotor mounted in the inside of which is characterized in that the hollow cylinder of the stator magnetic core is made twisted from a thin thread of amorphous iron, and on the internal and external walls of the hollow cylinder of the stator's magnetic core are mounted coil uppy a toroidal winding.

2. Baseless stator magnetic circuit of electromechanical energy converters made of amorphous iron with a minimum of eddy currents, containing coil groups mounted on a baseless stator core made in the form of a hollow cylinder, a rotor mounted in the inside of which is characterized in that the hollow cylinder of the stator baseless magnetic core consists of of three parts, the middle part is twisted from an amorphous iron ribbon, and the ends of the baseless magnetic core are twisted from a thin amorphous filament iron, and the length of the end parts is equal to the penetration depth of the magnetic flux emanating from the frontal parts of the electromechanical energy converter, and coil groups in the form of toroidal windings are mounted on the internal and external walls of the hollow cylinder of the stator's magnetic core.