RU2819819C1

RU2819819C1 - Brushless motor stator

Info

Publication number: RU2819819C1
Application number: RU2023123959A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Ганьжин; Николай Сергеевич Говоров; Денис Александрович Чурзин
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Феодоро" (Ооо "Феодоро")
Filing date: 2023-09-18
Publication date: 2024-05-27

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: brushless motor stator comprises a core made of magnetically soft ferromagnetic material, and a regular multiphase concentrated stator winding formed by active insulated conductors in combination with frontal conductors, to the ends of which leads are connected. Stator differs from known analogues in that the active conductors of the winding are made from magnetically soft ferromagnetic material. One pole of each phase of the concentrated winding has one active conductor, the insulation of which is made partially, that is, with the exception of those surfaces which face the rotor. Insulating material used is a dielectric material with magnetically soft ferromagnetic properties.

EFFECT: increase in effective magnetic flux of the stator at equal to analogues value of magnetomotive force of winding and equal to its dimensions.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электрических машин. Патентуется статор, как элемент конструкции бесколлекторного электродвигателя. Предлагаемое техническое решение может найти применение в электродвигателях специального назначения.The invention relates to the field of electrical machines. The stator is patented as a design element of a brushless electric motor. The proposed technical solution can be used in special-purpose electric motors.

В соответствии с теорией электрических машин, величина развиваемого вращающего момента у бесколлекторного электродвигателя прямо пропорциональна величине магнитного потока, который индуцируется обмоткой статора в магнитной системе электродвигателя между сердечниками ротора и статора на протяжении полюсного деления статора. Величина этого магнитного потока зависит от параметров намагничивания материала сердечника, размеров поперечного сечения и протяженности отдельных участков магнитной цепи, от величины зазора между ротором и статором, а также от магнитодвижущей силы обмотки статора (МДС). Эта зависимость носит нелинейный характер, причем увеличение МДС за счет увеличения тока обмотки ограничивается допустимой температурой нагрева обмотки, с одной стороны, и предельным значением ширины паза сердечника, определяющим, соответственно, допустимую ширину зубца - с другой стороны. Уменьшение ширины зубца уменьшает эффективное поперечное сечение магнито-провода, увеличивает магнитное насыщение материала в зубце, уменьшает магнитный поток в нем и, как следствие этого, уменьшает эффективный магнитный поток во всей магнитной системе электродвигателя. В обмотках статора обычно используют медный обмоточный провод с тонкой изоляцией, поскольку медь обладает высокой удельной электропроводностью и теплопроводностью и медный провод с тонкой, обычно эмалевой, изоляцией обеспечивает максимальную плотность тока в пазовых частях обмотки при минимальной ширине паза и при максимальной ширине зубца статора. При этом отсутствие ферромагнитных свойств у меди хоть и в минимальной степени, по сравнению с другими проводниковыми материалами, но, все же, значительно уменьшает поперечное сечение магнитопровода и уменьшает эффективный магнитный поток. (Электрические машины: Учеб. для вузов/ И.П.Копылов. - 3-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002 - 607 с). Таким образом, из теории следует, что отсутствие ферромагнитных свойств у обмоточных материалов является фактором, который принципиально препятствует получению максимальной мощности в конструкции электродвигателя с заданными габаритами.In accordance with the theory of electrical machines, the amount of torque developed in a brushless electric motor is directly proportional to the amount of magnetic flux that is induced by the stator winding in the magnetic system of the electric motor between the rotor and stator cores throughout the stator pole division. The magnitude of this magnetic flux depends on the magnetization parameters of the core material, the cross-sectional dimensions and length of individual sections of the magnetic circuit, the size of the gap between the rotor and stator, as well as the magnetomotive force of the stator winding (MDF). This dependence is nonlinear, and the increase in MMF due to an increase in winding current is limited by the permissible heating temperature of the winding, on the one hand, and the limiting value of the core groove width, which determines, accordingly, the permissible tooth width, on the other hand. Reducing the tooth width reduces the effective cross-section of the magnetic wire, increases the magnetic saturation of the material in the tooth, reduces the magnetic flux in it and, as a consequence, reduces the effective magnetic flux in the entire magnetic system of the electric motor. In stator windings, copper winding wire with thin insulation is usually used, since copper has high electrical and thermal conductivity and copper wire with thin, usually enamel, insulation provides maximum current density in the slotted parts of the winding with a minimum slot width and a maximum stator tooth width. At the same time, the absence of ferromagnetic properties in copper, although to a minimal extent compared to other conductor materials, nevertheless significantly reduces the cross-section of the magnetic circuit and reduces the effective magnetic flux. (Electrical machines: Textbook for universities / I.P. Kopylov. - 3rd ed., revised - M.: Higher school, 2002 - 607 pp.). Thus, it follows from the theory that the lack of ferromagnetic properties in winding materials is a factor that fundamentally prevents the achievement of maximum power in the design of an electric motor with given dimensions.

Известны бесколлекторные электродвигатели, асинхронные и синхронные, необходимо включающие в себя статор, который состоит из сердечника, выполненного из электротехнической стали в форме отрезка трубы, внутренняя поверхность которой имеет вид кругового цилиндра с пазами. Сердечник статора обычно изготавливается шихтованным, т.е. набранным из отдельных тонких изолированных пластин. В пазы сердечника, уложены проводники многофазной обмотки, электрически соединенные в лобных (торцовых) частях в соответствии с ее электрической схемой, к обмотке подсоединены питающие провода. (Электрические машины: Учеб. для вузов/ И.П.Копылов. - 3-е изд., испр. - М. :Высш. шк., 2002 -607 с). Характерным признаком известной конструкции статора бесколлекторного электродвигателя является наличие отдельного сердечника и изолированных неферромагнитных проводников обмотки, которые уложены между зубцами в пазы сердечника. Зубцы и их магнитное насыщение, в значительной степени, определяют массогабаритные характеристики электродвигателя, поскольку силовое взаимодействие магнитных потоков ротора и статора определяется фактически площадями зубчатых поверхностей через которые замыкается магнитный поток между статором и ротором.Brushless electric motors are known, asynchronous and synchronous, necessarily including a stator, which consists of a core made of electrical steel in the form of a piece of pipe, the inner surface of which has the form of a circular cylinder with grooves. The stator core is usually made laminated, i.e. assembled from individual thin insulated plates. The conductors of the multiphase winding are laid in the grooves of the core, electrically connected in the frontal (end) parts in accordance with its electrical circuit, and supply wires are connected to the winding. (Electrical machines: Textbook for universities / I.P. Kopylov. - 3rd ed., revised - M.: Higher school, 2002 -607 p.). A characteristic feature of the known design of the stator of a brushless electric motor is the presence of a separate core and insulated non-ferromagnetic winding conductors, which are laid between the teeth in the grooves of the core. The teeth and their magnetic saturation, to a large extent, determine the weight and size characteristics of the electric motor, since the force interaction of the magnetic fluxes of the rotor and stator is actually determined by the areas of the toothed surfaces through which the magnetic flux between the stator and the rotor is closed.

Известен статор электродвигателя, который содержит сердечник - магни-топровод в виде контура с отдельными зубцами, между которыми вокруг магнитопровода намотаны обмотки, подключенные к источнику переменного тока. Магнитопровод имеет четное количество зубцов, а расположенные по разные стороны относительно каждого зубца обмотки соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков (описание к патенту на изобретение RU № 2719685, опубл. 21.04.2020 бюл. № 12). В данном аналоге в максимальной степени выражен названный выше характерный признак, присущий всем аналогам. В этой конструкции ширина зубцов минимальна по отношению к размерам промежутков между зубцами, которые, ввиду больших своих размеров, в данном решении даже не идентифицируются как пазы. Для специалиста очевидно, что магнитное насыщение материала магнитопровода и величина магнитного потока, взаимодействующего с магнитной системой ротора определяется только суммарной площадью сечения зубцов, что при заданных габаритах статора значительно снижает вращающий момент и уменьшает габаритную мощность электродвигателя.The stator of an electric motor is known, which contains a core - a magnetic conductor in the form of a circuit with individual teeth, between which windings are wound around the magnetic conductor, connected to an alternating current source. The magnetic core has an even number of teeth, and the windings located on different sides relative to each tooth are connected counter-connected with the possibility of creating multidirectional magnetic fluxes (description of the patent for the invention RU No. 2719685, published 04/21/2020 Bulletin No. 12). In this analogue, the above-mentioned characteristic feature inherent in all analogues is expressed to the maximum extent. In this design, the width of the teeth is minimal in relation to the size of the spaces between the teeth, which, due to their large sizes, are not even identified as grooves in this solution. It is obvious to a specialist that the magnetic saturation of the magnetic core material and the magnitude of the magnetic flux interacting with the magnetic system of the rotor is determined only by the total cross-sectional area of the teeth, which, given the dimensions of the stator, significantly reduces the torque and reduces the overall power of the electric motor.

За аналог - прототип изобретения принимается конструкция типового статора, входящего в состав асинхронного электродвигателя (М.М. Кацман, учебник Электрические машины, М. :Высш. шк., 1990, с. 104, 146). В этой конструкции трехфазный ток в пазовых проводниках обмотки статора создает вращающийся магнитный поток, который замыкается через зазор между зубцами сердечника и наружной цилиндрической поверхностью сердечника ротора. Взаимодействие магнитных потоков возбуждения ротора и вращающегося магнитного потока статора синхронного электродвигателя приводит к появлению вращающего момента на роторе. Недостатками данного аналога, в данном контексте, являются его неудовлетворительные массогабаритные характеристики, обусловленные все тем же наличием медных (диамагнитных) проводников в пазах статора и самих пазов, не проводящих магнитный поток, который поэтому концентрируется в зубцах сердечника со всеми последствиями, указанными и обоснованными выше.The design of a standard stator included in an asynchronous electric motor is taken as an analogue - a prototype of the invention (M.M. Katsman, textbook Electrical Machines, M.: Higher School, 1990, pp. 104, 146). In this design, three-phase current in the slot conductors of the stator winding creates a rotating magnetic flux, which is closed through the gap between the core teeth and the outer cylindrical surface of the rotor core. The interaction of the magnetic fluxes of the rotor excitation and the rotating magnetic flux of the stator of a synchronous electric motor leads to the appearance of torque on the rotor. The disadvantages of this analogue, in this context, are its unsatisfactory weight and size characteristics, due to the same presence of copper (diamagnetic) conductors in the stator slots and the slots themselves, which do not conduct magnetic flux, which is therefore concentrated in the teeth of the core with all the consequences indicated and justified above .

Целью изобретения «Статор бесколлекторного электродвигателя» является увеличение вращающего момента электродвигателя. При использовании изобретения достигается базовый технический результат, который заключается в увеличении эффективного магнитного потока статора, по сравнению с аналогами, при равной величине МДС обмотки и равных его габаритах, что и имеет своим следствием достижение указанной цели.The purpose of the invention “Brushless electric motor stator” is to increase the torque of the electric motor. When using the invention, a basic technical result is achieved, which consists in increasing the effective magnetic flux of the stator, in comparison with analogues, with an equal value of the MMF of the winding and equal dimensions, which results in the achievement of this goal.

Сущность изобретения, обеспечивающая достижение заявленного технических результата, заключается в том, что статор бесколлекторного электродвигателя, содержит сердечник, выполненный из магнитомягкого ферромагнитного материала и регулярную многофазную обмотку статора, образованную активными проводниками в совокупности с лобными проводниками, к концам которой присоединены провода - выводы, причем активные проводники обмотки выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала. От известных аналогов патентуемый статор отличается тем, что на один полюс каждой фазы сосредоточенной обмотки приходится один активный проводник, изоляция которого выполнена частично, то есть за исключением тех поверхностей, которые обращены к ротору, причем в качестве изолирующего материала использован диэлектрический материал с магнитомягкими ферромагнитными свойствами.The essence of the invention, ensuring the achievement of the stated technical result, lies in the fact that the stator of a brushless electric motor contains a core made of soft magnetic ferromagnetic material and a regular multiphase stator winding formed by active conductors in combination with frontal conductors, to the ends of which wires are connected - leads, and The active conductors of the winding are made of soft magnetic ferromagnetic material. The patented stator differs from known analogues in that for one pole of each phase of the lumped winding there is one active conductor, the insulation of which is partially made, that is, with the exception of those surfaces that face the rotor, and a dielectric material with soft magnetic ferromagnetic properties is used as an insulating material .

Обозначенная выше сущность изобретения связана с заявленным техническим результатом следующим образом:The above-mentioned essence of the invention is related to the claimed technical result as follows:

Увеличение эффективного магнитного потока статора по сравнению с аналогами при равной величине МДС обмотки и равных его габаритах достигается за счет исключения из сердечника статора не ферромагнитных объемов, которые, согласно изобретению, оказываются заполненными магнитомягким ферромагнитным материалом обмотки и магнитомягким ферромагнитным материалом изоляции проводников обмотки, что обеспечивает магнитную проводимость всего объема статора и замыкание магнитного потока через всю внутреннюю поверхность его сердечника.An increase in the effective magnetic flux of the stator compared to analogues with an equal value of MMF of the winding and equal dimensions is achieved by eliminating non-ferromagnetic volumes from the stator core, which, according to the invention, are filled with soft magnetic ferromagnetic material of the winding and soft magnetic ferromagnetic material of insulation of the winding conductors, which ensures magnetic conductivity of the entire volume of the stator and the closure of the magnetic flux through the entire inner surface of its core.

Заявленный технический результат (эффект) и устройство патентуемого статора поясняются чертежами.The declared technical result (effect) and the design of the patented stator are illustrated with drawings.

На Фиг. 1 схематично изображено магнитное поле магнитной системы четы-рехполюсного трехфазного бесколлекторного электродвигателя в поперечном его сечении, индуцированное одной фазой обмотки, в соответствии с конструкцией статора аналога-прототипа. Данная визуализация соответствуют результатам параметрического моделирования плоской задачи в системе ANSYS.In FIG. Figure 1 schematically shows the magnetic field of the magnetic system of a four-pole three-phase brushless electric motor in its cross section, induced by one phase of the winding, in accordance with the design of the stator of the prototype analogue. This visualization corresponds to the results of parametric modeling of a plane problem in the ANSYS system.

На Фиг. 2 схематично изображено магнитное поле магнитной системы четы-рехполюсного трехфазного бесколлекторного электродвигателя в поперечном его сечении, индуцированное одной фазой обмотки, в соответствии с патентуемой конструкцией статора. Данная визуализация соответствуют результатам параметрического моделирования плоской задачи в системе ANSYS.In FIG. Figure 2 schematically shows the magnetic field of the magnetic system of a four-pole three-phase brushless electric motor in its cross section, induced by one phase of the winding, in accordance with the patented stator design. This visualization corresponds to the results of parametric modeling of a plane problem in the ANSYS system.

На Фиг. 3 схематично изображен вариант конструкции статора четырехполюсного трехфазного бесколлекторного электродвигателя в поперечном его сечении, в соответствии с заявленным техническим решением.In FIG. Figure 3 schematically shows a design option for the stator of a four-pole three-phase brushless electric motor in its cross section, in accordance with the stated technical solution.

Статор бесколлекторного электродвигателя (Фиг. 3), содержит сердечник (1), выполненный из магнитомягкого ферромагнитного материала, например, из электротехнической стали и электрическую обмотку, выполненную из магнитомягкого ферромагнитного проводникового материала, например, из магнитомягкой стальной проволоки с эмалевой изоляцией. Активные проводники (2) такой обмотки представляют собою функциональный аналог пазовым проводникам статора-прототипа и, в совокупности с лобными (торцевыми) проводниками (3), образуют регулярную многофазную обмотку статора, к концам которой присоединены провода - выводы (4). Для изготовления лобных (торцевых) проводников обмотки могут быть использованы медные провода или медные шины, электрически соединенные с активными проводниками обмотки, в соответствии с ее электрической схемой. Переходные сопротивления соединений должны быть минимальны. Для обеспечения этого условия, соединения активных проводников (2) с лобными проводниками (3) и подсоединение к обмотке питающих проводов-выводов (4), может быть выполнено способом пайки или другим способом. В соответствии с заявленной сущностью изобретения, на один полюс каждой фазы сосредоточенной обмотки приходится один изолированный активный проводник (2) обмотки. В качестве изолирующего слоя (5) активных проводников (2) обмотки статора в предлагаемом решении применен диэлектрический материал с магнитомягкими ферромагнитными свойствами, например магнитопласт. Активные проводники (2) обмотки, согласно изобретению изолированы частично, т.е. изолированы по своим смежным поверхностям, за исключением тех поверхностей, которые обращены к сердечнику ротора (6).The stator of a brushless electric motor (Fig. 3) contains a core (1) made of soft magnetic ferromagnetic material, for example, electrical steel, and an electrical winding made of soft magnetic ferromagnetic conductor material, for example, soft magnetic steel wire with enamel insulation. The active conductors (2) of such a winding are a functional analogue of the slot conductors of the prototype stator and, together with the frontal (end) conductors (3), form a regular multiphase stator winding, to the ends of which wires - leads (4) are attached. To make the frontal (end) conductors of the winding, copper wires or copper busbars can be used, electrically connected to the active conductors of the winding, in accordance with its electrical circuit. Transition resistances of connections should be minimal. To ensure this condition, the connection of the active conductors (2) with the frontal conductors (3) and the connection to the winding of the supply wires-leads (4) can be done by soldering or another method. In accordance with the stated essence of the invention, there is one insulated active conductor (2) of the winding per pole of each phase of the concentrated winding. The proposed solution uses a dielectric material with soft magnetic ferromagnetic properties, such as magnetoplast, as an insulating layer (5) of the active conductors (2) of the stator winding. The active conductors (2) of the winding, according to the invention, are partially insulated, i.e. isolated along their adjacent surfaces, with the exception of those surfaces that face the rotor core (6).

Статор бесколлекторного электродвигателя, работает следующим образом. Провода-выводы (4) соединяют в соответствии с одной из общеизвестных схем соединения выводов статора бесколлекторных машин, например, звездой или треугольником. Питающее многофазное (применительно к схеме Фиг. 3-трехфазное) переменное напряжение через питающие провода (4) поступает на элементы (2), в которых возникает переменный многофазный электрический ток, индуцирующий в сердечнике - магнитопроводе магнитный поток возбуждения, вращающийся относительно оси статора и замыкающийся через сердечник статора (1), сердечник (6) ротора и кольцевой зазор (7) между ними. Таким образом, обеспечивается выполнение целевой функции статора бесколлекторного электродвигателя, а именно создание вращающегося магнитного поля в магнитной системе электродвигателя. Фиг. 3 иллюстрирует реализацию сосредоточенной обмотки статора с одновитковыми катушками, в которых на один полюс каждой фазы обмотки приходится один изолированный активный проводник (2) обмотки. Этот единственный проводник (2) функционально соответствует совокупности пазовых проводников обмотки статора-прототипа, расположенных в пазах его сердечника, которые приходятся на один полюс и фазу обмотки. Такое решение эффективно снижает активные потери на джоулево тепло, поскольку обеспечивает максимальное поперечное сечение проводника (2) и его максимальную проводимость. В качестве изолирующего слоя (5) активных проводников обмотки (2) использован диэлектрический изоляционный материала с магнитомягкими ферромагнитными свойствами, например, магнитопласт, что дополнительно способствовует достижению заявленного технического результата, за счет уменьшения магнитного потока рассеяния на изоляции. Отсутствие изоляции на тех поверхностях активных проводников (2), которые обращены к ротору (6) не влияет на работоспособность статора.The stator of a brushless electric motor works as follows. The lead wires (4) are connected in accordance with one of the well-known connection schemes for the stator leads of brushless machines, for example, a star or a triangle. The supply multiphase (in relation to the circuit Fig. 3-three-phase) alternating voltage through the supply wires (4) is supplied to the elements (2), in which an alternating multiphase electric current arises, inducing a magnetic excitation flux in the core - magnetic circuit, rotating relative to the stator axis and closing through the stator core (1), the rotor core (6) and the annular gap (7) between them. Thus, the target function of the stator of a brushless electric motor is ensured, namely the creation of a rotating magnetic field in the magnetic system of the electric motor. Fig. 3 illustrates the implementation of a concentrated stator winding with single-turn coils, in which there is one insulated active conductor (2) of the winding for one pole of each phase of the winding. This single conductor (2) functionally corresponds to a set of slot conductors of the prototype stator winding, located in the slots of its core, which correspond to one pole and phase of the winding. This solution effectively reduces active losses due to Joule heat, since it ensures the maximum cross-section of the conductor (2) and its maximum conductivity. As an insulating layer (5) of the active conductors of the winding (2), a dielectric insulating material with soft magnetic ferromagnetic properties, for example, magnetoplast, is used, which additionally helps to achieve the stated technical result by reducing the magnetic leakage flux on the insulation. The lack of insulation on those surfaces of the active conductors (2) that face the rotor (6) does not affect the performance of the stator.

Предлагаемое, как изобретение, техническое решение успешно испытано в опытных изделиях, ожидаемый технический результат подтвержден.The technical solution proposed as an invention has been successfully tested in pilot products, the expected technical result has been confirmed.

Claims

A stator of a brushless electric motor containing a core made of soft magnetic ferromagnetic material, and a regular multiphase stator winding formed by active conductors in conjunction with frontal conductors, to the ends of which wires are connected - leads, and the active conductors of the winding are made of soft magnetic ferromagnetic material, characterized in that for one pole of each phase of the concentrated winding there is one active conductor, the insulation of which is partially made, that is, with the exception of those surfaces that face the rotor, and a dielectric material with soft magnetic ferromagnetic properties is used as an insulating material.