RU234503U1 - Active part of a synchronous electric machine with permanent magnets - Google Patents
Active part of a synchronous electric machine with permanent magnets Download PDFInfo
- Publication number
- RU234503U1 RU234503U1 RU2024134694U RU2024134694U RU234503U1 RU 234503 U1 RU234503 U1 RU 234503U1 RU 2024134694 U RU2024134694 U RU 2024134694U RU 2024134694 U RU2024134694 U RU 2024134694U RU 234503 U1 RU234503 U1 RU 234503U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stator
- electric machine
- teeth
- permanent magnets
- active part
- Prior art date
Links
Abstract
Полезная модель относится к области электротехники, в частности к активной части синхронной электрической машины с постоянными магнитами обращенной конструкции, которая может быть использована в конструкциях синхронных машин. Технический результат – повышение удельной мощности. Активная часть синхронной электрической машины с постоянными магнитами содержит статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами. Статор включает модульный магнитопровод, состоящий из опорного элемента, Т-образных зубцов, закрепленных на опорном элементе, и фазной обмотки статора, расположенной в пазах между зубцами. Опорный элемент магнитопровода выполнен в виде многогранной призмы, количество граней которой равно количеству зубцов. Проводники фазных обмоток выполняются с постоянной площадью поперечного сечения, но изменяющейся вдоль центральной осевой линии намотки формой поперечного сечения. Зубцы магнитопровода статора и опорный элемент изготовлены из шихтованной тонколистовой стали с электроизоляционным покрытием, а фазная обмотка статора изготовлена из электротехнической меди. 2 з.п. ф-лы, 6 ил. The utility model relates to electrical engineering, in particular to the active part of a synchronous electric machine with permanent magnets of an inverted design, which can be used in the designs of synchronous machines. The technical result is an increase in the specific power. The active part of a synchronous electric machine with permanent magnets contains a stator and a rotor made in the form of a multi-pole magnet with alternating magnetic poles uniformly located around the circumference. The stator includes a modular magnetic circuit consisting of a support element, T-shaped teeth fixed on the support element, and a phase winding of the stator located in the slots between the teeth. The support element of the magnetic circuit is made in the form of a polyhedral prism, the number of faces of which is equal to the number of teeth. The conductors of the phase windings are made with a constant cross-sectional area, but a cross-sectional shape changing along the central axial line of the winding. The stator magnetic circuit teeth and the support element are made of laminated thin sheet steel with an electrically insulating coating, and the stator phase winding is made of electrical copper. 2 s.p. fil., 6 fig.
Description
Полезная модель относится к области электротехники, в частности к активной части синхронной электрической машины с постоянными магнитами обращенной конструкции, которая может быть использована в конструкциях синхронных двигателей и генераторов с ротором на постоянных магнитах.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to the active part of a synchronous electric machine with permanent magnets of reversed design, which can be used in the designs of synchronous motors and generators with a rotor on permanent magnets.
Активная часть синхронной электрической машины с постоянными магнитами обращенной конструкции состоит из наружного ротора, представляющего собой цилиндрический магнитопровод с закрепленными на нем постоянными магнитами с чередующимися полюсами, и отделенного от него воздушным зазором внутреннего статора, представляющего собой многозубцевый магнитопровод, вокруг каждого зубца которого намотана катушка фазной обмотки.The active part of a synchronous electric machine with permanent magnets of reversed design consists of an external rotor, which is a cylindrical magnetic circuit with permanent magnets with alternating poles fixed to it, and an internal stator separated from it by an air gap, which is a multi-tooth magnetic circuit, around each tooth of which a phase winding coil is wound.
Известна электрическая машина с модульными зубцами статора и обмотками из сверхпроводникового материала (патент РФ, № 2 747 884 С1), содержащей статор с расположенной на нем обмоткой и внешний ротор с постоянными магнитами. Обмотка статора выполнена из сверхпроводникового материала, а зубцы статора выполнены в виде отдельных модулей с возможностью крепления к спинке статора, изготовленной из электротехнической стали. При этом зубцы статора изготовлены из аморфного железа.An electric machine with modular stator teeth and windings made of superconducting material is known (RU Patent No. 2 747 884 C1), comprising a stator with a winding located on it and an external rotor with permanent magnets. The stator winding is made of superconducting material, and the stator teeth are made in the form of separate modules with the possibility of fastening to the stator back made of electrical steel. In this case, the stator teeth are made of amorphous iron.
Недостаток аналога заключается в ограниченности применения сверхпроводников с крайне низкой температурой, при которой достигается эффект перехода проводника в сверхпроводящее состояние.The disadvantage of the analogue is the limited use of superconductors with extremely low temperatures at which the effect of the conductor's transition to a superconducting state is achieved.
Известна конструкция модульного статора синхронной вращающейся электрической машины (патент РФ, № 2 722 923 С1), который содержит установленные по его окружности одинаковые магнитопроводы, на зубцах которых размещены катушки так, что каждая катушка охватывает один зубец. Боковые стороны зубца, на котором размещена катушка, параллельны по высоте зубца. Зубцы одного и того же магнитопровода образуют между собой открытые прямоугольные пазы. Каждый магнитопровод выполнен Ш-образным и содержит средний зубец и два крайних зубца. Магнитопроводы установлены по окружности статора таким образом, что каждый из двух соседних магнитопроводов сопряжен своими крайними зубцами с образованием составного зубца из двух сопряженных крайних зубцов. Каждая из катушек повторяет форму паза и занимает, по существу, весь объем пазов, примыкающих к среднему зубцу, который эта катушка охватывает, а составной зубец не охвачен катушкой.A design of a modular stator of a synchronous rotating electric machine is known (RU Patent No. 2 722 923 C1), which contains identical magnetic cores installed along its circumference, on the teeth of which coils are placed so that each coil covers one tooth. The lateral sides of the tooth on which the coil is placed are parallel along the height of the tooth. The teeth of the same magnetic core form open rectangular slots between themselves. Each magnetic core is made Ш-shaped and contains a middle tooth and two outer teeth. The magnetic cores are installed along the circumference of the stator in such a way that each of the two adjacent magnetic cores is conjugated by its outer teeth to form a composite tooth of two conjugated outer teeth. Each of the coils repeats the shape of the slot and occupies, in essence, the entire volume of the slots adjacent to the middle tooth, which this coil covers, and the composite tooth is not covered by the coil.
Недостаток аналога заключается в недостаточно эффективном использовании объема конструкции.The disadvantage of the analogue is the insufficiently efficient use of the structure’s volume.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели, принятым за прототип, является полифазный синхронный электрический двигатель (патент РФ, №203611 U1), содержащий статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с ножками с симметричными шляпками, разделенными пазами, намотка обмотки статора выполнена пофазно для групп ножек, расположенных по окружности статора, число магнитных полюсов статора является нечетным, кратным количеству используемых фаз, а число полюсов ротора при этом отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов статора.The closest to the proposed utility model, adopted as a prototype, is a polyphase synchronous electric motor (patent of the Russian Federation, No. 203611 U1), containing a stator and a rotor made in the form of a multi-pole magnet with alternating magnetic poles uniformly located around the circumference, wherein the stator is made with legs with symmetrical caps separated by grooves, the winding of the stator winding is made in phases for groups of legs located around the circumference of the stator, the number of magnetic poles of the stator is odd, a multiple of the number of phases used, and the number of poles of the rotor differs by one unit from the number of magnetic poles of the stator.
Недостаток прототипа заключается в недостаточно эффективном использовании объема внутри активной части электродвигателя за счет применения стандартных элементарных токопроводов статора с постоянным круглым поперечным сечением.The disadvantage of the prototype is the insufficiently efficient use of the volume inside the active part of the electric motor due to the use of standard elementary stator current leads with a constant circular cross-section.
Задача настоящей полезной модели заключается в необходимости разработки простой конструкции активной части электрической машины с постоянными магнитами, с максимально возможным использованием внутреннего объема ее конструкции без потери электрической мощности, и как следствие - минимизацией массово-габаритных характеристик.The objective of this utility model is to develop a simple design for the active part of an electric machine with permanent magnets, with the maximum possible use of the internal volume of its design without loss of electrical power, and as a consequence, minimization of mass and dimensional characteristics.
Основной технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении удельной мощности активной части электрической машины за счет уменьшения ее массогабаритных характеристик, получаемый более плотной компоновкой ее отдельных конструктивных элементов при сохранении электрической мощности.The main technical result, which the utility model is aimed at achieving, is to increase the specific power of the active part of the electric machine by reducing its mass and size characteristics, obtained by a denser arrangement of its individual structural elements while maintaining the electrical power.
Техническая задача и результат достигается за счет того, что активная часть синхронной электрической машины с постоянными магнитами, содержит статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами, согласно полезной модели, статор включает магнитопровод, состоящий из опорного элемента, Т-образных зубцов, закрепленных на опорном элементе, и фазной обмотки статора, расположенной в пазах между зубцами и охватывающей каждый зубец, причем проводники фазных обмоток выполняются с постоянной площадью поперечного сечения, но изменяющейся вдоль центральной осевой линии намотки формой поперечного сечения в соответствии с изображением на фиг. 2в. Кроме того, зубцы магнитопровода статора и опорный элемент изготовлены из шихтованной тонколистовой стали с электроизоляционным покрытием, а фазная обмотка статора изготовлена из электротехнической меди.The technical task and result are achieved due to the fact that the active part of the synchronous electric machine with permanent magnets contains a stator and a rotor made in the form of a multi-pole magnet with alternating magnetic poles uniformly located around the circumference; according to the utility model, the stator includes a magnetic circuit consisting of a support element, T-shaped teeth fixed on the support element, and a phase winding of the stator located in the slots between the teeth and covering each tooth, wherein the conductors of the phase windings are made with a constant cross-sectional area, but a cross-sectional shape changing along the central axial line of the winding in accordance with the image in Fig. 2c. In addition, the stator magnetic circuit teeth and the support element are made of laminated thin sheet steel with an electrical insulating coating, and the stator phase winding is made of electrical copper.
Сущность полезной модели поясняют схемы, эскизы и рисунки.The essence of the utility model is explained by diagrams, sketches and drawings.
Фиг. 1 - Эскиз активной части синхронной электрической машины обращенной конструкции с постоянными магнитами.Fig. 1 - Sketch of the active part of a synchronous electric machine of inverted design with permanent magnets.
Фиг. 2 - Схема замены токопровода с круглым сечением на токопровод с трапецеидальным сечением переменной формы с сохранением эффективной площади сечения.Fig. 2 - Diagram of replacing a conductor with a round cross-section with a conductor with a trapezoidal cross-section of variable shape while maintaining the effective cross-sectional area.
Фиг. 3 - Эскиз формирования магнитопровода статора совмещением зубцов и опорного элемента.Fig. 3 - Sketch of the formation of the stator magnetic circuit by combining teeth and a support element.
Фиг. 4 - Характеристики реализованных конструкций активной части синхронной электрической машины с постоянными магнитами по описанной полезной модели.Fig. 4 - Characteristics of the implemented designs of the active part of a synchronous electric machine with permanent magnets according to the described utility model.
Фиг. 5 - Пример конструкции активной части синхронной электрической машины с постоянными магнитами по описанной полезной модели.Fig. 5 - Example of the design of the active part of a synchronous electric machine with permanent magnets according to the described utility model.
Фиг. 6 - Пример схемы фазных обмоток статора активной части синхронной электрической машины с постоянными магнитами по описанной полезной модели.Fig. 6 - Example of a diagram of phase windings of the stator of the active part of a synchronous electric machine with permanent magnets according to the described utility model.
Активная часть синхронной электрической машины обращенной конструкции с постоянными магнитами (фиг. 1) включает в себя магнитопровод ротора 3 с равномерно расположенными по окружности и обращенными внутрь - к центру конструкции, чередующими полярность магнитными полюсами 4, а также магнитопровод статора 1 с размещенными на нем фазными обмотками 2. Ротором являются наружные компоненты активной части синхронной электрической машины, а статор расположен в центральной части. Магнитопровод статора 1 выполнен с Т-образными зубцами с симметричными шляпками, разделенными пазами, а фазные обмотки 2 статора размещены каждая вокруг своего отдельного зубца, при этом каждый зубец закреплен по окружности магнитопровода статора 1. Зубцы магнитопровода статора 1 образуют пазы 5 (фиг. 3) для заполнения их фазной обмоткой 2. Между статором и ротором образован воздушный зазор, обеспечивающий свободное вращение наружного ротора относительно неподвижного статора.The active part of the synchronous electric machine of the inverted design with permanent magnets (Fig. 1) includes the rotor magnetic circuit 3 with uniformly spaced along the circumference and facing inward - to the center of the structure, alternating polarity magnetic poles 4, as well as the stator magnetic circuit 1 with phase windings 2 placed on it. The rotor is the external components of the active part of the synchronous electric machine, and the stator is located in the central part. The stator magnetic circuit 1 is made with T-shaped teeth with symmetrical caps separated by slots, and the phase windings 2 of the stator are each placed around its own separate tooth, wherein each tooth is fixed along the circumference of the stator magnetic circuit 1. The teeth of the stator magnetic circuit 1 form slots 5 (Fig. 3) for filling them with a phase winding 2. An air gap is formed between the stator and the rotor, ensuring free rotation of the outer rotor relative to the stationary stator.
Число зубцов Z магнитопровода статора 1 определяется соотношением [1,2]:The number of teeth Z of the magnetic circuit of stator 1 is determined by the ratio [1,2]:
, ,
где m - число фаз обмотки электрической машины, k = 1, 2, 3, … выбирается из условия выполнимости паза и желаемого числа полюсов машины.where m is the number of phases of the winding of an electric machine, k = 1, 2, 3, … is selected based on the condition of the feasibility of the slot and the desired number of poles of the machine.
Число пар p магнитных полюсов 4 ротора определяется соотношением:The number of pairs p of magnetic poles 4 of the rotor is determined by the ratio:
При выборе числа пар магнитных полюсов p определяется частота f перемагничивания магнитопровода электрической машины, по значению которой определяется допустимость применения конструкционных материалов:When selecting the number of pairs of magnetic poles p, the frequency f of the remagnetization of the magnetic circuit of the electric machine is determined, the value of which determines the admissibility of using structural materials:
, ,
где n - частота вращения ротора электродвигателя.where n is the rotation frequency of the electric motor rotor.
Устранение недостатка с малым процентом заполнения объема пазов 5 (фиг. 3), имеющегося у прототипа, решается заменой стандартного конструктивного исполнения проводников фазных обмоток статора 2 (фиг. 1), выполненных в виде медного токопровода круглого сечения (фиг. 2а), на токопровод с постоянной площадью поперечного сечения, но изменяющейся вдоль центральной осевой линии намотки формой поперечного сечения. Согласно изображению на фиг. 2б, такая замена позволяет уменьшить длину ножки зубца 6 (H1) и длину выступа спинки зубца 6 (B2), а, следовательно, и габаритный размер магнитопровода статора 1 (R1). При этом паз 5, образованный парой зубцов 6, будет практически полностью заполнен токопроводами фазной обмотки 2, что является признаком эффективного использования объема статора активной части синхронной электрической машины обращенной конструкции с постоянными магнитами. Визуально, катушка фазной обмотки 2 будет выглядеть так, как показано на фиг. 2в.The disadvantage of a low percentage of filling the volume of slots 5 (Fig. 3), which is present in the prototype, is eliminated by replacing the standard design of the conductors of the phase windings of the stator 2 (Fig. 1), made in the form of a copper current lead of a round cross-section (Fig. 2a), with a current lead with a constant cross-sectional area, but a cross-sectional shape changing along the central axial line of the winding. According to the image in Fig. 2b, such a replacement makes it possible to reduce the length of the leg of tooth 6 (H1) and the length of the projection of the back of tooth 6 (B2), and, consequently, the overall size of the magnetic circuit of the stator 1 (R1). In this case, slot 5, formed by a pair of teeth 6, will be almost completely filled with current leads of phase winding 2, which is a sign of the efficient use of the volume of the stator of the active part of a synchronous electric machine of an inverted design with permanent magnets. Visually, the coil of phase winding 2 will look as shown in Fig. 2c.
Применение описанных фазных обмоток позволяет существенно уменьшить габаритные размеры активной части синхронной электрической машины и, следовательно, массы в ряде ее конструктивных исполнений, повышая ее удельную мощность. Описанный эффект достигается за счет уменьшения габаритных размеров и объема магнитопроводов статора 1 и катушек фазной обмотки 2. Данные изменения компонентов не только позволяют снизить их массу, но и уменьшить размеры магнитопровода ротора 3 и магнитных полюсов 4, снижая и их массу.The use of the described phase windings allows to significantly reduce the overall dimensions of the active part of the synchronous electric machine and, consequently, the mass in a number of its design versions, increasing its specific power. The described effect is achieved by reducing the overall dimensions and volume of the stator magnetic circuits 1 and the coils of the phase winding 2. These changes in the components not only allow to reduce their mass, but also to reduce the dimensions of the rotor magnetic circuit 3 and magnetic poles 4, reducing their mass as well.
Зубцы магнитопровода 6 и опорный статорный элемент 7 могут быть изготовлены из шихтованной тонколистовой электротехнической стали с электроизоляционным покрытием (или листов другого магнитомягкого материала).The teeth of the magnetic circuit 6 and the supporting stator element 7 can be made of laminated thin-sheet electrical steel with an electrical insulating coating (or sheets of another soft magnetic material).
Зубцы магнитопровода 6 и опорный статорный элемент 7 могут быть изготовлены следующим образом. Сначала формируется пакет из листов электротехнической стали, склеенных между собой, затем из него вырезают зубцы и опорный элемент.The teeth of the magnetic circuit 6 and the supporting stator element 7 can be manufactured as follows. First, a package of sheets of electrical steel glued together is formed, then the teeth and the supporting element are cut out of it.
Фазная обмотка 2 может быть изготовлена из электротехнической меди. Сложная геометрическая форма может быть достигнута применением технологий точного литья или аддитивных производств.Phase winding 2 can be made of electrical copper. Complex geometric shapes can be achieved using precision casting or additive manufacturing technologies.
Активная часть синхронной электрической машины с постоянными магнитами работает следующим образом. На клеммы каждой фазы обмотки статора 2 подается переменное напряжение в соответствии с числом фаз электрической машины. По катушкам обмотки протекает электрический ток, создающий переменное магнитное поле, взаимодействующее с магнитными потоками, создаваемыми магнитными полюсами 4, намагниченными радиально, создавая вращающий момент.The active part of the synchronous electric machine with permanent magnets operates as follows. An alternating voltage is supplied to the terminals of each phase of the stator winding 2 in accordance with the number of phases of the electric machine. An electric current flows through the coils of the winding, creating an alternating magnetic field that interacts with the magnetic fluxes created by the magnetic poles 4, magnetized radially, creating a torque.
Полезная модель была реализована на практике с характеристиками, представленными на фиг. 4. 3D-модель и фото реализованной полезной модели представлена на фиг. 5, а схема соединения обмоток - на фиг. 6.The utility model was implemented in practice with the characteristics presented in Fig. 4. The 3D model and photo of the implemented utility model are presented in Fig. 5, and the winding connection diagram is shown in Fig. 6.
Список использованной литературыList of references
1. Шевченко, А. Ф. Анализ магнитодвижущих сил дробных зубцовых обмоток электрических машин / А. Ф. Шевченко, Т. В. Честюнина // Электротехника. 2009. № 12. С. 3-7.1. Shevchenko, A. F. Analysis of magnetomotive forces of fractional tooth windings of electrical machines / A. F. Shevchenko, T. V. Chestyunina // Electrical Engineering. 2009. No. 12. P. 3-7.
2. Шевченко, А. Ф. Многополюсные синхронные машины с дробными q < 1 зубцовыми обмотками с возбуждением от постоянных магнитов / А. Ф. Шевченко // Электротехника. 2007. № 9. С. 3-8.2. Shevchenko, A. F. Multi-pole synchronous machines with fractional q < 1 tooth windings with excitation from permanent magnets / A. F. Shevchenko // Electrical Engineering. 2007. No. 9. P. 3-8.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU234503U1 true RU234503U1 (en) | 2025-05-30 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1046847A1 (en) * | 1981-07-20 | 1983-10-07 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт | Section of two-layer winding of electric machine |
| WO1998034244A1 (en) * | 1997-02-03 | 1998-08-06 | Asea Brown Boveri Ab | Winding in transformer or inductor |
| RU2533163C1 (en) * | 2010-09-21 | 2014-11-20 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Winding design, rotating electrical machine and method for manufacturing of rotating electrical machine |
| US20210013784A1 (en) * | 2018-02-12 | 2021-01-14 | Epropelled Limited | Electromagnetic devices |
| RU203611U1 (en) * | 2020-08-08 | 2021-04-14 | Сергей Сергеевич Лагутин | Polyphase Synchronous Electric Motor |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1046847A1 (en) * | 1981-07-20 | 1983-10-07 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт | Section of two-layer winding of electric machine |
| WO1998034244A1 (en) * | 1997-02-03 | 1998-08-06 | Asea Brown Boveri Ab | Winding in transformer or inductor |
| RU2533163C1 (en) * | 2010-09-21 | 2014-11-20 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Winding design, rotating electrical machine and method for manufacturing of rotating electrical machine |
| US20210013784A1 (en) * | 2018-02-12 | 2021-01-14 | Epropelled Limited | Electromagnetic devices |
| RU203611U1 (en) * | 2020-08-08 | 2021-04-14 | Сергей Сергеевич Лагутин | Polyphase Synchronous Electric Motor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4148647B2 (en) | Multipolar motor generator with axial magnetic flux | |
| US6700271B2 (en) | Hybrid synchronous motor equipped with toroidal winding | |
| US6949855B2 (en) | Transverse flux electrical machine with toothed rotor | |
| US20070252447A1 (en) | Electric motor having a stator | |
| Binns et al. | High-field self-starting permanent-magnet synchronous motor | |
| JP2000350428A (en) | Alternating current equipment | |
| Zulu et al. | Topologies for wound-field three-phase segmented-rotor flux-switching machines | |
| US2939025A (en) | Electric motor | |
| US3912958A (en) | Flux-switched inductor alternator | |
| RU234503U1 (en) | Active part of a synchronous electric machine with permanent magnets | |
| RU105540U1 (en) | MODULAR ELECTRIC MACHINE | |
| RU2599056C1 (en) | High-speed multi-phase synchronous generator | |
| JP2018108007A (en) | Generator decreasing magnetic force resistance | |
| RU2412519C1 (en) | Reluctance machine | |
| EP4068573A1 (en) | A cogging electric machine and a method of operating the cogging electric machine | |
| RU2256276C2 (en) | Butt-end momentum motor | |
| JPH0799923B2 (en) | Brushless motor winding method | |
| EP1514340A1 (en) | Synchronous electrical concentrated coil machine | |
| Bastawade et al. | Analytical and FEA based analysis of homopolar poly-phase transverse flux machine | |
| RU238701U1 (en) | THREE-PHASE LINEAR CYLINDRICAL ELECTRIC MACHINE | |
| RU2716489C2 (en) | Electromechanical converter | |
| RU2829312C1 (en) | Magnetoelectric machine | |
| RU2771993C2 (en) | Electric machine with rotor created according to halbach scheme | |
| RU2751533C1 (en) | Method for winding phase stator windings of multi-pole electric machine | |
| RU2541427C1 (en) | Terminal electric machine (versions) |