BG2095U1

BG2095U1 - Безчеткова електрическа машина с въздушно охлаждане

Info

Publication number: BG2095U1
Application number: BG002954U
Authority: BG
Inventors: Енчо Попов
Original assignee: "Алмотт" Оод
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2015-07-31

Abstract

Електрическата машина е предназначена за работа като алтернатор и мотор-алтернатор за подвижни превозни средства, като серводвигател, като електродвигател за електромобили и др. Тя има намалени габаритни размери в две взаимноперпендикулярни направления при запазена мощност. Част от външната повърхност на цилиндричен статор (5) е гладка и е обхваната от алуминиево тяло (8), съставено от огледално разположени и притиснати челно една към друга предна част (8а) и задна част (8в) на алуминиевото тяло (8) със сечение с квадратно-овална форма. В ъгловите зони на алуминиевото тяло (8) са оформени аксиални вентилационни канали (9). При необходимост, роторното пространство може да бъде изолирано от външния въздух чрез неметална цилиндрична преграда (23). 9 претенции, 6 фигури

Description

Област на техниката

Полезният модел се отнася до безчеткова електрическа машина с въздушно охлаждане. Предназначена е за работа като серводвигатели, като електродвигатели за електромобили, като алтернатор за зареждане на акумулатори и за произвеждане на електроенергия с изправено напрежение за подвижни превозни средства или за неподвижни обекти, както и като моторалтернатори за подвижни моторни средства и за други обекти.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е електрическа машина като алтернатор [1], включваща вал, върху който е закрепен неподвижно безчетков роторен комплект с клюнообразни магнитовъзбудителни полюси. Роторният комплект е обхванат от цилиндричен статор. Цилиндричният статор е поместен в цилиндричен корпус, затворен от преден и заден щитове с вентилационни отвори. Върху задвижващия вал, пред предния щит, е монтиран охлаждащ вентилатор. Задвижващият вал, посредством преден лагер и заден лагер, е лагеруван в предния и задния щитове. Цилиндричният статор се състои от статорен пакет с множество канали, разпределени равномерно по вътрешната му повърхност. В каналите са положени една или повече трифазни намотки. Върху външната повърхност на цилиндричния статор са разположени множество равномерно разпределени вентилационни канали за преминаване на охлаждащия въздух, които са затворени външно от цилиндричен корпус. Паралелни вентилационни канали са оформени и в роторното пространство, между магнитните полюси. Върху задния щит е закрепен токоизправителен блок.

Недостатък на известната електрическа машина е неефективното въздушно охлаждане при повишени габаритни размери в две взаимно перпендикулярни направления, дължащо се на кръговото разположение и значителните размери на вентилационните канали, оформени върху външната повърхност на цилиндричния статор.

Техническа същност иа полезния модел

Задачата на полезния модел е да се създаде електрическа машина с въздушно охлаждане с намалени габаритни размери в две взаимно перпендикулярни направления при запазена мощност.

Тази задача се решава с безчеткова електрическа машина, включваща вал, лагеруван чрез съответни лагери в преден и заден щитове, имаща неподвижно закрепен върху вала роторен комплект, обхванат от цилиндричен статор, по вътрешната повърхност на който е оформено множество равномерно разпределени канали, в които са положени една или повече многофазни намотки с брой на фазите повече от две. Електрическата машина е снабдена с вентилатор и вентилационни канали. Съгласно полезния модел, поне една трета от цилиндричния статор е обхваната от алуминиево тяло, центровано по външната повърхност на цилиндричния статор и е съставено от предна част, обединена с предния щит, и огледално разположена спрямо предната част, задна част, която е обединена със задния щит. Обхващащото алуминиево тяло поне в частта си, обхващаща цилиндричния статор и частично извън него, има четири надлъжни стени, между които са разположени ъглови зони. Вентилационните канали са поне два и са оформени във всяка една ъглова зона на двете части на алуминиевото тяло, като са разделени с преградни вътрешни ребра. Задната част е притисната към предната част така, че каналите и предградните вътрешни ребра, принадлежащи на предната част и на задната част на алуминиевото тяло са продължение един на друг.

Обхващащото алуминиево тяло е с напречно сечение с квадратно овална форма, а четирите му надлъжни стени са плоски.

Възможно е обхващащото алуминиево тяло да е с напречно сечение квадрат, а четирите му надлъжни стени да са плоски.

Възможно е четирите надлъжни стени на алуминиевото тяло да са части от цилиндрична повърхност с радиус, превишаващ многократно радиуса на ъгловите зони.

Възможно е върху задния щит да е монтиран капак с входящ отвор за подаване на охлаждащ въздух от извънработната зона на безчетковата електрическа машина.

Над една или повече от плоските стени на предния корпус може да са монтирани дистанционно капаци за отклоняване назад и над предната част на алуминиевото тяло на част от

2095 UI излизащия от вентилационното пространство охлаждащ въздух.

Върху външната повърхност на статора, в зоните между всеки две съседни преградни вътрешни ребра, може да са оформени каналчета с дълбочина не по-голяма от 15% от дебелината на статорния ярем и с ширина не по-голяма от половината от каналната стъпка по вътрешната повърхност на статора.

В пространството между роторния комплект и цилиндричния статор може да е монтирана неметална цилиндрична преграда, центрована по вътрешната повърхност на статора.

Препоръчително е краищата на неметалната цилиндрична преграда да са свързани уплътняващо, съответно, към предния и задния щитове.

Движението на въздуха е осъществено от собствен вентилатор или от вентилатор с независима скорост на въртене.

Предимство на безчетковата електрическа машина съгласно полезния модел е осъщественото ефективно въздушно охлаждане при намалени габаритни размери в две взаимноперпендикулярни направления при запазена мощност.

Друго предимство е резултат на изолирането от външния въздух на роторното пространство и защитата на постоянните магнити от топлинното въздействие на статора чрез неметалната цилиндрична преграда.

Пояснение на приложените фиеури

Фигура 1 представлява напречен полуразрез на индукционна електрическа машина;

фигура 2 представлява над лъжен полуразрез през въздушен канал в корпуса на безчеткова електрическа машина с електромагнитно възбуждане, съдържаща един роторен комплект с клюнообразни полюси;

фигура 3 представлява надлъжен полуразрез през въздушен канал в корпуса на безчеткова електрическа машина с електромагнитно възбуждане, съдържаща два огледално разположени роторни модула с клюнообразни полюси;

фигура 4 представлява напречен полуразрез на безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити с изолирано от външния въздух роторно пространство;

фигура 5 представлява надлъжен полуразрез на безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити с изолирано от външния въздух роторно пространство;

фигура 6 представлява напречен частичен разрез на уплътняваща връзка в безчеткова 5 електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити от фигура 5, която е осъществена между щитовете и неметалната цилиндрична преграда, изолираща роторното пространство.

Примери на изпълнение на полезния модел

В едно примерно изпълнение, показано на фиг. 1, електрическата машина съгласно полезния модел е изпълнена като индукционна електрическа 15 машина. Тя се състои от вал 1, върху който е монтиран неподвижно роторен комплект 2. Върху външната повърхност на роторния комплект 2 е оформено множество външни канали 3, във всеки от които е положена късосъединена намотка 4. 20 Роторният комплект 2 е обхванат от цилиндричен статор 5. По вътрешната повърхност на цилиндричния статор 5 е оформено множество равномерно разпределени вътрешни канали 6, в които са положени една или повече намотки 7 с брой на 25 фазите повече от две. Поне една трета от дължината на цилиндричния статор 5 е обхваната от алуминиево тяло 8 с напречно сечение с квадратно овална форма, което има четири плоски стени, между които са разположени ъглови зони. 30 Алуминиевото тяло 8 е изградено от предна част 8а и задна част 8в. Предната част 8а е обединена с преден щит 16, лагеруван в преден лагер, свързан към вала 1. Задната част 8в е обединена със заден щит 13, лагеруван в заден лагер, свързан към вада 35 1. Задната част 8в е разположена огледално на предната част 8а и е притисната към нея. Във всяка една ъглова зона на алуминиевото тяло 8 със сечение с квадратно овална форма са оформени поне два аксиални вентилационни канала9. Между 40 всеки два аксиални вентилационни канали 9 са оформени преградни вътрешни ребра 10. Като вариант на полезния модел, върху външната повърхност на статора 5, в зоните между всеки две съседни преградни вътрешни ребра 10 на 45 алуминиевото тяло 8, са формирани аксиални вентилационни каналчета 11, които са не по-дълбоки от 15% от дебелината на статорния ярем и широки не повече от половината канална стъпка между вътрешните канали 6, разположени по вътрешната 50 повърхност на статора 5.

Възможно е обхващащото алуминиево тяло 8 да е с напречно сечение квадрат.

Друга възможност за реализиране на полезния модел е четирите надлъжни стени на алуминиево тяло 8 да са изпълнени като части от 5 цилиндрична повърхност, която е с радиус, многократно превишаващ радиуса на ъгловите зони.

В примерното изпълнение на фиг. 2 е показана безчеткова електрическа машина с електромагнитно 10 възбуждане, съдържаща един роторен комплект с клюнообразни полюси. Върху вала 1 е монтиран роторен комплект 2 с клюнообразни полюси. Роторният комплект 2 с клюнообразни полюси обхваща възбудител 12, монтиран към задния щит 15 13. Възбудителят 12 съдържа възбудителна бобина 14. Роторният комплект 2 е обхванат от цилиндричен статор 5. По вътрешната повърхност на цилиндричния статор 5 е оформено множество равномерно разпределени вътрешни канали 6, в които са 20 положени една или повече намотки 7 с брой на фазите по-голям от две. Статорът 5 е обхванат от алуминиево тяло 8. Алуминиевото тяло 8 е съставено от предна част 8а, обединена с преден щит 16, и огледално разположена задна част 8в, обединена 25 със заден щит 13. Поне в областта над цилиндричния статор 5 и частично извън него, предната част 8а и задната част 8в са с напречно сечение с квадратно овална форма. Алуминиевото тяло 8 има четири плоски стени, между които са разположени ъглови 3 0 зони. Във всяка една ъглова зона на алуминиевото тяло 8 със сечение с квадратно овална форма са оформени поне два аксиални вентилационни канала 9 с преградни вътрешни ребра 10 между тях. Задната част 8в на тялото 8 е притисната към предната част 35 8а, така че аксиалните вентилационни канали 9 и преградните вътрешни ребра 10 в задната част 8в са продължение на аксиалните вентилационни канали 9 и вътрешните преградни ребра 10 на предната част 8а. 40

Възможно е обхващащото алуминиево тяло 8 да е реализирано с напречно сечение квадрат.

Друга възможност за реализиране на полезния модел е, четирите надлъжни стени на алуминиево тяло 8 да са изпълнени като части от 45 цилиндрична повърхност, която е с радиус, многократно превишаващ радиуса на ъгловите зони.

При следващо примерно изпълнение, показано на фиг. 3, безчетковата електрическа машина е с електромагнитно възбуждане и съдържа два огледално разположени роторни комплекта с клюнообразни полюси 17а и 17в, като роторният комплект 2 е монтиран върху вала 1. Предният роторен комплект с клюнообразни полюси 17а обхваща възбудител 18а, а задният роторен комплект с клюнообразни полюси 17в обхваща възбудител 18в. Предният възбудител 18а е закрепен към предния щит 16 и съдържа възбудителна бобина 19а, а задният възбудител 18в е закрепен към задния щит 13 и съдържа възбудителна бобина 19в. Роторният комплект 2, изграден от двата огледално разположени роторни комплекта с клюнообразни полюси 17а и 17в, е обхванат от цилиндричен статор 5. По вътрешната повърхност на цилиндричния статор 5 е оформено множество равномерно разпределени вътрешни канали 6, в които са положени една или повече намотки 7 с брой на фазите повече от две. Статорът 5 е обхванат от алуминиево тяло 8. Алуминиевото тяло 8 е съставено от предна част 8а, обединена с преден щит 16, и огледално разположена задна част 8в, обединена със заден щит 13. Поне в областта над цилиндричния статор 5 и частично извън него предната част 8а и задната част 8в на алуминиевото тяло 8 са с напречно сечение с квадратно овална форма. Алуминиевото тяло 8 има четири плоски стени, между които са разположени ъглови зони. Във всяка една от ъгловите зони на алуминиевото тяло 8 със сечение с квадратно овална форма, са оформени поне два аксиални вентилационни канала 9 с преградни вътрешни ребра 10 между тях. Задната част 8в на алуминиевото тяло 8 е притиснато към предната част 8а, така че аксиалните вентилационни канали 9 и преградните вътрешни ребра 10 в задната част 8в са продължение на аксиалните вентилационни канали 9 и вътрешните преградни ребра 10 на предната част 8а.

Възможно е обхващащото алуминиево тяло 8 да е изпълнено с напречно сечение квадрат.

Друга възможност за реализиране на полезния модел е четирите надлъжни стени на алуминиево тяло 8 да са изпълнени като части от цилиндрична повърхност, която е с радиус, многократно превишаващ радиуса на ъгловите зони.

В примерното изпълнение, показано на фиг. 4 и фиг. 5, безчетковата електрическа машина е с възбуждане от постоянни магнити. Върху вала 1 е

2095 Ul монтиран роторен комплект 2, съдържащ постоянни магнити 20, закрепени неподвижно върху стоманен ярем 21, закрепен неподвижно чрез носач 22 към вала 1. Роторният комплект 2 е обхванат от цилиндричен статор 5. По вътрешната повърхност на цилиндричния статор 5 е оформено множество равномерно разпределени вътрешни канали 6, в които са положени една или повече намотки 7 с брой на фазите по-голям от две. Поне една трета от дължината на цилиндричния статор 5 е обхванат от алуминиево тяло 8. Алуминиевото тяло 8 е съставено от предна част 8а, обединена с преден щит 16, и огледално разположена задна част 8в, обединена със заден щит 13. Поне в областта над цилиндричния статор 5 и частично извън него предната част 8а и задната част 8в са с напречно сечение с квадратно овална форма. Във всяка една ъглова зона на алуминиевото тяло 8 със сечение с квадратно овална форма са оформени поне два аксиални вентилационни канала 9 с преградни вътрешни ребра 10 между тях. Задната част 8в на алуминиевото тяло 8 е притисната към предната част 8а така, че аксиалните вентилационни канали 9 и преградните вътрешни ребра 10 в задната част 8в са продължение на аксиалните вентилационни канали 9 и на вътрешните преградни ребра 10 на предната част 8а. Роторното пространство около роторния комплект 2 е изолирано от външния въздух посредством неметална цилиндрична преграда 23, центрована по вътрешната повърхност на статора 5. Краищата на цилиндричната преграда 23 са свързани уплътняващо, съответно, към предния 16 и задния 13 щитове.

Когато безчетковата електрическа машина с въздушно охлаждане е използвана като алтернатор, изводите на намотките 7 на статора 5 са присъединени към токоизправителен блок 15, а когато е използвана като мотор-алтернатор изводите на намотките 7 на статора 5 са присъединени към силов управляващ електронен контролер, непоказан на фигурите.

Движението на въздуха в безчетковата електрическа машина е осъществено от собствен вентилатор, монтиран на вала на електрическата машина или от вентилатор с независима скорост на въртене, непоказан на фигурите.

Съгласно фиг. 6, всеки от краищата на неметалната цилиндрична преграда 23 са втикнати в насочени към роторното пространство челни цилиндрични жлебове 24, които са закрепени, съответно, към предния щит 16 и задния щит 13. Във всеки от жлебовете откъм външната стена на неметалната цилиндрична преграда 23 е поставен поне по един еластичен уплътняващ пръстен 25. Еластичните уплътняващи пръстени 25 са притиснати радиално между външните повърхности на краищата на неметалната цилиндрична преграда 23 и външните повърхности в челните цилиндрични жлебове 24. Челните цилиндрични жлебове 24 откъм роторното пространство се разширяват чрез преминаване на цилиндричните вътрешни повърхности на челните цилиндрични жлебове 24 в повърхности 26 с форма на пресечен конус.

При следващ вариант на изпълнение на полезния модел върху задния щит 13 е закрепен капак 27 с входящ отвор 28 за доставяне на охлаждащ въздух от извън загрятата зона около безчетковата електрическа машина.

При друг вариант на изпълнение на полезния модел над едната или повече плоски стени на предната част 8а на алуминиевото тяло 8 и на разстояние от нея са закрепени отклоняващи капаци 29, служещи за отклоняване назад и над предната част 8а на част на излизащия охлаждащ въздух от вентилационното пространство 30, което е свързано с вентилатор, непоказан на чертежите, монтиран пред предния щит 16.

Други варианти на изпълнение на полезния модел е при безчеткова електрическа машина с електромагнитно възбуждане, съдържаща един или два роторни комплекта с клюнообразни полюси, както и при безчетковата електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, при които върху външната повърхност на статора 5, в областта между преградните вътрешни ребра 10 на алуминиевото тяло 8 са формирани аксиални вентилационни каналчета 11, които са не по-дълбоки от 15% от дебелината на статорния ярем и широки не повече от половината канална стъпка между вътрешните канали 6, разположени по вътрешната повърхност на статора 5.

Действие на безчетковата електрическа latiwiiiiiiiiiiii'· машина c въздушно охлаждане

В безчетковата електрическа машина с въздушно охлаждане в статорните и роторните намотки се отделят топлинни загуби. Чрез структурата на охладителната система корпусът е 5 оформен като топлинен радиатор, отнемащ топлината от статора. Преминаването на охлаждащия въздух е концентрирано в ъгловите зони чрез структуриране в ъгловите зони на вентилационни канали 9 и радиаторните топлоотнемащи преградни 10 ребра 10. Същевременно, обединените с частите 8а и 8в щитове 13 и 16 разширяват радиаторните функции и подпомагат разстилането на охлаждащия въздух над по-голяма площ на челните извънстаторни части на намотката 7. Така, 15 охлаждащата способност на безчетковата електрическа машина със структурираната система с въздушно охлаждане е доближена по ефикасност до охлаждаща способност на система с охлаждане, осъществена с течност, преминаваща през отделен 20 радиатор, като при това размерите са намалени. В безчеткова електрическа машина с възбуждане от постоянни магнити, чрез неметалната цилиндрична преграда 23, постоянните магнити 20 са защитени от замърсяващо атмосферно въздействие при 25 осъщественото интензивно охлаждане на статора 5, като, същевременно, топлопреминаването от статора 5 към постоянните магнити 20 е намалено.

Експериментални резултати, получени при изследване на експериментален образец съгласно 30 полезния модел

Съгласно полезния модел е създаден виртуален модел на мотор-алтернатор с възбуждане от постоянни магнити с продължителна мощност 5 KVA, максимална мощност 10 KVA, максимален 35 момент 60 Нм. Напрежението на батерията е 48 V, а максималният ток при стартиране е 300 А. Страната на сечението с квадратно овална форма е 150 mm, дължината с вграден силов електронен блок за електронно управление е 360 mm. Моделът е 40 работоспособен с максимално превишение на температура на намотката 130°С, което е сравнимо с конкурентен модел с аналогични параметри и с течно охлаждане.

Установена е работоспособността на 45 виртуалния образец с постоянни магнити: максимално превишение на температурата на намотката на статора 142°С, максимален момент 180 Нм, максимална мощност 60 KW, номинална мощност 20 KW за батерия 48 V, максимален ток 50

U1 при стартиране като мотор-алгернатор 600А, страна на сечението с квадратно овална форма 185 mm, дължина на образеца с вграден силов електронен блок 400 mm.

Claims

Претенции

1. Безчеткова електрическа машина, включваща вал, лагеруван чрез съответни лагери в преден и заден щитове, имаща неподвижно закрепен върху вала роторен комплект, обхванат от цилиндричен статор, по вътрешната повърхност на който е оформено множество равномерно разпределени канали, в които са положени една или повече многофазни намотки с брой на фазите повече от две, като безчетковата електрическа машина е снабдена с вентилатор и вентилационни канали, характеризираща се с това, че поне една трета от цилиндричния статор (5) е обхваната от алуминиево тяло (8), центровано по външната повърхност на цилиндричния статор (5), съставено от предна част (8а), обединена с предния щит (16) и огледално разположена спрямо предната част (8а), задна част (8в), която е обединена със задния щит (13), като обхващащото алуминиево тяло (8) поне в частта си, обхващаща цилиндричния статор (5) и частично извън него има четири надлъжни стени, между които са разположени ъглови зони, като вентилационните канали (9) са поне два и са оформени във всяка една ъглова зона на двете части (8а и 8в) на алуминиевото тяло (8), като са разделени с преградни вътрешни ребра (10), при което задната част (8 в) е притисната към предната част (8а) така, че каналите (9) и преградните вътрешни ребра (10), принадлежащи на предната част (8а) и на задната част (8в) на алуминиевото тяло (8) са продължение един на друг.
2. Безчеткова електрическа машина съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че обхващащото алуминиево тяло (8) е с напречно сечение с квадратно овална форма, а четирите му надлъжни стени са плоски.
3. Безчеткова електрическа машина съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че обхващащото алуминиево тяло (8) е с напречно сечение квадрат, а четирите му надлъжни стени са плоски.
4. Безчеткова електрическа машина съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че четирите надлъжни стени на алуминиевото тяло (8) са части от цилиндрична повърхност с радиус,

2095 UI превишаващ многократно радиуса на ъгловите зони.
5. Безчеткова електрическа машина съгласно претенции от 1 до 4, характеризираща се с това, че върху задния щит (13) е монтиран капак (27) с входящ отвор (28) за подаване на охлаждащ въздух от извънработната зона на безчетковата електрическа машина.
6. Безчеткова електрическа машина съгласно претенции от 1 до 4, характеризираща се с това, че над една или повече от плоските стени на предната част (8а) са монтирани дистанционно капаци (29) за отклоняване назад и над предната част (8а) на алуминиевото тяло (8) на част от излизащия от вентилатора охлаждащ въздух.
7. Безчеткова електрическа машина съгласно претенции от 1 до 4, характеризираща се с това, че върху външната повърхност на статора (5), в зоните между всеки две съседни преградни вътрешни ребра (10), са оформени каналчета (11) с дълбочина не по-голяма от 15% от дебелината на статорния ярем и с ширина не по-голяма от половината от каналната стъпка по вътрешната 5 повърхност на статора (5).
8. Безчеткова електрическа машина съгласно претенции от 1 до 4, характеризираща се с това, че в пространството между роторния комплект (2) и цилиндричния статор (5) е монтирана 10 неметална цилиндрична преграда (23), центрована по вътрешната повърхност на статора (5).
9. Безчеткова електрическа машина съгласно претенция 8, характеризираща се с това, че краищата на неметалната цилиндрична преграда 15 (23) са свързани уплътняващо, съответно, към предния (16) и задния (13) щит.