PL232571B1 - Wirnik maszyny z magnesami trwałymi - Google Patents

Abstract

Wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz jarzma ma, na powierzchni obwodowej jarzma (1), bruzdy (2) o głębokości h. Bruzdy (2) są zlokalizowane w strefie środkowej biegunów magnetycznych i biegną wzdłuż osi wału (4). Bruzdy są utworzone przez: dwie powierzchnie płaskie (2.1) i (2.2), bądź jedną powierzchnię płaską (2.1) i drugą powierzchnię (2.3) o kształcie ewolwenty lub powierzchnie płaską (2.1) i powierzchnię walcową, przy czym wzdłuż osi wału (4) bruzdy są proste bądź skośne. Pierwszy rodzaj bruzd (2) tworzą dwie płaskie powierzchnie (2.1) i (2.2) przecinające się pod kątem α, przy czym jedna powierzchnia bruzdy (2.1) leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma (1) kąt rozwarty β, a druga powierzchnia (2.2) leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma (1) kąt ostry γ, przy czym obydwie płaszczyzny styczne przechodzą przez krawędzie utworzone przez powierzchnie (2.1) i (2.2) z powierzchnią jarzma (1). Drugi rodzaj bruzd (2) jest utworzony przez powierzchnię płaską (2.1) i powierzchnię o kształcie ewolwenty (2.3), przy czym powierzchnia bruzdy (2.1) leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma (1) kąt rozwarty β, a powierzchna ewolwenty (2.3) tworzy z powierzchnią (2.1) kąt α i jest styczna przeciwległą krawędzią do powierzchni cylindrycznej jarzma. Trzeci rodzaj bruzd (2) jest utworzony przez powierzchnię płaską (2.1) i powierzchnię walcową o promieniu R1, przy czym powierzchnia (2.1) leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma (1) kąt rozwarty β, a powierzchnia walcowa ma oś leżącą na krawędzi przecięcia się, współśrodkowego z jarzmem (1), walca o promieniu r z płaszczyzną, która przechodzi przez oś wirnika i tworzy z płaszczyzną symetralną bieguna kąt δ. W wirniku z magnesami trwałymi (3) ułożonymi prosto wzdłuż osi wału (4) bruzdy (2) są proste bądź skośne wzdłuż osi wału, kąt skoszenia bruzd (2) względem magnesów trwałych wynosi ϑ. W wirniku z magnesami trwałymi (3) ułożonymi ze skosem wzdłuż osi wału (4) bruzdy (2) mają skos identyczny ze skosem magnesów trwałych (3). Bruzdy (2) są symetrycznie rozłożone pod biegunami na obwodzie jarzma (1), przy czym liczba biegunów podzielona przez liczbę bruzd (2) jest całkowita.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest konstrukcja wirnika maszyny elektrycznej z magnesami trwałymi umieszonymi we wnętrzu jarzma.

Wirniki maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi są produkowane z magnesami na powierzchni jarzma wirnika (ang. SPM Surface Permanent Magnet) i wewnątrz jarzma wirnika (ang. IPM Interior Permanent Magnet). W rozwiązaniu SPM moment elekromagnetyczny wytwarzany przez silnik jest przenoszony przez magnesy trwałe. W stanach dynamicznych moment ten może powodować oderwanie magnesów od powierzchni wirnika. Ponadto magnesy trwałe na powierzchni są narażone na korozję. Z tego powodu w urządzeniach mobilnych częściej stosowane jest rozwiązanie wirników IPM, gdyż w tym rozwiązaniu magnesy trwałe nie przenoszą momentu obrotowego i łatwiej jest zabezpieczyć magnesy trwałe przed korozją. Jednak przy dużych gęstościach prądu w uzwojeniu wirnika uzwojenie twornika może osiągać wysoką temperaturę, np. przy izolacji H temperatura uzwojenia może wynosić 180°C. Ciepło ze stojana przenika do wirnika i naraża magnesy trwałe na rozmagnesowanie termiczne. Poza uzwojeniem ciepło wydziela się także w pakiecie blach magnetycznych, w szczególności w silnikach wielobiegunowych przy dużej częstotliwości zmiany napięcia w pasmach uzwojenia.

Standardowym rozwiązaniem jest chłodzenie silnika przy pomocy wentylatorów zabudowanych na wale silnika, lub nadmuchu powietrza do silnika z wentylatora zewnętrznego. Znane jest i stosowane zabudowywanie na powierzchni jarzma stojana rurek, w których płynie ciecz chłodząca, najczęściej woda, odprowadzająca ciepło do chłodnicy zewnętrznej. W urządzeniach mobilnych jest to system chłodzenia kłopotliwy, gdyż wymaga dodatkowo chłodnicy, pompki i wentylatora. Obydwa sposoby chłodzenie nie zapewniają przenikania ciepła, poprzez szczelinę, do wirnika.

Celem wynalazku jest zapewnić wewnętrzne chłodzenie silnika i stworzyć barierę na drodze przepływu ciepła ze stojana do wirnika.

Według wynalazku wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz jarzma, charakteryzuje się tym, że na powierzchni obwodowej jarzma, w strefie środkowej biegunów magnetycznych, wzdłuż osi wału, są bruzdy o głębokości h utworzone przez: dwie powierzchnie płaskie, bądź jedną powierzchnię płaską i drugą powierzchnię o kształcie ewolwenty lub powierzchnię płaską i powierzchnię walcową. Wzdłuż osi wału bruzdy mogą być proste bądź ze skosem. Bruzdy utworzone przez dwie płaskie powierzchnie tworzą kąt a, przy czym jedna powierzchnia bruzdy leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma kąt rozwarty β, a druga powierzchnia leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma kąt ostry γ, przy czym obydwie płaszczyzny styczne przechodzą przez krawędzie utworzone przez powierzchnie bruzd z powierzchnią jarzma. Drugim rodzajem bruzd są bruzdy utworzone przez powierzchnię płaską i powierzchnię o kształcie ewolwenty, przy czym powierzchnia płaska bruzdy leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma kąt rozwarty β, a powierzchna ewolwenty tworzy z powierzchnią płaską kąt a i jest styczna przeciwległą krawędzią do powierzchni cylindrycznej jarzma. Trzeci rodzaj bruzd to bruzdy utworzone przez powierzchnię płaską i powierzchnię walcową o promieniu R1, przy czym powierzchnia płaska leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma kąt rozwarty β, a powierzchnia walcowa ma oś leżącą na krawędzi przecięcia się, współśrodkowego z jarzmem, walca o promieniu r z płaszczyzną, która przechodzi przez oś wirnika i tworzy z płaszczyzną symetralną bieguna kąt 5. W wirniku z magnesami trwałymi ułożonymi prosto wzdłuż osi wału bruzdy są proste wzdłuż osi wału bądź są skośnie wzdłuż osi wału, a kąt skoszenia bruzd względem magnesów trwałych wynosi 9. W wirniku z magnesami trwałymi ułożonymi ze skosem wzdłuż osi wału bruzdy mają skos identyczny ze skosem magnesów trwałych. Bruzdy są symetrycznie rozłożone pod biegunami na obwodzie jarzma, przy czym liczba biegunów podzielona przez liczbę bruzd jest całkowita.

Powierzchnia wirnika z bruzdami może być ukształtowana w czasie obliczeń elektromagnetycznych i cieplnych silnika. W zależności od prędkości obrotowej silnika można dobrać korzystny kształt bruzd, ich liczbę i usytuowanie wzdłuż osi wirnika, bez istotnego pogorszenia permeancji obwodu magnetycznego maszyny. Kryterium doboru bruzd jest równomierny rozpływ strugi powietrza w szczelinie powietrznej pomiędzy powierzchnią zewnętrzną wirnika, a częścią wewnętrzną twornika. Bruzdy na wirniku rozwiązują problem nierównomiernego nagrzewania się pakietu magnetycznego stojana w okolicach szczeliny powietrznej i wyrównują rozkład temperatur w całej maszynie elektrycznej.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie rozwiązania na rysunkach, na których poszczególne figury przedstawiają: fig. 1 wirnik z magnesami trwałymi wewnątrz jarzma ułożonymi ze

PL 232 571 B1 skosem wzdłuż osi wału i bruzdami z identycznym skosem, fig. 2 przekrój poprzeczny wirnika czterobiegunowego z bruzdami tworzonymi przez dwie powierzchnie płaskie, bądź jedną powierzchnię płaską i drugą powierzchnię o kształcie ewolwenty, fig. 3 przekrój poprzeczny wirnika czterobiegunowego z bruzdami tworzonymi przez powierzchnię płaską i powierzchnię walcową, fig. 4 wirnik z magnesami trwałymi wewnątrz jarzma ułożonymi prosto wzdłuż osi wału z bruzdami prostymi wzdłuż osi wału i fig. 5 wirnik z magnesami trwałymi wewnątrz jarzma ułożonymi prosto wzdłuż osi wału i bruzdami ułożonymi ze skosem wzdłuż osi wału.

Wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz jarzma ma, na powierzchni obwodowej jarzma 1, bruzdy 2 o głębokości h. Bruzdy 2 są zlokalizowane w strefie środkowej biegunów magnetycznych i biegną wzdłuż osi wału 4. Bruzdy 2 mogą mieć różne kształty, w szczególności wyróżniono trzy rodzaje kształtów: pierwszy utworzony przez dwie powierzchnie płaskie 2.1 i 2.2, drugi utworzony przez jedną powierzchnię płaską 2.1 i drugą powierzchnię 2.3 o kształcie ewolwenty oraz trzeci utworzony przez powierzchnię płaską 2.1 i powierzchnię walcową 2.4. Na rysunku fig. 2 pokazano pierwszy i drugi rodzaj bruzd 2, a na rysunku fig. 3 trzeci rodzaj bruzd 2. Wzdłuż osi wału 4 bruzdy są proste bądź skośne, pokazano to na rysunkach fig. 1, fig. 4 i fig. 5. Pierwszy rodzaj bruzd 2 tworzą dwie płaskie powierzchnie 2.1 i 2.2 przecinające się pod kątem a, przy czym jedna powierzchnia bruzdy 2.1 leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma 1 kąt rozwarty β, a druga powierzchnia 2.2 leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma 1 kąt ostry γ, przy czym obydwie płaszczyzny styczne przechodzą przez krawędzie utworzone przez powierzchnie 2.1 i 2.2 z powierzchnią jarzma 1. Drugi rodzaj bruzd 2 jest utworzony przez powierzchnię płaską 2.1 i powierzchnię o kształcie ewolwenty 23, przy czym powierzchnia bruzdy 2.1 leży ma płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma 1 kąt rozwarty β, a powierzchna ewolwenty 2.3 tworzy z powierzchnią 2.1 kąt a i jest styczna przeciwległą krawędzią do powierzchni cylindrycznej jarzma. Trzeci rodzaj bruzd 2 jest utworzony przez powierzchnię płaską 2.1 i powierzchnię walcową 2.4 o promieniu R1, przy czym powierzchnia 2.1 leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma 1 kąt rozwarty β, a powierzchnia walcowa 2.4 ma oś leżącą na krawędzi przecięcia się, współśrodkowego z jarzmem 1, walca o promieniu r z płaszczyzną, która przechodzi przez oś wirnika i tworzy z płaszczyzną symetralną bieguna kąt 5. W wirniku z magnesami trwałymi 3 ułożonymi prosto wzdłuż osi wału 4 bruzdy 2 są proste wzdłuż osi wału 4, lecz bruzdy 2 mogą być także skośne wzdłuż osi wału, kąt skoszenia bruzd 2 względem magnesów trwałych wynosi 9. W wirniku z magnesami trwałymi 3 ułożonymi ze skosem wzdłuż osi wału 4 bruzdy 2 mają skos identyczny ze skosem magnesów trwałych 3. Bruzdy 2 są symetrycznie rozłożone pod biegunami na obwodzie jarzma 1, przy czym liczba biegunów podzielona przez liczbę bruzd 2 jest całkowita.

Wirnik z bruzdami 2 spełnia także funkcje wentylatora, na założenie którego nie zawsze jest miejsce, w szczególności w maszynach z zewnętrznym wirnikiem. Korzystne są bruzdy 2 skośne, gdyż wydmuchują gorące powietrze na zewnątrz maszyny. Wynalazek rozwiązuje problem odbierania ciepła w silnikach o dużej gęstości prądu w uzwojeniu twornika np. większej od 10 A/mm². Takie gęstości prądu występują w silnikach zabudowywanych w kołach urządzeń mobilnych. Bruzdy 2 na powierzchni wirnika pełnią funkcję wentylatora dmuchającego powietrze na powierzchnię wewnętrzną jarzma twornika, to jest od strony szczeliny powietrznej. W ten sposób chłodzony jest stojan, a ciepło ze stojana nie przechodzi do wirnika, chroniąc tym samym magnesy trwałe przed rozmagnesowaniem termicznym. Wirnik z bruzdami 2 na powierzchni może być stosowany także w innych maszynach elektrycznych, w których wymagane jest utrzymanie stałego i równego rozkładu temperatur poszczególnych elementów maszyny. Bruzdy 2 mogą być wykonane zarówno na wirnikach pakietowanych z blach elektrotechnicznych jak i litych.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz jarzma, znamienny tym, że na powierzchni obwodowej jarzma (1), w strefie środkowej biegunów magnetycznych, wzdłuż osi wału (4), są bruzdy (2) o głębokości h utworzone przez: dwie powierzchnie płaskie (2.1) i (2.2), bądź jedną powierzchnię płaską (2.1) i drugą powierzchnię (2.3) o kształcie ewolwenty lub powierzchnię płaską (2.1) i powierzchnię walcową (2.4), przy czym wzdłuż osi wału (4) bruzdy są proste bądź skośne.

   PL 232 571 B1
2. 2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że bruzdy (2) są utworzone przez dwie płaskie powierzchnie (2.1) i (2.2) między którymi jest kąt a, przy czym jedna powierzchnia bruzdy (2.1) leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma (1) kąt rozwarty β, a druga powierzchnia (2.2) leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma (1) kąt ostry γ, przy czym obydwie płaszczyzny styczne przechodzą przez krawędzie utworzone przez powierzchnie (2.1) i (2.2) z powierzchnią jarzma (1).
3. 3. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że bruzdy (2) są utworzone przez powierzchnię płaską (2.1) i powierzchnię o kształcie ewolwenty (2.3), przy czym powierzchnia bruzdy (2.1) leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma (1) kąt rozwarty β, a powierzchna ewolwenty (2.3) tworzy z powierzchnią (2.1) kąt a i jest styczna przeciwległą krawędzią do powierzchni cylindrycznej jarzma.
4. 4. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że bruzdy (2) są utworzone przez powierzchnię płaską (2.1) i powierzchnię walcową (2.4) o promieniu R1, przy czym powierzchnia (2.1) leży na płaszczyźnie cięciwy tworzącej z płaszczyzną styczną do powierzchni jarzma (1) kąt rozwarty β, a powierzchnia walcowa (2.4) ma oś leżącą na krawędzi przecięcia się, współśrodkowego z jarzmem (1), walca o promieniu r z płaszczyzną, która przechodzi przez oś wirnika i tworzy z płaszczyzną symetralną bieguna kąt 5.
5. 5. Wirnik według zastrz. 1, 2, 3 i 4, znamienny tym, że w wirniku z magnesami trwałymi (3) ułożonymi prosto wzdłuż osi wału (4) bruzdy (2) są proste wzdłuż osi wału (4) bądź są skośnie wzdłuż osi wału, kąt skoszenia bruzd (2) względem magnesów trwałych wynosi 9.
6. 6. Wirnik według zastrz. 1, 2, 3 i 4, znamienny tym, że w wirniku z magnesami trwałymi (3) ułożonymi ze skosem wzdłuż osi wału (4) bruzdy (2) mają skos identyczny ze skosem magnesów trwałych (3).
7. 7. Wirnik według zastrz. 1 do 6, znamienny tym, że bruzdy (2) są symetrycznie rozłożone pod biegunami na obwodzie jarzma (1), przy czym liczba biegunów podzielona przez liczbę bruzd (2) jest całkowita.