SE518110C2 - Stator och rotor för en elektrisk maskin - Google Patents

Description

20 25 30 35 u. n. . . ,, q »u .. . _ _ _: a. - u .. 1 Ä-'LÜÉÉ ' ' ° 11:. '121 "'° ß ß-U :Û I"~--o-~ ».. {': v o . » f. u" ',' ' o . 2 Patentansökan SE 9801401-2 beskriver en induktions- maskinstator med enkeltandsgeometri som är anordnad för att minska övertoner eller högre ordningens harmoniska komponenter hos den magnetomotoriska kraften. Dessa högre ordningens harmoniska komponenter kopplas till rotorn och resulterar i ökade förluster, parasitvridmoment, etc.

Statorn minskar harmoniska komponenter men kan resultera i en minskning av prestanda i jämförelse med den tradi- tionellt fördelade, överlappande lindningskonstruktionen.

Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamål med den föreliggande uppfinningen är att åstadkomma en stator eller rotor för en elektrisk maskin som drar fördelar av användningen av enkeltandsgeometrin och resulterar i en förbättrad effektivitet hos den elektriska maskinen. Ändamålet uppnås genom åstadkommande av en stator enligt efterföljande patentkrav 1 eller en rotor enligt efterföljande patentkrav 10. Föredragna utföringsformer av statorn är angivna in de osjälvständiga patentkraven.

Enligt en sida av uppfinningen är närmare bestämt en stator för en elektrisk maskin åstadkommen, vilken stator innefattar ett flertal i omkretsled åtskilda tänder, som sträcker sig radiellt, varvid varje tand har enkellind- ning och är försedd med en axiellt och radiellt utsträckt reluktansbarriär för att öka reluktansen hos varje tand med avseende på utbredningen av ett magnetiskt fält som inte växelverkar med lindningen på tanden.

En med reluktansbarriären försedd stator är fördel- aktig genom att läckflödet, dvs det magnetiska fältet, från rotorn, som inte växelverkar med lindningarna på två närliggande tänder på statorn, minskas. Minskningen av läckflödet uppnås genom ökning av reluktansen i läckflö- dets utbredningsbana med hjälp av reluktansbarriären i tänderna. Minskningen av läckflödet resulterar i en ök- ning av det magnetfält som växelverkar med lindningarna på två närliggande tänder. Prestandan för den elektriska maskinen kommer således öka. 10 15 20 25 30 35 u n - | f» 518110 3 Reluktansbarriären kan anordnas på ett antal sätt. I en utföringsform är den en axiellt och en radiellt ut- sträckt spalt i tanden. Spalten kan sträcka sig radiellt och axiellt genom tandens hela massa och dela tanden i två delar, varvid de två delarna således àtskiljes i om- kretsled från varandra.

Enligt en annan utföringsform är spalten anordnad pà ett sådant sätt att den inte delar tanden i två separata delar. Istället sträcker sig spalten delvis genom tanden i axiell riktning, delvis genom tanden i radiell riktning eller delvis genom tanden i både radiell och axiell rikt- ning. En utföringsform där spalten inte delar tanden i två separata delar användes företrädesvis när tillräcklig reluktans kan erhållas av en partiellt utsträckt spalt.

Vidare kan spalten fyllas med material som har högre reluktans än reluktansen hos tanden.

Reluktansbarriären kan också anordnas som en radi- ellt och en axiellt utsträckt volym hos tanden, vilken volym innefattar ett flertal hål eller mindre volymer fyllda med luft eller ett material med högre reluktans än reluktansen hos tanden.

Enligt den föredragna utföringsformen sträcker sig en spets av en tand mot en spets av en närliggande tand i sådan grad att en slits bildas mellan de närliggande tän- dernas spetsar. Fördelen med denna utföringsform är att slitsen inför ytterligare reluktans i läckflödets utbred- ningsbana.

Den elektriska maskinen skulle, till exempel, kunna vara en induktionsmaskin, en elektrisk maskin med en per- manentmagnetrotor, en synkronmotor, etc.

I an föredragen utföringsform av uppfinningen är den elektriska maskinen en induktionsmaskin. En fördel med att förse en induktionsmaskin, vilken gagnas av användan- det av enkeltandsgeometri, med en stator enligt uppfin- ningen, är att induktionsmotorns vridmomentkarakteristik förbättras. 10 15 20 25 30 35 n o ~ Q n o nu 518110 4 Enligt en annan föredragen utföringsform är statorn delad i minst två statorsektioner vid två olika axiella positioner, varvid varje sektion har ett flertal i om- kretsled åtskilda, radiellt riktade tänder och varje tand har en enkellindning. Inverkan av andra harmoniska kompo- nenter (eller övertoner) än den harmoniska komponent (el- ler grundton) som arbetar kan då reduceras genom en in- bördes fasförskjutning av sektionerna.

Den effekt som skapas av flera statorsektioner pà en enda rotor är väsentligen densamma som vid en fördelad lindning. Detta leder till upphävning av en stor del av de högre harmoniska komponenterna medan man behåller för- delarna med enkeltandslindningar, dvs hög spàrfyllnads- grad samt enkel tillverkning och montering.

Alla de ovan nämnda aspekterna, utföringsformerna och fördelarna kan lika väl tillämpas pà en rotor istäl- let för en stator.

Ett annat tillämpningsområde för den föreliggande uppfinningen kommer att framgå av den följande detalje- rade beskrivningen. Det är emellertid underförstått att den detaljerade beskrivningen och de specifika exemplen, fastän de anger föredragna utföringsformer av uppfin- ningen, endast är givna som illustrationer, eftersom olika ändringar och modifikationer av uppfinningens idé och omfattning kommer att bli uppenbar genom denna detal- jerade beskrivning för de pà området erfarna.

Kort beskrivning av ritningarna Andra särdrag och fördelar hos den föreliggande upp- finningen kommer att bli uppenbara genom följande detal- jerade beskrivning av en för närvarande föredragen utfö- ringsform med hänvisning till de medföljande ritningarna, där Fig 1 är en ändvy av en stator och en rotor för en fyrpolig trefasig induktionsmotor i enlighet med en utfö- ringsform av uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 518 110 5 Fig 2 är en axiell tvärsnittsvy längs linjen II-II i fig 1.

Fig 3a är en ändvy av en tand på statorn i fig 1.

Fig 3b är en vy längs linjen IIIb-IIIb i fig 3a.

Fig 4 är en ändvy av statorn och rotorn i fig 1 och visar utbredningen av magnetfältet från en rotor.

Fig 5a är en ändvy av en tand på en stator i enlig- het med en utföringsform av uppfinningen.

Fig 5b är en vy längs linjen Vb-Vb i fig 5a.

Fig 6a är en ändvy av en tand på en stator i enlig- het med en utföringsform av uppfinningen.

Fig 6b är en vy längs linjen VIb-VIb i fig 6a.

Fig 7a är en ändvy av en tand på en stator i enlig- het med en utföringsform av uppfinningen.

Fig 7b är en vy längs linjen VIIb-VIIb i fig 7a.

Fig 8 är en ändvy av två närliggande tänder på sta- torn i fig 1.

Detaljerad beskrivning av en för närvarande föredra- gen utföringsform I fig 1 och 2, till vilka hänvisas, är en stator 1 i en induktionsmotor åskådliggjord med två axiellt åtskilda statorsektioner 2 och 3. Var och en av statorsektionerna har en oksektion 4 respektive 5, som gränsar till sex i omkretsled åtskilda, radiellt sig sträckande tänder 6 re- spektive 7.

Varje tand 6 är företrädelsevis uppdelad i två delar 6a, b som är åtskilda i omkretsled av en spalt 20. I den föredragna utföringsformen är spalten 20 även utsträckt genom oksektionen 4 som är integrerad med tanden 6. Spal- ten 20 bçhöver emellertid inte sträcka sig genom oksek- tionen 4, i synnerhet om oksektionen 4 och tanden 6 inte är integrerade. Tanden 7 har en motsvarande form.

Vidare bildar varje tand 6 och en angränsande del av den tillhörande oksektionen 4 en separat enhet eller ett segment 8. På likartat sätt bildar varje tand 7 och en 10 15 20 25 30 35 518110 n n : u ø u u- 6 angränsande del av den tillhörande oksektionen 5 en sepa- rat enhet eller ett segment 9.

Oksektionerna 4 och 5 är fysiskt fasförskjutna med l80° elektriskt i en till snedställningen (ej visad) re- laterad vinkel. De elektriska matningarna är också fas- förskjutna med l80° elektriskt. Vidare är statorsektio- nerna 2 och 3 åtskilda av ett litet luftgap 10 för att minska den inbördes inverkan av magnetfälten i de två statorsektionerna 2 och 3.

Som en följd kommer vardera statorsektionen att in- nehålla samma övertoner, men fasförskjutningen av dem kommer att, såsom sedda från den enda rotorn (18), att upphäva en stor andel av de oönskade övertonerna av högre ordning. _ Att sätta samman var och en av statorsektionerna 2 och 3 av de separata enheterna 8 respektive 9 medger en enkel lindning av varje enhet av statorn 1.

De många separata enheterna 8 och 9 (tolv i den ak- tuella utföringsformen) består av ett kompositmaterial av mjukmagnetpulver, som har fyllts i en form, pressats till en önskad form och sedan värmebehandlats vid en relativt låg temperatur för att det nödvändiga isoleringsskiktet mellan pulverpartiklarna ej skall förstöras. Detta inne- bär att en massproduktion av de separata enheterna 8 och 9 är möjlig och ej resulterar i något materialspill, och vidare erhålles en färdigpressad enhet med höga toleran- ser, vilken ej kräver någon eller endast ringa bearbet- ning.

Såsom visat för en enhet 8 och en enhet 9 i fig 2 är varje tands 6, 7 axiella längd mindre än den axiella längdenrhos den angränsande delen av oksektionen 4, 5.

Förlängningen av oksektionerna 4, 5 axiellt förbi tän- derna 6, 7 är asymmetrisk på de två axiella sidorna om dem och ökar kärnans aktiva längd samt minskar järnför- lusterna och magnetiseringsströmmen, så att en mer effek- tiv maskin åstadkommes. Vidare förbättras värmeöverfö- ringen från lindningarna till statorn genom de axiella 10 15 20 25 30 35 ~ n ø . ;. 7 förlängningarna av oket invid spolvarvsdelarna utanför lindningsspàren.

Ovan beskrivna utformning kan användas för minskning av den totala lindningslängden och därmed minskning av den elektriska maskinens dimensioner med bibehållna pre- standa I fig 3a och 3b visas, i enlighet med en föredragen utföringsform, spalten 20, som delar en tand 6 i två de- lar 6a, b och som har en bredd, GW, på mindre än 20 pro- cent och helst mindre än 10 procent av bredden, TW, av hela tandkroppen. Spalten är fylld med ett material som har hög reluktans för att minska läckflödet 40, se fig 4.

Materialet som fyller spalten är också anordnat för att hålla de två delarna 6a,b av tanden 6 åtskilda, så att bredden GW av spalten 20 upprätthålls när de två de- larna 6a,b av tanden 6 pressas mot varandra.

I fig 5a och 5b visas emellertid att, om spalten skall vara fylld med t ex luft, separationen kan åstad- kommas med hjälp av mindre separationsorgan 22, vilka Sådana mindre separationsorgan 22 kan, till exempel, vara delar bara fyller en del av volymen av spalten 20. av material som har hög induktans. Dessa kan formas så att de fyller spalten 20 i riktningen av GW och i axiell riktning, och kan även formas för att sträcka sig endast över en liten del av spalten i den radiella riktningen; Separationsorganen 22 kan anordnas så att de sträcker sig radiellt istället för axiellt.

Enligt andra utföringsformer behöver spalten inte dela upp tanden 6 i två separata delar 6a,b. Spalten skulle kunna anordnas att sträcka sig delvis genom tanden i radiêll riktning och helt genom tanden i axiell rikt- ning, se fig 6a och 6b. Spalten 20 skulle emellertid också kunna anordnas att sträcka sig delvis genom tanden i axiell riktning och helt genom tanden i radiell rikt- ning, se fig 7a och 7b. Vilken som helst av dessa utfö- ringsformer kan användas så länge reluktansen i utbred- ningsbanan för läckflödet när en tillräcklig nivå. 10 15 20 25 30 35 518110 v | ø u n; 8 I fig 8 visas, i enlighet med en föredragen utfö- ringsform, tandspetsar ll av två i omkretsled närbelägna tänder 6, vilka tandspetsar är så anordnade att de sträcker sig mot varandra en sådan sträcka att en öppning SD bildas mellan dem.

Såsom visat på ritningarna sträcker sig tändernas 6 och 7 spetsar ll sig också axiellt förbi huvuddelen av tänderna på dessas båda axiella sidor. Förlängningen av tändernas spetsar medger en minskning i luftgapsreluktan- sen, vilket ger en motsvarande reducering i magnetise- ringsströmmen. Detta kompenserar de skadliga effekterna av den relativt låga permeabiliteten hos pulverjärn.

En ytterligare fördel med användning av pulvermate- rial är att tandens tvärsnittsprofil kan avrundas eller göras oval, så att en skarp böjning av spolvarven elimi- neras och risken minskas för genomträngning av isole- ringen vid hörnen. Detta tillåter användning av en tun- nare isolering, vilket resulterar i en väsentlig fördel termiskt. Lindningsarrangemanget kan innefatta en icke- överlappande lindning på varje tand, vilket förenklar lindningsoperationen och medger att mycket höga pack- ningsfaktorer kan uppnås.

Det skall påpekas att induktionsmotorns rotor 18 (visad i fig 1) företrädesvis är av konventionell utform- ning.

Fastän endast en utföringsform av föreliggande upp- finning har beskrivits ovan är det uppenbart för de på området erfarna att ett flertal modifieringar är möjliga utan att man går utanför uppfinningens ram. Uppfinningen kan således användas i maskiner med en yttre rotor i stället för den exemplifierade inre rotorn.

Statorns material kan vidare innefatta lameller el- ler ett pulvermaterial i kombination med andra material, t ex lameller, eller kan statorn tillverkas genom gjut- ning.

Claims (10)

l0 15 20 25 30 35 9 PATENTKRAV

1. Stator för en elektrisk maskin, innefattande ett flertal i omkretsled åtskilda tänder, som sträcker sig radiellt, varvid varje tand har en enkellindning och är försedd med en axiellt och en radiellt utsträckt reluk- tansbarriär för att öka reluktansen hos varje tand med avseende på utbredningen av ett magnetiskt fält som inte växelverkar med lindningen på tanden.

2. Stator enligt krav 1, varvid reluktansbarriären är en spalt som sträcker sig axiellt och radiellt i varje tand.

3. Stator enligt krav 2, varvid varje tands spalt innehåller minst ett material som har högre reluktans än tandens material.

4. Stator enligt krav 2, varvid varje tands spalt innehåller luft.

5. Stator enligt krav 2, varvid varje tands spalt positionerar tandens delar pä ett avstånd från varandra som motsvarar mindre än 20 procent av bredden av tand- kroppen.

6. Stator enligt krav 2, varvid varje tands spalt positionerar tandens delar pà ett avstånd från varandra som motsvarar mindre än 10 procent av bredden av tand- kroppen.

7. Stator enligt krav l, varvid varje tand är för- sedd med inre kanter som sträcker sig mot närliggande tänder i sådan grad att en slits bildas mellan de inre kanterna av närliggande tänder.

8. Stator enligt krav 1, varvid den elektriska ma- skinen“är en elektrisk induktionsmaskin.

9. Stator enligt krav 8, varvid den elektriska in- duktionsmaskinen vidare innefattar minst två statorsek- tioner i två olika axiella positioner, varvid varje sek- tion har ett flertal i omkretsled åtskilda tänder, som sträcker sig radiellt, och varvid statordelarna är inbör- 518 110 n ' ' . U I I . v n l0 des fasförskjutna för att minska effekten från andra har- moniska komponenter än de arbetande.

10. Rotor för en elektrisk maskin, innefattande ett flertal i omkretsled åtskilda tänder, som sträcker sig radiellt, varvid varje tand har en enkellindning och är delad i åtminstone två delar, vilka är åtskilda från var- andra i omkretsled av en axiellt och radiellt utsträckt spalt.