ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С КОНСТРУКЦИЕЙ С МАЛОЙ МАССОЙ В МАГНИТНО АКТИВНЫХ ЧАСТЯХ
ELECTRIC MACHINE HAVING A LOW-MASS DESIGN IN MAGNETICALLY ACTIVE PARTS

Изобретение относится к электрической машине, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения, к магнитной полюсной части, согласно ограничительной части п. 12 формулы изобретения, к транспортному средству и ветроэнергетической установке, а также к способу изготовления электрической машины согласно ограничительной части п. 15 формулы изобретения.
Электрические машины, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения, можно использовать в качестве приводных двигателей, а также в качестве генераторов. Причиной увеличенного использования электрических машин в качестве приводного двигателя является необходимость нахождения альтернативы обычным двигателям внутреннего сгорания на основании истощения ископаемых топлив. При этом в качестве замены ископаемых топлив делается ставка на возобновляемые источники энергии. Поскольку возобновляемый источник энергии не всегда доступен во времени и по месту, необходимо возобновляемую энергию преобразовывать в обеспечивающую возможность транспортировки и накопления форму энергии. В качестве формы энергии для этого используется электрическая энергия. Электрическую энергию можно получать из возобновляемых источников энергии с помощью электрических машин, которые работают в качестве генераторов, транспортировать по проводам, промежуточно хранить в батареях и с помощью электродвигателей с высоким коэффициентом полезного действия преобразовывать в энергию движения. При этом генераторы закреплены в несущих конструкциях, которые должны выдерживать природные силы возобновляемых источников энергии. Электродвигатели должны иметь большую мощность, однако обеспечивать также возможность эффективного использования в подвижных средствах. Для использования электрической машины в качестве генератора или электродвигателя желательна возможно более высокая удельная мощность, поскольку желательна возможно более высокая отдаваемая мощность относительно массы электродвигателя. Чем меньше масса генератора, тем меньше стоимость изготовления несущей конструкции. В двигателе для средства передвижения, таком как транспортное средство, за счет меньшей подвижной массы можно экономить энергию и тем самым эксплуатировать более экономично транспортное средство.
До настоящего времени для этого в магнитно активной части электрической машины за счет оптимизации геометрии вырезания стального листа и выбора подходящих материалов для стальных листов достигалось уменьшение массы часто в неудовлетворительной мере.
Так, в журнале ”Antriebstechnik 5/2011” на стр. 68-70 авторами Brand, Stahel и Vezzini приведено описание электродвигателя высокой мощности с возбуждением от постоянных магнитов, в котором в статоре и роторе используются стальные листы из железа и кобальта. В статье первично делается упор на желание получать больший крутящий момент, которое осуществляется с помощью листовой стали из сплава кобальта с железом с поляризацией насыщения 2,35 Тл по сравнению со сплавом кремния с железом с поляризацией насыщения 2,03 Тл. При этом максимальный крутящий момент может быть увеличен на 22%. В последнем абзаце статьи указано, что вместо увеличения максимального крутящего момента можно уменьшать объем и тем самым вес электродвигателя при одинаковом максимальном крутящем моменте.
Хотя в упомянутой статье указывается, что сплавы кобальта с железом уже в течение десятилетий находят применение в самолетной промышленности по причинам уменьшения веса, однако достигаемое за счет использования сплавов кобальта с железом уменьшение веса является для многих применений еще не достаточным.
Поэтому в основу изобретения положена задача такого улучшения электрической машины, что достигается дальнейшее уменьшение массы активных частей при одинаковой мощности электрической машины.
Эта задача решена с помощью электрической машины с признаками п. 1 формулы изобретения.
Электрическая машина, согласно изобретению, содержит:
a
- первый магнитный полюс, который имеет систему слоев, которая содержит магнитно активные слои с общим объемом V,
- второй магнитный полюс, при этом первый магнитный полюс и второй магнитный полюс установлены подвижно относительно друг друга, и
s
- зазор, который имеет длину l в направлении, параллельном одному из слоев, от ограничивающего зазор конца первого магнитного полюса до ограничивающего зазор конца второго магнитного полюса,
- электрический провод в качестве связного элемента между электрическим контуром тока и магнитным контуром,
s
i
при этом в один рабочий момент времени магнитный контур содержит первый магнитный полюс, зазор длиной l и второй магнитный полюс, через которые проходит общий магнитный полезный поток для электромеханического преобразования энергии, при этом система содержит магнитно не активные слои с общим объемом V, которые имеют меньшую среднюю плотность массы, чем магнитно активные слои, и последовательность в системе магнитно не активных слоев и магнитно активных слоев задана по существу повторением периода р, который имеет заданную последовательность магнитно активных слоев и магнитно не активных слоев, при этом пространственная доля k, которая определена уравнением
a
a
i
k=V/(V+V),
выполняет условие
0,5≤k≤0,8.
Электрическая машина содержит первый магнитный полюс. Магнитный полюс, в частности первый магнитный полюс или второй магнитный полюс, является местом, в окружении которого сила магнитного поля является особенно большой. Это достигается тем, что магнитный полюс содержит постоянный магнит, который имеет большую магнитную проводимость, чем окружение магнитного полюса. Поэтому первый магнитный полюс или также второй магнитный полюс предпочтительно содержит ферромагнитные материалы, такие как, например, железо, кобальт, никель или ферриты, с целью концентрации магнитного поля в магнитном полюсе. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов значительно больше 1. Например, ферриты имеют относительную магнитную проницаемость, равную 4. Предпочтительное использование железа основывается на том, что железо имеет относительную магнитную проницаемость больше 300. Как правило, для магнитных полюсов применяются железные материалы или железные сплавы со специальными свойствами, такие как, например, сплавы кремния с железом или сплавы кобальта с железом. Кроме того, магнитные полюса могут быть созданы с помощью катушек, пропускающих ток.
Первый магнитный полюс содержит систему слоев, которая содержит магнитно активные слои. Под магнитно активным слоем понимается слой, который содержит ферромагнитные материалы. Расположение слоями является предпочтительным для предотвращения при быстро меняющемся магнитном поле потерь на вихревые токи в первом магнитном полюсе или также во втором магнитном полюсе.
Для обеспечения возможности осуществления с помощью электрической машины электромеханического преобразования энергии, электрическая машина содержит по меньшей мере первый магнитный полюс и второй магнитный полюс, которые подвижны относительно друг друга и разделены зазором.
Кроме того, необходимо, чтобы имелся по меньшей мере один электрический проводник в качестве элемента связи между контуром электрического тока и магнитным контуром.
s
В частности, электрический проводник содержит несколько витков, с целью обеспечения более сильной связи между электрическим контуром тока и магнитным контуром. Магнитный контур содержит в один рабочий момент времени первый магнитный полюс, зазор с длиной l и второй магнитный полюс, через которые проходит общий магнитный полезный поток для электромеханического преобразования энергии.
Электрический проводник окружает, например, первый магнитный полюс или второй магнитный полюс, в частности, в виде витков. Витки являются составляющей частью обмотки.
Электрическая машина предпочтительно содержит другие магнитные полюсы. Таким образом, обмотки могут проходить вокруг других магнитных полюсов. Обмотки могут быть выполнены в виде распределенных обмоток или в виде концентрированных обмоток. Концентрированные обмотки имеют, среди прочего, то преимущество, что они занимают по сравнению с распределенными обмотками меньше конструктивного пространства.
Первый магнитный полюс или второй магнитный полюс расположен относительно других магнитных полюсов, в частности, так, что магнитно активные слои первого магнитного полюса или второго магнитного полюса лежат в одной плоскости с магнитно активными слоями других полюсов.
Если первый магнитный полюс выполнен в виде зуба, то концентрированная обмотка может быть выполнена в виде обмотки зуба. Преимуществом применения катушек зуба является то, что ярмо, которое соединяет первый магнитный полюс со вторым магнитным полюсом, которые выполнены в виде зубьев, может быть выполнено тоньше зуба первого магнитного полюса или других магнитных полюсов. Таким образом, требуется меньше магнитно активного материала.
При распределенной обмотке полюс имеет по меньшей мере два зуба, которые окружены обмоткой.
То же относится ко второму магнитному полюсу, когда он соединен с другими магнитными полюсами.
Если первый или второй магнитный полюс соединен с другими зубьями, то в промежуточном пространстве между двумя зубьями могут быть расположены электрические проводники двух различных катушек зубьев (двухслойная обмотка) или лишь одной катушки зуба (однослойная обмотка).
s
s
s
s
s
Первый магнитный полюс может быть составляющей частью статора, а второй магнитный полюс - составляющей частью ротора. Первый магнитный полюс и второй магнитный полюс отделены друг от друга зазором длины l; при этом длина l измеряется в направлении, параллельном одному из слоев, от ограничивающего зазор конца первого магнитного полюса до ограничивающего зазор конца второго магнитного полюса. В частности, ограничивающий зазор конец первого магнитного полюса ограничивает первую пограничную поверхность, которая ограничивает первый магнитный полюс, а ограничивающий зазор конец второго магнитного полюса ограничивает вторую пограничную поверхность, которая ограничивает второй магнитный полюс. В этом случае длина l зазора задана в виде расстояния между первой пограничной поверхностью и второй пограничной поверхностью. Таким образом, первый магнитный полюс и второй магнитный полюс установлены противоположно друг другу так, что они при выполнении электрической машины в виде линейной машины установлены в одной плоскости или на одной прямой линии на расстоянии длины l зазора с возможностью сдвига и тем самым движения относительно друг друга. В варианте выполнения электрической машины в виде вращающейся электрической машины, ротор в большинстве случаев установлен с возможностью вращения концентрично относительно статора. При этом статор может содержать первый, а ротор второй магнитный полюс. Возможно также, что ротор содержит первый, а статор второй магнитный полюс. Когда статор или ротор выполнен так, что он имеет механически выраженные полюса, то зазор с длиной l можно измерять, когда первый и второй магнитный полюс стоят напротив друг друга так, что через них в рабочий момент времени может проходить общий магнитный полезный поток.
В электрической машине, согласно изобретению, делается отклонение от правила, что пространственная доля k выбирается возможно большей (0,95 … 0,98), а поляризация насыщения за счет выбора соответствующих материалов осуществляется как можно более высокой. Таким образом, предпринимается попытка выполнения электрической машины возможно более компактной, с целью достижения уменьшения веса при одинаковой мощности, в частности, при одинаковом использовании силы. Однако при создании электрической машины, согласно изобретению, было установлено, что значительно менее компактная конструкция относительно расстояния между магнитно активными слоями приводит лишь к небольшому уменьшению мощности, в то время как можно достигать значительного уменьшения массы магнитно активной части электрической машины. Расположенные по существу за счет повторения периода р в своей последовательности магнитно активные слои и магнитно не активные слои в соединении с условием для пространственной доли k неожиданным образом обеспечивают достижение почти такого же большого магнитного полезного потока, как при компактной конструкции магнитно активных частей электрической машины. При этом «по существу» означает, что при локальных отклонениях в последовательности расположения слоев возникает небольшое уменьшение мощности. Отклонения в последовательности слоев, которые относятся к вплоть до ±20% слоев, являются локальными отклонениями.
a
i
За счет выбора первого материала для магнитно активных слоев и второго материала для магнитно не активных слоев, которые имеет меньшую среднюю плотность массы, чем первый материал, достигается уменьшение массы. Согласно изобретению, возможность уменьшения массы обеспечивается тем, что магнитно не активные слои из второго материала составляют значительную долю объема магнитно активных частей электрической машины. Поскольку магнитно не активные слои или магнитно активные слои могут быть выполнены также негомогенными, то рассматриваются средние плотности массы объемов V и V.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
ai
Так, в частности, предпочтительным является вариант выполнения изобретения, в котором магнитно активные слои имеют толщины b, которые по существу все выполняют условие
ai
s
s
b≤l/4 … l/10.
s
s
s
s
В этом условии исходят из того, что длина l, когда она измеряется на различных магнитно активных слоях параллельно им, имеет лишь небольшие отклонения, так что в этом условии для длины l можно применять усредненную длину l измеренных параллельно магнитно активным слоям значений длины l. В электрических машинах с подвижными магнитными полюсами, специалисты в данной области техники стремятся выполнять длину зазора между подвижными магнитными полюсами с возможно более постоянной длиной, с целью обеспечения оптимального режима работы.
ai
s
s
ai
Когда толщины b магнитно активных слоев выполняют указанное условие, то достигается существенное уменьшение массы электрической машины по сравнению с компактной конструкцией магнитно активных частей электрической машины при лишь небольшом уменьшении мощности, в частности, можно за счет подходящего выбора определенного частного длины l, например, доли от ј до 1/20 длины l, в условии для толщин b, улучшать уменьшение массы, соответственно, возникающее при этом уменьшение мощности для типа электрической машины или для применения.
ai
Магнитно активные слои могут отклоняться по толщине b друг от друга, например, до ±20%, без существенного влияния на эффективность изобретения.
Это относится также к магнитно не активным слоям.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения в зазоре на ограничивающем зазор конце второго магнитного полюса расположен постоянный магнит, который содержит первый и второй полюс постоянного магнита, при этом первый полюс постоянного магнита обращен к ограничивающему зазор концу второго магнитного полюса. Таким образом, второй полюс постоянного магнита в рабочий момент времени обращен к ограничивающему зазор концу первого магнитного полюса. Постоянный магнит предпочтительно закреплен на втором магнитном полюсе. Это выполнено в виде соединений с силовым замыканием или с геометрическим замыканием или комбинации обоих видов соединения. Экономящее место соединение достигается посредством крепления постоянного магнита на поверхности второго магнитного полюса, которая ограничивает зазор.
s
Выполнение с постоянными магнитами обеспечивает дополнительно, наряду с преимуществами использования постоянных магнитов в электромеханических преобразователях энергии, то преимущество, что зазор между первым и вторым магнитным полюсом можно выбирать значительно больше. Поскольку постоянный магнит относительно своей магнитной проницаемости имеет характеристики воздушной среды, то длину l зазора можно выбирать так, как если бы постоянный магнит отсутствовал.
ai
Таким образом, применение постоянных магнитов обеспечивает возможность выбора большей толщины b магнитно активных слоев. Кроме того, можно выполнять также магнитно не активные слои более толстыми. Это приводит к тому, что при изготовлении электрической машины, согласно изобретению, достигается более высокая относительная точность, и отдельные слои имеют сами по себе более высокую стабильность и более просты в обращении при изготовлении.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения магнитно не активные слои являются распорками. Распорки предпочтительно выполнены электрически изолирующими. Распорки могут содержать для механического усиления электрически проводящие части, поскольку точечно возникающие электрически проводящие соединения между магнитно активными слоями в определенной мере допустимы, без ухудшения свойств электрической машины.
Распорки могут быть выполнены так, что они не полностью заполняют пространство между магнитно активными слоями, так что они образуют полые пространства, например, в виде каналов, в магнитно активных слоях. Таким образом, между распорками может проходить поток текучей среды, например, газ или жидкость, для охлаждения электрической машины. Тем самым электрическая машина, согласно изобретению, при почти одинаковой мощности имеет меньшую массу и обеспечивает идеальную возможность для охлаждения. Текучая среда может предпочтительно охлаждать обмотки, которые расположены, например, вокруг первого магнитного полюса или вокруг второго магнитного полюса. Когда статор содержит магнитные полюса в соответствии с первым магнитным полюсом с распорками, которые не полностью заполняют пространство между магнитно активными слоями, то текучая среда может проходить через полые пространства к ротору.
Когда распорки полностью заполняют пространство между магнитно активными слоями, то достигается высокая стабильность. Распорки являются магнитно не активными слоями, которые могут быть расположены заподлицо с лежащими у зазора концами магнитно активных слоев.
Все указанные распорки могут быть выполнены в виде промежуточной пластины, покрывной пластины, полосы или распорной полосы. Это означает, в частности, что поверхности распорок могут быть структурированы соответствующим образом, с целью обеспечения лучшего охлаждающего действия или лучшей стабильности распорок. Высокая стабильность при малой массе достигается, в частности, с помощью распорок из армированной стекловолокном пластмассы (GFK) или армированной углеродным волокном пластмассы (CFK).
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения магнитно активные слои закреплены на магнитно не активных слоях. За счет этого действующие на магнитно активные слои силы отводятся в магнитно не активные слои и оттуда в конструкцию ротора или статора. Таким образом, силу уже на ограничивающих зазор концах первого магнитного полюса можно отводить в магнитно не активный слой. Тем самым отдельный магнитно активный слой может иметь меньшую стабильность, поскольку силы уже на ограничивающем зазор конце передаются на магнитно не активные слои. Передача сил может осуществляться посредством геометрического замыкания, например, за счет имеющих соответствующую форму поверхностей, соответственно, структурированных поверхностей магнитно не активных слоев или магнитно активных слоев. Как магнитно активные слои, так и магнитно не активные слои могут иметь соответственно структурированную поверхность, которые сцепляются друг с другом. Крепление магнитно активных слоев на магнитно не активных слоях можно осуществлять также с помощью силового замыкания. Крепление с силовым замыканием можно применять также в соединении с креплением с указанным геометрическим замыканием. Магнитно активные слои можно также наклеивать на магнитно не активные слои. В частности, предпочтительно, когда магнитно активные слои и магнитно не активные слои лежат противоположно друг другу большими поверхностями. В этом случае можно применять хорошие крепежные средства, которые локально обеспечивают небольшое крепление, однако по большой поверхности обеспечивают достаточное крепление.
Когда магнитно активные слои закреплены на магнитно не активных слоях, то магнитно активные слои могут быть выполнены очень тонкими. Это обеспечивает улучшенное подавление вихревых токов. Тонкие магнитно активные слои возможны также потому, что они за счет крепления на магнитно не активных слоях принимают форму магнитно не активных слоев.
Предпочтительно, можно также и в этом случае применять армированные стекловолокном пластмассы (GFK) или армированные углеродным волокном пластмассы (CFK). Это обеспечивает возможность предпочтительного соединения с опорной структурой, например, корпусом или рамой транспортного средства, которая выполнена с применением легких конструкций также из этих материалов.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения магнитно не активные слои соединены с помощью гребенчатой структуры с опорной структурой и/или по меньшей мере с одним другим магнитным полюсом. Опорная структура является, в частности, составляющей частью статора или ротора. Гребенчатое соединение с опорной структурой обеспечивает возможность соединения по большой поверхности между опорной структурой и магнитно не активными слоями, которое обеспечивает очень хорошую передачу сил, которые воздействуют на магнитно не активные слои, без применения дорогостоящих соединительных средств.
Гребенчатое соединение первого магнитного полюса с другим магнитным полюсом обеспечивает возможность изготовления отдельных магнитных полюсов и соединения их друг с другом с помощью гребенчатого соединения в зависимости от требований электрической машины в ротор или статор.
Во вращающейся электрической машине магнитные полюса образуют круг или же воспроизводят его с помощью многоугольника. Наряду с гребенчатым соединением отдельных магнитных полюсов друг с другом, магнитные полюса может дополнительно удерживать в их положении сплошное кольцо.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения электрическая машина содержит статор, который имеет первый магнитный полюс, и ротор, который имеет второй магнитный полюс. За счет выполнения в соответствии с изобретением по меньшей мере одного из магнитных полюсов статора в виде первого магнитного полюса уменьшается масса статора. В электрических машинах, статор которых имеет наибольшую массу магнитно активных частей, это особенно предпочтительно. При выполнении всех магнитных полюсов статора и всех остальных частей магнитно активной части, например ярма статора, относительно слоев как первый магнитный полюс, получается имеющий очень небольшую массу статор.
Предпочтительным является также выполнение статора в виде сегментов, в котором магнитные полюса статора гребенчато соединены друг с другом. При этом статор выполнен из отдельных сегментов. Преимущество выполненного из сегментов статора состоит в том, что, например, во вращающейся электрической машине статор не должен быть выполнен непрерывным вдоль окружности машины. Статор может иметь разрывы, что особенно полезно при применении в подвижных средствах для оптимизации конструктивного пространства.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения электрическая машина содержит статор, который имеет первый магнитный полюс, и ротор, который имеет второй магнитный полюс. В этом варианте выполнения ротор имеет небольшой момент инерции, поскольку по меньшей мере один магнитный полюс ротора выполнен как первый магнитный полюс. При этом наименьший момент инерции в смысле изобретения достигается тогда, когда все магнитные полюса ротора выполнены как первый магнитный полюс, а также все магнитно активные части ротора, например, ярмо ротора, выполнены относительно слоев как первый магнитный полюс. Вариант выполнения ротора с небольшим моментом инерции особенно интересен для применений, в которых требуется большое ускорение.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения электрическая машина является линейной машиной. В линейной машине статор перемещается в одной плоскости относительно ротора. В линейной машине возможно также, что ротор перемещается относительно статора в одной плоскости. Отличительным признаком между статором и ротором линейной машины часто является их различная масса. Для выполнения ротора простым, во многих применениях статор движется относительно ротора. В этом случае предпочтительно, когда статор содержит первый магнитный полюс, с целью уменьшения подвижной массы при почти неизменной мощности. За счет этого достигается большее ускорение.
s
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения электрическая машина является вращающейся электрической машиной. Во вращающейся электрической машине вращается ротор относительно статора. Ротор имеет ось вращения, вокруг которой вращается вращающаяся электрическая машина при работе. Ротор установлен относительно оси вращения в статоре. Между магнитными полюсами ротора и магнитными полюсами статора находится зазор l. Ось вращения ротора выполнена, в частности, в виде вала, так что электрическая машина может отдавать энергию движения или за счет вращения ротора с помощью внешней силы создавать электрическую энергию.
Статор и ротор вращающейся электрической машины могут быть также образованы с помощью сегментов, которые пригодны для линейного электродвигателя. В этом случае сегменты воспроизводят частично или полностью изогнутую форму статора или ротора в виде многоугольника.
Указанные предпочтительные варианты выполнения и приведенные ниже предпочтительные варианты выполнения можно произвольно комбинировать друг с другом.
Так, в одном предпочтительном варианте выполнения изобретения некоторые или все магнитные полюса статора или ротора могут быть выполнены как первый магнитный полюс, согласно изобретению, в виде системы магнитно активных и неактивных слоев в соответствии с указанными условиями. Таким образом, получается имеющая небольшую массу электрическая машина, которая имеет почти одинаковую мощность с электрической машиной с компактным выполнением магнитно активных частей.
Изобретение может быть реализовано независимо от конструкции и принципа действия вращающейся электрической машины или линейной машины, когда электрическая машина имеет признаки варианта выполнения в соответствии с формулой изобретения. Примерами вращающихся электрических машин и линейных машин являются асинхронные машины, синхронные машины и коллекторные машины. Кроме того, во вращающихся электрических машинах возможна, например, в качестве разновидности машина с внутренним ротором или машина с наружным ротором. В линейных машинах также возможны различные конструкции. Так, например, статор может взаимодействовать больше, чем с одним ротором. Изобретение может быть реализовано в машинах переменного тока или машинах постоянного тока.
Кроме того, изобретение, в частности ее варианты выполнения, можно предпочтительно комбинировать с известными из уровня техники возможностями уменьшения массы электрической машины. Этими возможностями являются, например, оптимальный крой стального листа или магнитно активных материалов с высокой поляризацией насыщения.
Задача решена также с помощью магнитной полюсной части для применения в качестве первого магнитного полюса для электрической машины.
a
i
Магнитная полюсная часть, согласно изобретению, содержит первый магнитный полюс для применения в качестве первого магнитного полюса для электрической машины, который имеет систему слоев, которая содержит магнитно активные слои с общим объемом V, при этом система содержит магнитно не активные слои с общим объемом V, которые имеют меньшую среднюю плотность массы, чем магнитно активные слои, и последовательность в системе магнитно не активных слоев и магнитно активных слоев задана по существу повторением периода р, который имеет заданную последовательность магнитно активных слоев и магнитно не активных слоев, при этом пространственная доля k, которая определена уравнением
a
a
i
k=V/(V+V),
выполняет условие
0,5≤k≤0,8.
Описание действия и преимуществ магнитной полюсной части приведено применительно к электрической машине, согласно изобретению, поскольку магнитная полюсная часть пригодна для применения для первого магнитного полюса электрической машины.
Задача решена также с помощью транспортного средства, которое содержит электрическую машину, согласно изобретению.
Транспортное средство, согласно изобретению, в частности наземное транспортное средство, водное транспортное средство или воздушное транспортное средство, содержит электрическую машину, согласно изобретению, в частности, в различных комбинациях указанных выше вариантов выполнения. Для уменьшения расхода энергии транспортным средством на единицу пути предпринимаются попытки удерживания массы транспортного средства возможно меньшей. Приводы транспортных средств выполнены, как правило, так, что они работают в большинстве случаев с их номинальной нагрузкой. Использование электрической машины, согласно изобретению, обеспечивает возможность уменьшения массы транспортного средства при одинаковой приводной мощности.
Электрическую машину, согласно изобретению, можно особенно предпочтительно использовать в транспортных средствах, в которых электрическую машину можно использовать с максимальной нагрузкой, которая примерно на 20% превышает номинальную нагрузку. При нагрузке, которая превышает больше чем на 20% номинальную нагрузку, можно еще более предпочтительно использовать электрическую машину, согласно изобретению, в транспортных средствах. Однако нагрузка электрической машины не должна превышать двойную номинальную нагрузку.
В транспортных средствах, таких как, например, автомобили, основной привод часто нагружается изменяющейся нагрузкой. Так, например, при плотном движении или в городе за счет переключения светофоров, транспортное средство часто ускоряется и снова тормозится. Наиболее часто применяемые автомобили имеют все еще двигатели внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания имеют по сравнению с электрическими машинами меньшую силу ускорения при трогании с места автомобиля. Участники движения привыкли к движению автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. В транспортном средстве, согласно изобретению, было установлено, что меньшая максимальная нагрузка электрической машины не создает проблем для участников движения. В соответствии с этим, особенно предпочтительным является использование электрической машины, согласно изобретению, в автомобилях.
В рельсовых транспортных средствах, водных или воздушных транспортных средствах привод транспортного средства в большинстве случаев нагружается постоянной нагрузкой. Поэтому в этом случае в транспортном средстве, согласно изобретению, можно за счет использования электрической машины, согласно изобретению, осуществлять большое уменьшение массы.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения транспортное средство, в частности наземное транспортное средство, водное транспортное средство или воздушное транспортное средство, содержит электрическую машину, согласно изобретению, в качестве части гибридного привода. В данном случае электрическая машина, согласно изобретению, используется в качестве главного привода. Когда динамические качества требуют нагрузки электрической машины с превышением номинальной нагрузки более чем на 20% или с двойной номинальной нагрузкой, то излишняя нагрузка может приниматься другим приводом.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения транспортное средство, в частности наземное транспортное средство, водное транспортное средство или воздушное транспортное средство, содержит непосредственный привод, который содержит электрическую машину, согласно изобретению. Электрическая машина содержит приводной вал, который соединен с ротором, и непосредственно связан с ведомым валом транспортного средства для приведения в движение транспортного средства, что означает, в частности, что ведомый вал и приводной вал вращаются с одинаковой скоростью вращения. В частности, ротор закреплен на приводном валу. За счет исключения, согласно изобретению, редуктора в соединении с электрической машиной, согласно изобретению, уменьшается масса транспортного средства и тем самым расход энергии транспортным средством.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения транспортное средство, в частности наземное транспортное средство, водное транспортное средство или воздушное транспортное средство, содержит электрическую машину, согласно изобретению, в частности, в различных комбинациях указанных вариантов выполнения, в качестве вспомогательного привода, например, для стеклоподъемников или охлаждающих устройств. На основании многих небольших вспомогательных приводов, которые имеются в транспортном средстве, возможно суммарное большое уменьшение веса в транспортном средстве, согласно изобретению.
Задача решена также с помощью ветроэнергетической установки, которая содержит электрическую машину, согласно изобретению.
Ветроэнергетическая установка, согласно изобретению, содержит электрическую машину, согласно изобретению, в частности, в различных комбинациях указанных вариантов выполнения. Кроме того, ветроэнергетическая установка, согласно изобретению, содержит лопасть, которая механически связана с ротором электрической машины. В ветроэнергетической установке башня с ее опорной структурой должна надежно нести массу на верхнем конце башни при всех возникающих силах ветра и нагрузках на изгиб, без возникновения повреждений башни. В соответствии с этим, необходимо нагрузку на конце башни удерживать небольшой. С другой стороны, на конце мачты необходимо устанавливать большой генератор, с целью получения возможно больше электрической энергии из ветроэнергетической установки. А именно, с экономической точки зрения выгоднее возводить большую ветроэнергетическую установку с генератором большой мощности, чем несколько меньших ветроэнергетических установок с меньшей мощностью генератора. В ветроэнергетической установке, согласно изобретению, можно обеспечивать при одинаковой массе на конце башни более высокую мощность генератора. Применение магнитных полюсов, которые по своей конструкции соответствуют первому магнитному полюсу, в роторе имеет особое преимущество, состоящее в том, что за счет имеющего меньшую массу ротора сила ветра должна приводить в движение меньшую массу, с целью приведения в движение лопасти.
Кроме того, задача решена с помощью способа изготовления электрической машины.
Способ, согласно изобретению, изготовления электрической машины содержит:
- выбор магнитно не активных слоев, которые имеют меньшую среднюю плотность массы, чем магнитно активные слои;
- задание пространственной доли k в соответствии с условием
0,5≤k≤0,8;
- задание последовательности периода р магнитно активных слоев и магнитно не активных слоев; и
- задание системы, которая содержит магнитно активные слои и магнитно не активные слои, по существу за счет повторения периода р.
Способ, согласно изобретению, обеспечивает возможность изготовления электрических машин, которые имеют значительное уменьшение массы магнитно активных частей при небольшом уменьшении мощности по сравнению с электрическими машинами с компактной конструкцией магнитно активных частей.
a
i
За счет выбора первого материала для магнитно активных слоев и второго материала для магнитно не активных слоев, который имеет меньшую среднюю плотность массы, чем первый материал, достигается уменьшение массы. В соответствии с изобретением, возможность уменьшения массы обеспечивается тем, что магнитно не активные слои из второго материала имеют значительную долю в объеме магнитно активных частей электрической машины. Поскольку магнитно не активные слои или магнитно активные слои могут быть выполнены также негомогенными, рассматриваются средние плотности массы объемов V и V.
Ai
В другом предпочтительном варианте выполнения способа изготовления электрической машины задают толщины b магнитно активных слоев так, что выполняется условие
Ai
s
s
b≤l/4 … l/20.
Ai
s
s
Ai
Когда толщины b магнитно активных слоев заданы так, что они выполняют указанное условие, то достигается существенное уменьшение массы электрической машины по сравнению с компактной конструкцией магнитно активных частей электрической машины при лишь небольшом уменьшении мощности, в частности, за счет подходящего выбора определенного частного длины l, в частности, от ј до 1/20 длины l, в условии для толщин b, улучшается уменьшение массы, соответственно, возникающее при этом уменьшение мощности для типа электрической машины или применения.
Ниже приводится более подробное описание и пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - вариант выполнения электрической машины, которая содержит первый магнитный полюс;
фиг. 2 - разрез по линии II-II на фиг. 3;
фиг. 3 - вариант выполнения электрической машины в виде линейной машины;
фиг. 4 - сравнение линейной машины, согласно изобретению, с линейной машиной из уровня техники относительно измеряемой силы двигателя при измеряемом токе;
фиг. 5 - вариант выполнения электрической машины с распорками, которые частично заполняют пространство между магнитно активными слоями;
фиг. 6 - вариант выполнения первого магнитного полюса и другого магнитного полюса;
фиг. 7 - вариант выполнения электрической машины в виде вращающейся электрической машины;
фиг. 8 - разрез вдоль линии IIV-IIV вращающейся электрической машины из фиг. 7;
фиг. 9 - вариант выполнения магнитной полюсной части;
фиг. 10 - вариант выполнения ветроэнергетической установки;
фиг. 11 - сравнение, в частности, номинальных сил при номинальном токе для варианта выполнения электрической машины, согласно изобретению, с электрическими машинами из уровня техники.
A
i
s
s
s
На фиг. 1 показан вариант выполнения электрической машины 1, которая содержит первый магнитный полюс 2. Первый магнитный полюс 2 содержит систему слоев. Слои содержат магнитно активные слои 3 и магнитно не активные слои 9, при этом магнитно не активные слои 9 имеют меньшую среднюю плотность массы, чем магнитно активные слои 3. Система слоев имеет период р. Период р имеет заданную последовательность магнитно активных слоев 3 и магнитно не активных слоев 9. На фиг. 1 период р начинается двумя следующими друг за другом магнитно активными слоями 3 и заканчивается магнитно не активным слоем 9. Система слоев является по существу повторением периода р. Пространственная доля k, которую можно вычислять из общего объема V магнитно активных слоев 3 и общего объема V магнитно не активных слоев 9, равна двум третям на фиг. 1. Магнитный полюс 2 лежит противоположно второму магнитному полюсу 4, так что образуется зазор 5. Зазор 5 имеет длину l, которая измерена в направлении, параллельном одному из слоев, от ограничивающего зазор 5 конца первого магнитного полюса 2 до ограничивающего зазор 5 конца второго магнитного полюса 4. На фиг. 1 показано, что магнитно не активные слои 9 расположены заподлицо с обращенными к зазору 5 концами магнитно активных слоев 3, и длина l задана для всей системы слоев. Электрическая машина, согласно фиг. 1, содержит дополнительно электрический проводник 6 в качестве связующего элемента между электрическим контуром 7 и магнитным контуром 8. Электрический проводник 6 предпочтительно содержит витки, которые окружают первый магнитный полюс 2. На фиг. 1 показана электрическая машина 1 в рабочий момент времени, в который магнитный контур 8 содержит первый магнитный полюс 2, зазор 5 с длиной l и второй магнитный полюс 4, через которые проходит общий магнитный полезный поток для электромеханического преобразования энергии. Если электрическая машина является электродвигателем, то магнитный полезный поток создается при работе электродвигателя с помощью тока, который проходит в электрическом контуре 7. Магнитный полезный поток приводит к тому, что первый магнитный полюс и второй магнитный полюс перемещаются относительно друг друга. Таким образом, происходит электромеханическое преобразование электрической энергии, которая имеется в электрическом контуре 7, в механическую энергию, которая имеется за счет относительного движения первого магнитного полюса 2 и второго магнитного полюса 4.
Если электрическая машина 1 используется в качестве генератора, то общий магнитный полезный поток вызывается за счет относительного движения первого магнитного полюса 2 относительно второго магнитного полюса 4. В этом случае магнитный полезный поток вызывает прохождение электрического тока в электрическом контуре 7. Таким образом, в этом случае энергия движения, которая приводит к движению первого магнитного полюса 2 относительно второго магнитного полюса 4, преобразуется в электрическую энергию в электрическом контуре 7 тока.
Ai
Ai
s
s
Ai
Ai+2
В показанном на фиг. 1 варианте выполнения без соблюдения масштаба показано, что толщины b магнитно активных слоев 3 выполняют условие b≤l/4 … l/20. Выполнение этого условия означает, например, что как b, так и bвыполняют условие.
Вариантом выполнения электрической машины 1, 51, 101 является линейная машина 31, согласно фиг. 2 и 3. На фиг. 3 показано, что линейная машина 31 содержит статор 32 и ротор 33. Статор 32 содержит другие магнитные полюса, конструкция которых соответствует конструкции первого магнитного полюса 2. Магнитно активные слои 3, как показано на фиг. 3, образованы с помощью стальных листов, которые образуют в виде единого целого ярмо 35 статора и несколько зубьев 34. На зубьях 34, которые образуют магнитные полюса в виде первого магнитного полюса 2, закреплены катушки 36 зубьев. На фиг. 3 в качестве примера изображена одна катушка 36 зуба. Для достижения определенного распределения магнитного потока, некоторые из зубьев 34 могут не иметь катушки 36. Электрический проводник в показанном на фиг. 2 и 3 варианте выполнения соответствует виткам катушки 36 зуба.
s
s
s
Ротор 33 линейной машины 31, согласно фиг. 2 и 3, содержит несколько магнитных полюсов по типу второго магнитного полюса 4, которые соединены друг с другом с помощью ярма 33 ротора и содержат постоянные магниты 20. Постоянные магниты 20 граничат одним из своих полюсов (северным или южным) с верхним концом ярма 39 ротора. Зазор l измеряется от этого верхнего конца роторного ярма 39 до свободного конца зубьев 34. Длина l, которая измеряется для различных зубьев 34, является по существу одинаковой. Это означает, что отклонения различно измеряемой длины l не оказывают существенного влияния на мощность линейной машины 31.
На фиг. 4 показана измеренная сила электродвигателя в зависимости от тока питания линейной машины 31, согласно изобретению, в виде сплошной линии с точками измерения, и для линейной машины, известной из уровня техники, в виде штриховой линии 41 с точками измерения.
s
Применяемый вариант выполнения линейной машины 31, согласно изобретению, выполнен в качестве лабораторного образца из стандартных компонентов трехфазного линейного электродвигателя в упрощенном виде. Так, магнитно не активные слои 9 являются лишь металлическими распорками. Металлические распорки образованы посредством изгиба стальных листов статора 32 на некоторых концах, так что магнитно не активные слои 9 выполнены в виде полых пространств. В линейной машине 31, как показано на фиг. 2, в каждом периоде р два стальных листа толщиной 0,5 мм следуют друг за другом, а затем образовано полое пространство толщиной 0,5 мм. Длина l составляет 6 мм, при этом в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения внутри зазора расположены постоянные магниты 20. Постоянные магниты 20 имеют высоту 4 мм.
Линейная машина, известная из уровня техники, построена так же, как и линейная машина 31, при этом стальные листы не изогнуты и тем самым вместо магнитно не активного слоя 9 используется стальной лист. Таким образом, статор линейной машины, согласно уровню техники, имеет предпочтительную и обычную в уровне техники плотную упаковку.
Катушки 36 зубьев обеих линейных машин включены как в трехфазной линейной машине, согласно уровню техники.
eff
mess
Для измерения в соответствии с фиг. 4 оба электродвигателя снабжались питающим током I, измеряемого в A, и сила F электродвигателя измерялась в Ньютонах с помощью датчика силы.
При увеличении питающего тока линейная машина 31, согласно изобретению, имеет меньшую силу электродвигателя, чем сравнимая линейная машина, согласно уровню техники.
На фиг. 11 показано, что потеря силы электродвигателя является небольшой. На фиг. 11 показана сила электродвигателя относительно номинальной силы электродвигателя из уровня техники. Номинальная сила электродвигателя соответствует номинальной нагрузке линейной машины, и ее можно обычно пересчитывать в номинальную мощность посредством умножения с номинальной скоростью. Номинальный ток является питающим током, который проходит, когда линейная машина отдает свою номинальную силу электродвигателя.
s
Штриховая линия 111 и номинальная точка 110 на штриховой линии относятся к линейной машине, согласно уровню техники. Штрихпунктирная линия 114 с номинальной точкой 115 относится к линейной машине, которая по конструкции одинакова с линейной машиной из уровня техники, при этом активная ширина b (см. фиг. 2) уменьшена примерно на 67% по сравнению с линейной машиной, которая представлена штриховой линией 111. Эта линейная машина имеет на 67% меньшую массу. Таким образом, выполняется требование к уменьшению массы, однако на 67% уменьшается также номинальная сила первоначальной линейной машины из уровня техники.
В варианте выполнения линейной машины 31, согласно изобретению, в виде лабораторного образца номинальная сила электродвигателя уменьшается на менее чем 10% по сравнению с линейной машиной из уровня техники. В варианте выполнения линейной машины 31, согласно изобретению, в виде лабораторного образца также достигается уменьшение массы на 33%, без существенного уменьшения номинальной силы электродвигателя.
На фиг. 5 показан альтернативный вариант выполнения магнитно не активных слоев 9 электрической машины 51, в котором магнитно не активные слои 9 являются распорками 52. При этом предпочтительным является расположение распорок 52 вблизи ограничивающего зазор 5 конца первого магнитного полюса 2, с целью уменьшения вероятности сгибания концов первого магнитного полюса 2. Для достижения заданного положения распорок 52, они могут быть расположены заподлицо с обращенными к зазору 5 концами магнитно активных слоев 3. Для обеспечения стабильности первого магнитного полюса 2, распорки 52 могут быть закреплены на магнитно активных слоях 3.
Для еще лучшей защиты магнитно активных слоев 3 от сгибания, могут быть установлены другие распорки 52 предпочтительно с равномерным распределением во всех направлениях слоя.
Прохождение распорок 52 перпендикулярно плоскости фиг. 5, т.е. в направлении, соответственно, в одном из направлений, которое проходит параллельно магнитно активным слоям 3 и не в направлении зазора, может быть более коротким, чем магнитно активные слои 3. Это обеспечивает возможность прохождения текучей среды, такой как, например, воздух или вода, для охлаждения в направлении, параллельно одному из слоев, ко второму магнитному полюсу 4. Тем самым можно охлаждать не только первый магнитный полюс 2, но также и второй магнитный полюс 4. Распорки 52 могут быть выполнены точечными или с очень небольшой поверхностью соприкосновения с магнитно активными слоями 3, так что во всех направлениях, параллельных слоям, может протекать текучая среда для охлаждения.
На фиг. 6 показан вариант выполнения первого магнитного полюса 2 и другого магнитного полюса 64. Магнитно активные слои 3 закреплены на магнитно не активных слоях 9. Крепление может быть осуществлено с помощью клея между поверхностями магнитно активных слоев 3 и магнитно не активных слоев 9. На основании больших поверхностей возможно стойкое и плоское крепление магнитно активных слоев 3 на магнитно не активных слоях 9. Магнитно не активные слои 9 направляют большую долю силы, которая действует на магнитно активные слои 3, в опорную структуру 61. Для обеспечения крепления магнитно не активных слоев 9 на опорной структуре 61, а также ввода сил, воздействующих на магнитно не активные слои 9, в опорную структуру 61, применяется гребенчатая структура 62.
Соединение между первым магнитным полюсом 2 и другими магнитными полюсами 64 реализовано с помощью гребенчатой структуры 63.
Гребенчатые структуры 62, 63 могут обеспечивать возможность соединения между первым магнитным полюсом 2 и другими магнитными полюсами 64, соответственно, между магнитно не активными слоями 9 и опорной структурой 61, лишь за счет геометрического замыкания. В зависимости от требований соединение с помощью гребенчатых структур 62 или 63 может поддерживаться средством силового замыкания. Это может быть клей или поверхностная структура с определенной шероховатостью.
На фиг. 7 показана вращающаяся электрическая машина 71, которая содержит статор 32 и ротор 33. Статорное ярмо 35, зубья 34, роторное ярмо 39 и система постоянных магнитов 20, соответственно, сами постоянные магниты 20, по форме и функции согласованы с конструкцией вращающейся электрической машины 71.
На фиг. 8 показан разрез вращающейся электрической машины 71 по линии IIIV-IIIV. Ротор 33 установлен во вращающейся электрической машине 71 с возможностью вращения вокруг оси 81 вращения. В частности, вдоль оси 81 вращения проходит вал, который опирается через подшипники на корпус вращающейся электрической машины 71.
При работе вращающейся электрической машины 71 в качестве генератора, через вал на ротор 33 передается крутящий момент. Ротор 33 создает с помощью постоянных магнитов 20 в магнитных полюсах статора 32, которые имеют конструкцию как первый магнитный полюс 2, полезный поток. Отдельные или многие магнитные полюсы ротора 32 окружены электрическим проводником 6, в частности, в виде витков, например, в виде катушки зуба. За счет вращения ротора 2 вокруг оси 81 вращения изменяется полезный поток в одном или многих магнитных полюсах статора 32. Это изменение потока создает ток в электрическом проводнике 6, так что в контуре 7 электрического тока имеется электрическая энергия.
При работе вращающейся электрической машины 71 в качестве электродвигателя, в магнитных полюсах статора 32, которые выполнены как первый магнитный полюс 2, создается переменный полезный поток с помощью тока в электрическом проводнике 6. Изменяющийся полезный поток приводит к вращению ротора 33 вокруг оси 81 вращения и отдаче крутящего момента в вал, который соединен без возможности проворачивания с ротором 33. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в механическую энергию.
A
i
На фиг. 9 показан вариант выполнения магнитной полюсной части 92 для применения в качестве первого магнитного полюса 2 в электрической машине 1, 51, 101. Магнитная полюсная часть 92 содержит систему слоев. Слои содержат магнитно активные слои 93 и магнитно не активные слои 99, при этом магнитно не активные слои 99 имеют меньшую среднюю плотность массы, чем магнитно активные слои 93. Система слоев имеет период р. Период р имеет заданную последовательность магнитно активных слоев 93 и магнитно не активных слоев 99. На фиг. 1 период р начинается двумя следующими друг за другом магнитно активными слоями 93 и заканчивается магнитно не активным слоем 99. Система слоев является по существу повторением периода р. Пространственная доля k, которую можно вычислять из общего объема V магнитно активных слоев 3 и общего объема V магнитно не активных слоев 9, равна двум третям на фиг. 11. Магнитная полюсная часть 92 пригодна для применения, например, в качестве первого магнитного полюса 2 в линейной машине 31 и во вращающейся электрической машине 71.
На фиг. 10 показана ветроэнергетическая установка 104, которая содержит башню 102, которая несет электрическую машину 101. Электрическая машина 101 является вращающейся электрической машиной, ротор 103 которой механически связан с лопастью 100. Когда ветер приводит в движение лопасть 100, то вращательное движение передается через механическую связь на ротор 33, 103. За счет движения ротора 33, 103 электрическая машина 1, 51, 101 создает электрическую энергию. Ветроэнергетическая установка 104 может быть выполнена в соответствии с уровнем техники. Это означает, что с ротором 33, 103 соединено несколько лопастей 100 для обеспечения оптимального использования силы ветра. Кроме того, электрическая машина 1, 51, 101 может быть размещена в обычной для ветроэнергетических установок гондоле на конце башни 102. Статор 32 электрической машины 1, 51, 101, который установлен неподвижно в ветроэнергетической установке 104, выполнен в соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения. Таким образом, статор 32 имеет уменьшенную по сравнению с уровнем техники массу. Тем самым механическая конструкция ветроэнергетической установки 104 должна быть предназначена для меньших статических и динамических сил. Это обеспечивает то преимущество, что ветроэнергетическая установка 104 может быть изготовлена с меньшими затратами и/или с более высокой надежностью относительно стабильности. Когда магнитные полюса ротора 33, 103 выполнены, согласно изобретению, как первый магнитный полюс, то ротор 33, 103 имеет меньший момент инерции, так что он может приходить во вращение уже при небольших силах ветра. Таким образом, с помощью выполнения ветроэнергетической установки в соответствии с изобретением можно ветровую энергию более эффективно преобразовывать в электрическую энергию.
Транспортное средство, выполненное в соответствии с изобретением, является наземным транспортным средством, водным транспортным средством или воздушным транспортным средством, которое содержит электрические машины 1, 51, 101, согласно изобретению. Вспомогательные приводы в транспортном средстве, например, для стеклоподъемников или охлаждающих устройств, снабжены электрическими машинами 1, 51, 101, согласно изобретению. Кроме того, транспортное средство приводится в действие с помощью электрической машины 1, 51, 101, согласно изобретению, для приведения в движение транспортного средства и удерживания его в движении.
В одном варианте выполнения транспортного средства электрическая машина 1, 51, 101 является основным приводом транспортного средства, который по существу один выполняет работу, с целью приведения транспортного средства в движение и удерживания его в движении.
В другом варианте выполнения транспортного средства, согласно изобретению, является наземным транспортным средством, водным транспортным средством или воздушным транспортным средством, которое имеет электрическую машину, согласно изобретению, в качестве части гибридного привода.