Магнитопровод статора электромеханических преобразователей энергии
STATOR MAGNETIC CORE OF ELECTROMECHANICAL POWER CONVERTERS

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов.
Известен сердечник из аморфного железа [патент US №5903082 А, H02K 1/12, H02K 21/12, H02K 37/12, Н02Р 9/18, H02K 21/24, H02K 1/14, H02K 1/02, H02K 1/04, H02K 29/10, H02K 1/18, 11.05.1999], содержащий отдельно сформированные аморфное ярмо и аморфные полюса, которые совместно установлены в корпусе из диэлектрика, образовывая при этом сердечник статора электромеханического преобразователя энергии.
Недостатками данного магнитопровода статора из аморфного железа являются сложность его изготовления и низкие магнитные свойства, обусловленные значительными нарушениями геометрии магнитопровода статора из аморфного железа при сборки отдельных полюсов и ярма, а также низкий теплоотвод потерь энергии от магнитопровода статора из аморфного железа.
Известен статор электрической машины, например, электродвигателя электрического транспортного средства [патент DE 102012207508 А1, H02K 1/06, H02K 1/12, H02K 15/02, 7.11.2013], содержащий П-образные сердечники, которые ламинированы из нескольких листов электротехнической стали. Из n-П-образных сердечников набирается магнитопровод.
Недостатками данного магнитопровода статора являются сложность его изготовления и установки в корпусе электрической машины, а также значительные аэродинамические потери энергии на трение ротора с воздухом.
Известен магнитопровод статора из аморфного железа [патент US 6960860 B1, Н02K 1/14, Н02K 1/12, Н02K 15/02, 01.10.2005], содержащий ротор, n-подковообразных сердечников набранных из ленты аморфного железа, установленных в диэлектрическом остове.
Недостатками данного магнитопровода статора из аморфного железа является его низкая эффективность и удельные показатели в составе электромеханических преобразователей энергии с внешним жидкостным охлаждением поверхности статора через рубашку охлаждения, обусловленная повышенными габаритными размерами, из-за низкой индукции насыщения ленты аморфного железа, а также значительными потерями энергии на трение ротора с воздухом, обусловленными не гладкой внутренней поверхностью статора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому приходится магнитопровод статора электромеханических преобразователей энергии с интенсивным охлаждением (варианты) и способ его изготовления [патент RU 2570834 С1, Н02K 1/20, Н02K 3/24, Н02K 15/02, 08.07.2014], содержащий ротор, подковообразные сердечники, набранные из ленты аморфного железа, установленные в диэлектрическом остове и образующих пазы и зубцы магнитопровода статора, обмотку, уложенную в пазах статора, диэлектрический остов выполнен в виде рубашки охлаждения с аксиальными трубками, при этом форма трубок профилирует форму пространства между подковообразными сердечниками, а по периметру диэлектрического остова введены дополнительные каналы охлаждения, причем боковые поверхности и дно пазов с уложенной в них обмоткой залиты неэлектропроводящим, немагнитным материалом с высокой теплопроводностью, а внутренняя поверхность пазов залита неэлектропроводящим, немагнитным материалом с низкой теплопроводностью, таким образом, что внутренняя поверхность статора гладкая.
Недостатками данного магнитопровода статора являются потери на вихревые токи в виду того, что магнитопровод выполнен не шихтованным, а цельным. Т.е. цельная лента аморфного железа проходит через всю активную длину магнитопровода статора, в результате контур вихревых токов также проходит через всю активную длину магнитопровода статора, что приводит к негативным последствиям, а именно потерям на вихревые токи, что ограничивает функциональные возможности магнитопровода статора и электромеханического преобразователя энергии в целом. Кроме того, недостатком магнитопровода является то, что магнитный поток между подковообразными сердечниками замыкается только через зубцы, что также ограничивает функциональные возможности магнитопровода статора и электромеханического преобразователя энергии в целом.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей магнитопровода статора электромеханических преобразователей энергии с интенсивным охлаждением, благодаря повышению выходной мощности при неизменных массогабаритных показателях, повышение эффективности и удельных показателей магнитопровода статора электромеханических преобразователей энергии с интенсивным охлаждением.
Техническим результатом является повышение надежности, энергоэффективности и минимизация тепловыделений электромеханических преобразователей энергии, повышение КПД электромеханических преобразователей энергии на 1-2%.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что магнитопровод статора электромеханических преобразователей энергии, содержащий подковообразные сердечники, набранные из ленты аморфного железа и образующих зубцы и пазы статора, в которых уложена обмотка, диэлектрический остов, аксиальные трубки, согласно изобретению, магнитопровод статора образован подковообразными сердечниками, набранными из ленты аморфного железа и установленными в аксиальном направлении, на внешних сторонах которых расположены изолированные друг от друга витые кольца из ленты аморфного железа, на внешнюю часть которых установлен диэлектрический остов, при этом, в каналах, образованных между подковообразными сердечниками и витыми кольцами, установлены аксиальные трубки охлаждения.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 и на фиг. 2 изображен поперечный и продольный разрез магнитопровода статора электромеханических преобразователей энергии соответственно.
Предложенный магнитопровод статора электромеханических преобразователей энергии (фиг. 1) содержит ротор 1, подковообразные сердечники 2, набранные из ленты аморфного железа и установленные в аксиальном направлении, на внешних сторонах подковообразных сердечников 2, расположены изолированные друг от друга витые кольца 3 из ленты аморфного железа, между подковообразными сердечниками 2 и витыми кольцами 3 образуются каналы 4, в которых установлены аксиальные трубки охлаждения 5. На внешнюю часть витых колец 3 установлен диэлектрический остов 6, который имеет дополнительные каналы охлаждения 7 в аксиальном направлении, подковообразные сердечники 2 образуют зубцы 8 и пазы 9, обмотка 10 уложена в пазы 9. В каждом пазу 9 установлен клин 11 для монтажа обмотки 10.
Предложенный магнитопровод статора электромеханических преобразователей энергии работает следующим образом: при вращении ротора 1, по подковообразным сердечникам 2, набранные из ленты аморфного железа, протекает магнитный поток возбуждения. Для усиления замыкания магнитного потока магнитопровода статора и минимизации полей рассеивания на внешней стороне подковообразных сердечников 2 установлены витые кольца 3 из ленты аморфного железа. По закону электромагнитной индукции при вращении ротора 1, в обмотке 10 наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки, частоты вращения ротора 1 и магнитного потока возбуждения. При подключении нагрузки в обмотках 10 начинает протекать ток, при этом создаются тепловые потери в обмотках 10, обусловленные током в обмотках 10 и ее активным сопротивлением, а также потери на вихревые токи, обусловленные частотой вращения ротора, размерами обмотки и ее удельным сопротивлением, а также конструкцией магнитопровода статора электромеханических преобразователей энергии. Для минимизации потерь на вихревые токи магнитопроводящие элементы, а именно подковообразные сердечники 2 и витые кольца 3 собраны и изолированные друг от друга в аксиальном направлении, для минимизации контуров вихревых токов. Кроме того, выделяются потери непосредственно в подковообразных сердечниках 2 и витых кольцах 3, обусловленные величиной магнитного потока возбуждения, массой магнитопровода статора и удельными потерями материала магнитопровода статора, для минимизации описанных потерь подковообразные сердечники 2 и витые кольца 3 выполнены их ленты аморфного железа, которое имеет минимальные удельные потери (0,01-1 Вт/кг). Также выделяются потери энергии на трение ротора 1 с воздухом, обусловленные частотой вращения ротора 1, его геометрическими размерами, температурой воздуха и давлением в зазоре между ротором 1 и магнитопроводом статора. Дополнительный отвод потерь осуществляется по законам теплопереноса, при протекании хладагента по аксиальным трубкам охлаждения 5, установленным в пространстве между подковообразными сердечниками 2 и витыми кольцами 3, и дополнительными каналами охлаждения 7, установленными в диэлектрическом остове 6.
Итак, заявляемое изобретение позволит расширить функциональные возможности магнитопровода статора электромеханических преобразователей энергии, повысить выходную мощность при неизменных массогабаритных показателях, повысить энергоэффективность и удельные показатели электромеханического преобразователей энергии, повысить надежность, минимизировать тепловыделения электромеханических преобразователей энергии.