NO324241B1 - Anordning ved elektrisk maskin - Google Patents

Description

Anordning ved elektrisk maskin

Oppfinnelsen gjelder en anordning ved en elektrisk maskin av det slaget som er angitt i innledningen til patentkrav 1. Det kan i praksis vær en elektrisk motor eller generator eller en aktuator med anker som beveger seg i en rett eller buet bane. Slike maskiner kan tilvirkes i forskjellige størrelser for forskjellige formål som det vil bli gitt eksempler på.

Bakgrunn:

Elektriske maskiner har tradisjonelt vært basert på synkronmaskiner med feltvikling og asynkron- maskiner. I de siste tiårene har bruken av permanentmagnetiserte synkronmaskiner (PMSM) økt. Prisen på permanent magneter er blitt redusert samtidig som forskning og utvikling av denne type maskiner er blitt intensivert. Flere sektorer benytter nå PMSM-maskiner, så som papirindustrien, offshore og marin sektor. PMSM-maskinene er blitt stadig mer vanlig i resten av markedet for elektriske maskiner.

Mange av de tidlige PMSM-maskinene var basert på bruk av standard stator fra en asynkronmaskin og en rotor utstyrt med permanent magneter. En slik stator er vist i Assessment of torque components in brushless permanent- magnet machines through numerical analysis of the electromagnetic field av lonel, D.M.; Popescu, M.; McGilp, M.I.; Miller, T.J.E.; Dellinger, S.J.; Industry Applications, IEEE Transactions on Volume 41, Issue 5, Sept.-Oct. 2005, Side 1149 - 1158

Tradisjonelt er fordelt vikling og delvis lukkete spor benyttet i stator i slike maskiner. I de senere årene har man sett en utvikling mot bruk av konsentrerte viklinger. Bruken av konsentrerte viklinger medfører mange nye og aktuelle muligheter for maskindesign; seksjonering, økt antall poler, lavere turtall, direktedrift m.fl. I tillegg til å ha en enklere oppbygning, har maskiner med denne type vikling kortere endeviklinger enn maskiner med fordelte viklinger. Mer kompakte maskiner er mulig siden endeviklingene ikke bygger så mye i aksiell retning. Dette gjelder spesielt for maskiner med mindre aktiv lengde. Felles for de fleste maskinene som blir utformet med konsentrerte viklinger er, at de benytter delvis lukkete spor. Ulempen med denne sporutformingen er at man må føre inn en og en leder i sporet under vikling, såkalt plukkvikling. Delvis lukkede spor har blitt benyttet for å redusere reluktansforskjeller og koggemomentet.

Åpne spor med rektangulære tenner er blitt brukt for å kunne montere ferdige viklinger. Både US-patentsøknad 2005035680 og US-patentsøknad 2002047425 beskriver motorer der ferdige viklinger blir montert på hver tann. Ulempen med en slik sammenstilling er at det i hvert spor er et åpent luftrom som ikke blir utnyttet. I tillegg får man pulserende magnetfelt i statorblikk og magneter.

I japansk patentsøknad 2002112484 blir hele sporet utnyttet ved å forme viklingen slik at den har trapesform på ene siden mens den er rektangulær på motsatt side av tanna. Ulempen her er en mer komplisert geometri på viklingen. En alternativ forming av spolen for å fylle hele sporet er beskrevet i EP-patentskrift 1376830. Tverrsnittet av viklingen er symmetrisk om den rette tanna. I denne teknikken er delvis lukkete spor benyttet. Likevel kan spolen lages på forhånd, fordi statoråket monteres etter at spolene er montert på tennene. I tillegg til den spesielle viklingsutforminga, er sammenstillingen av en slik maskin vesentlig mer komplisert.

I EP-patentskrift 0627805 er hele maskinen bygd opp av små seksjoner. Stator består av ei rekke laminerte seksjoner som hver har to spor med en konsentrert vikling. Ulempen med dette konseptet er at man ender opp med et stort antall deler som skal settes sammen.

I alle PM-maskiner er det ønskelig å redusere tap som følge av induserte strømmer i rotor og stator. I stator har man tradisjonelt redusert tapene ved å benytte laminerte blikk. Selv om man utformer stator med laminert blikk vil man få ujevne magnetiske egenskaper på grunn av sporene i stator. Statorsporene gir en bedre magnetisk kobling mellom stator og rotor og fører dermed til varierende feltstyrke i magneter, rotor åk og stator åk. Det tradisjonelle tiltaket for å redusere denne type variasjoner er å benytte delvis lukking av statorsporene. Flere publikasjoner, m.a. Ishak D., Zhu Z. Q., og Howe D. : Comparison of PM Brushless Motors, Håving Either All Teeth or Alternate Teeth Wound IEEE Transactions on Energy Conversion, Volume PP, Issue 99, 2005 Page(s):1 - 1 omhandler hvordan man kan forbedre denne situasjonen ved forskjellig utforming av statorb likket.

En annen kjent teknikk er å benytte rotor med delte eller skjeve magneter. Her benyttes ofte en tredeling av magneten som tilhører en pol. Magnetene limes på med en liten vinkelforskjell slik at man oppnår samme effekt som "skewed" rotor. Ulempen med begge disse tiltakene er at de kompliserer og fordyrer produksjonen av maskinen.

Fra US-patentskrift 6,661,137 (Leroy-Somer 2003) er det også kjent å utforme statorblikk med rektangulære tenner. På de rektangulære tennene blir det satt ens spoler som da vil danne åpne luftrom mellom spolene.

Formål

Hovedformålet med oppfinnelsen er å lage en bedre, enklere og billigere elektrisk maskin basert på PMSM-teknologi. Maskinen skal være lett å masseprodusere, samtidig som den skal være kompakt og effektiv. Konseptet bør kunne benyttes i forskjellige typer elektriske maskiner og i maskiner til ulike formål.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen er beskrevet i patentkrav 1.

Det kan brukes en statorkonfigurasjon med parallelle rektangulære spor, hvor ferdig viklete og kompakterte spoler kan plasseres direkte inn i sporene. Sporene lukkes med sporkiler for mekanisk sikring. Viklingen kan være en konsentrert, brudden en-lags vikling. En slik maskin kan være utformet for en driftsfrekvens på 150Hz, og spolene kan være viklet av Litz-wire (varemerke) for å øke maskinens virkningsgrad.

Oppfinnelsen kan brukes ved roterende maskiner både med utvendig og innvendig stator. De parallelle tennene og de kjegleformete tennene er utformet for å gi minimum koggemoment og optimert formfaktor på indusert spenning. Ved innvendig stator blir altså de trapesformete tennene smalest inne i sporet. Sammenlignet med en indre stator med bare parallelle tenner, vil denne utførelsesformen av oppfinnelsen gjøre det mulig å bruke like spoler og det blir unødvendig med kjegleformete spoler.

Et gunstig trekk ved oppfinnelsen er angitt i patentkrav 2. I patentkrav 3 - 7 er det angitt ytterligere gunstige trekk ved oppfinnelsen.

Tanken bak konseptet er at man skal kunne produsere en rektangulær spole som skal kunne monteres direkte inn i stator uten å etterlate åpne luftlommer. For å få dette til på en optimal måte må statorutformingen endres. I det nye konseptet har man tillatt forskjellig form på tennene i stator. Annenhver tann i det nye konseptet blir rektangulær, henholdsvis kjegleformet. Bredden på de to nabotennene må utformes slik at spenningsform og koggemoment blir optimert.

Fordelene ved en slik konfigurasjon er i første rekke at man får en enklere produksjon av motorens spoler. Alle de rektangulære tennene er like store, så alle viklingene i en maskin er helt like. Under vikling av spolene er man kun avhengig av en spoleform, spolene kan utformes og kompakteres slik at kobberfyllfaktoren i sporene blir optimert. Statorutformingen gjør at maskinen er lett å masseprodusere.

I neste omgang er montasjen av spolene forenklet. Fyllfaktoren i sporene er en viktig faktor når man designer elektriske maskiner. Ved bruk av oppfinnelsen kan man enkelt komprimere viklingene før montasje. En del maskiner blir designet for høy fundamental frekvens. I disse maskinene velges det av og til vi kl ing st råd med spesielt tverrsnitt, for eksempel av merket "Litz-Wire" for å redusere kobbertapene. Det nye konseptet tillater bruk av rektangulær viklingstråd uten tilpasning. Også i andre maskinkonsepter er denne metoden fordelaktig, særlig ved store ledertverrsnitt, eksempelvis der profiltråd kan være aktuelt.

En annen versjon av denne sporutformingen kan være å forme stator slik at tverrsnittet av sporet blir trapesformet. Produksjonen av viklingene blir da noe mer komplisert fordi sidestykkene (topp og bunn) ikke ligger ortogonalt på selve formen, som har samme form som den rektangulære tanna. Sammenstillingen av maskinen vil fortsatt være like enkel. Trapesformet spor kan være hensiktsmessig når sporinndelingen er grov på relativt liten diameter. Lengdeforskjellen på sidene av den rektangulære og kjegleformede tanna blir da betydelig. Ved å bruke rektangulært spor i en slik maskin, vil sporet gå veldig dypt i ytterkant av et sporpar, slik at tykkelsen på statoråket må økes.

Ved bruk av det nye konseptet får man en bedre termisk kobling mellom statorvikling og statorblikk sammenlignet med maskinene beskrevet i US-patentsøknad 2005035680 og 2002047425, som har et åpent luftrom i sporet.

I forhold til EP0627805 har man i det nye konseptet en mye billigere maskin på grunn av at antallet deler reduseres til et minimum.

Oppfinnelsen benytter gunstige valg av antall tenner og poler for å kansellere momentrippler på grunn av reluktansmoment. På denne måten er man ikke avhengig av å lukke sporene mest mulig slik som tradisjonelle maskiner har blitt designet. På samme måte blir spenningsformen optimert, statorutforming og valg av spor- og poltall må ivareta ønsket om minimering av uønskete overharmoniske komponenter i signalet.

Oppfinnelsen er i særdeleshet egnet for en-lags vikling. Ved spesielle kombinasjoner av sportall og poltall kan brudden en-lags vikling oppnås. Brudden vikling er allment kjent i maskindesignmiljøet, med denne typen vikling oppnås reduksjon av spolehoder og reduksjon av overharmoniske komponenter i indusert spenning. Ulike spor-og poltallskombinasjoner gir også ulikt grunnlag for koggingmoment.

En utfordring som generelt kan oppstå i elektriske maskiner er overspenninger og skade på isolasjon, eksempelvis som følge av høye dV/dt fra omformeren. Med tanke på lokale overspenninger og skade på isolasjonen, gir oppfinnelsen i kombinasjon med konsentrerte spoler en gunstig virkning. Hvert spor i statoren vil i dette konseptet kun inneholde én fase, slik at spenningen som oppstår over isolasjonen er av typen fase-jord. Den samme gevinsten har man i spolehodene, alle spoler går fra nabo til nabospor, ingen spoler overlapper hverandre. Oppfinnelsen muliggjør også økt avstand fra spolehode til statorkjerne ettersom endeviklingene bygger lite i utgangspunktet, noe som er et vanlig tiltak med tanke på å minimere risikoen for brudd i isolasjonen. Videre vil de åpne sporene lette innføringen av ferdig formet sporisolasjon. Det samme gjelder for eventuell skjerming av spolen mot statorkjernen.

En lags vikling med konsentrerte spoler gir mulighet for å seksjonere viklingen både elektrisk og fysisk. På denne måten blir maskinene mer tolerante for feil og kan om ønskelig drives med redusert effekt. Graden av feiltoleranse bestemmes av koblingskonfigurasjonen, idet både utlegg av fasene og uttakskablene er medbestemmende her.

Seksjonering av viklingen gir også muligheter for individuell styring av enkeltspoler eller spolegrupper, videre gir dette mulighet til å posisjonere rotor i stator. Det kan leses av hvor i stator rotor står, viklingen brukes på denne måten som en posisjonssensor.

Videre vil en seksjonert vikling kunne muliggjøre seksjonering av hele statoren, dette er et poeng spesielt for større maskiner, hvor frakt og håndtering er begrensende faktorer. Ved skade på stator vil det være mulig å bytte ut enkeltseksjoner, på denne måten kan tidsavbrudd på grunn av feil minimeres. Maskinene kan derfor repareres på stedet.

Oppfinnelsen kan i prinsipp brukes på statorer i alle typer elektriske maskiner; asynkron, standard synkronmaskin, DC, BLDC og alle typer PMSM maskiner.

Eksempel:

Oppfinnelsen er nedenfor beskrevet nærmere under henvisning til tegningen, hvor Figur 1 viser et utsnitt av en utvendig stator ved en første utførelsesform av oppfinnelsen, Figur 2 viser et statorblikk for en utvendig stator i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen, mens

Figur 3 viser et enderiss av to tanntopper med innsatt sporkile.

Figur 1 viseren pakke av statorblikk 10 med tenner 11, 12, 13 som danner spor 14, 15 for innsetting av en spole 16. Annenhver tann 12 er parallell og det kan dermed settes inn en spole 16 med jevn åpning og jevne viklinger. Sporene er i dette eksemplet lukket med sporkiler 17 og 18, slik det blir beskrevet nærmere med henvisning til Figur 3. Figur 2 viser eksempel på en annen utførelsesform av et statorblikk 20 for oppbygging av en utvendig stator. Rotoren til denne elektriske maskinen kan ha kjent utforming og er derfor ikke vist. Statorblikket 20 har vekselvis parallelle tenner 21 og trapesformete tenner 22 som spisser utover med topper 23. Dermed dannes par med parallelle spor 24 for innsetting av rektangulære spoler av kjent utforming. Bredden på nabotennene må fastlegges slik at spenningsform og koggemoment blir optimert. I eksemplet er tennene vist med lik toppbredde. Men denne kan være forskjellig, for eksempel med et forhold på 0,9 - 1,1 til 1. Spissingen av de trapesformete tennene 22 vil bli bestemt av poltallet og sporbredden. Det er vist en spole 25 som er montert på ei tann 21.

Det er også et alternativ å lage spoler med parallellogram-tverrsnitt for å optimalisere sporfyllingen ytterligere ved sporbunner som ikke står vinkelrett på den spolebærende tannsida.

Figur 3 viser et utsnitt av et statorblikk 30 med tenner 31, 32, 33 som mellom seg danner to spor 34, 35. Ved hver tanntopp 36 er det i flankene utformet et V-spor 37, 38 som passer mot en sporkiles 39 avfasete sidekanter. Etter sideveis innsetting av sporkilen 39 vil denne holdes på plass og sikre spolen (ikke vist) mot at den presses ut av sporet. Sporkilen kan for eksempel være tilvirket av jempulver, glassfiber og lim. Flankene kan festes med spor som har andre geometrier.

Dette er et særlig gunstig trekk ved oppfinnelsen. Materialet i sporkilene må velges slik at permeabiliteten og utformingen av kilen i kombinasjon gir ønsket virkning med tanke på utjevning av reluktans. Vanligvis ligger permeabiliteten på 5-10 ganger permeabiliteten i vakuum og 100 - 1000 ganger lavere enn for standard blikklaminering. Utformingen av sporkilen kan være enkel rektangulær, eller man kan tilpasse kilene. Å utnytte fenomener som ulike magnetiske metningspunkter i ulike materialer er en vesentlig del av denne optimeringen.

Materiale og utforming av kilene må gjøres på en slik måte at det ikke oppstår uakseptable tap som følge av virvelstrømmer. Hvis dette ikke besørges vil det kunne oppstå kritiske hotspots i tilknytning til kilene.

Tap forbundet med varierende fluks

I jernet:

PFe: kxB<2>f + k2B2f2+ k3B3, 2f3' 2 viser et eksempel på en ligning som beskriver tapene i jernet som funksjon av flukstetthet (B) og frekvens (f.). Konstantene ki, k2, k3 er bestemt av materialegenskapene og utformingen av det aktuelle blikket. Ligningen beskriver tap i blikk ved sinusformet fluks. Flukstettheten som det refereres til kan i denne sammenhengen kan relateres til en variasjon i fluksen som skyldes bruken av åpne spor og permanente magneter. Ved å innføre en semi-magnetisk sporkile vil man få en betydelig reduksjon i fluksvariasjonene, tapene reduseres med kvadratet av endringen i flukstetthet.

I magneten

Ligningen PPM : kAB<2> beskriver typiske tap i en permanent magnet som en funksjon av flukstetthet (B). Tapene er en funksjon av ledningsevne, tykkelse, bredde, flukstetthet og frekvens. I en PMSM-maskin med åpne spor vil fluksen i magneten variere i magneten og det oppstår virvelstrømstap i magnetene. Flukstettheten som det refereres til kan i denne sammenhengen relateres til en variasjon i fluksen som skyldes bruken av åpne spor og permanente magneter. Ved å innføre en semi-magnetisk sporkile vil man få en betydelig reduksjon i fluksvariasjonene, tapene reduseres med kvadratet av endringen i flukstetthet.

Fluks variasjonene i en maskin kan også relateres maskinens koggemoment. Ved innføring av sporkiler i kombinasjon med bruk av konsentrert vikling og valg av gunstig pol tannkombinasjon kan koggemomentet reduseres til en ubetydelig størrelse. Kjente maskiner har et betydelig koggemoment.

Plassering og innfesting av kilene må gjøres slik at hensyn til spenningsform og kogging ivaretas. Avhengig av nærheten til luftgapet gir kilene ulike bidrag til redusert koggemoment og harmoniske. Dersom kilene monteres for å sitte på friksjon, må nærheten til luftgapet kontrolleres for hver enkelt kile. Behovet for mekanisk innfesting avhenger av presset som kobberet vil utøve på kilen, i tillegg kan kilen oppleve et press fra luftgapssiden hvis det her er montert indre statorring eller lignende. En løsning for å øke mekanisk styrke kan være å innlemme det semimagnetiske materialet i et annet mer robust materiale, eventuelt kan det legges i to sporkiler, en for mekanisk styrke og en for å jevne ut reluktansvariasjonen.

Oppfinnelsen kan nyttes ved elektriske maskiner for mange formål, særlig ved rotasjonsmaskiner. Den kan for eksempel brukes ved framdriftssystemer til lands og til vanns, det vil si for båter, biler og spesialkjøretøy. Den kan brukes til sjøs for styresystemer og vinsjer. Den kan brukes som generator for vann- og vindkraft og ved andre turbiner. Den kan brukes for forskjellige industrielle formål.

Bruken av ett lags konsentrert vikling gir unike muligheter for innebygd redundans i maskinen. Bruken av åpne spor muliggjør enkel og billig produksjon og montasje. Bruken av semi-magnetiske sporkiler medfører betydelig reduksjon av tapene i maskinen.

Med oppfinnelsen kan man optimalisere maskinen med hensyn på faktorer som effektivitet, driftssikkerhet og kostnad. I maskiner med åpne spor og vanlige sporkiler får man pulserende magnetisk felt i jern og magneter som et resultat av at reluktansen er forskjellig for forskjellige rotor posisjoner. Reluktans variasjonen skyldes den diskrete oppbygningen av stator. Ved kjent teknikk benyttes ofte delvis lukkete spor i stator for å begrense denne effekten. Ved denne oppfinnelsen benyttes sporkiler med magnetiske egenskaper for å utjevne forskjellen mellom de magnetiske egenskapene til sporet i forhold til tann. Sporkilene i dette konseptet kalles semi-magnetiske sporkiler. De kjennetegnes ved at de delvis eller fullstendig består av materiale som har permeabilitet over 1.

Åpne spor i kombinasjon med semi-magnetiske sporkiler er svært godt egnet for optimering av spenningsform og kogging samtidig som sammenstillingen blir vesentlig mindre komplisert. Materialet i sporkilene må typisk velges slik at permeabiliteten og utformingen av kilen i kombinasjon gir ønsket virkning med tanke på utjevning av reluktans. Alternative kileløsninger kan benyttes der kilene medfører økt permeabilitet i forhold til åpent spor.

Plassering og innfesting av kilene må besørges slik at hensyn til spenningsform og kogging ivaretas. Kilene kan enten sitte på friksjon, eller det kan lages utforminger som sikrer innfestingen. Avhengig av nærheten til luftgapet gir kilene ulike bidrag til redusert koggemoment og harmoniske. Hvis kilene monteres for å sitte på friksjon må nærheten til luftgapet kontrolleres for hver enkelt kile. Behovet for mekanisk innfesting avhenger av presset som kobberet vil utøve på kilen, i tillegg kan kilen oppleve et press fra luftgapssiden hvis det her er montert indre statorring eller lignende. En løsning for å øke mekanisk styrke kan være å innlemme det semi-magnetiske materialet i et annet mer robust materiale, eventuelt kan det legges i to sporkiler, en for mekanisk styrke og en for å jevne ut reluktansvariasjonen.

Oppfinnelsen benytter gunstige valg av antall tenner og poler for å kansellere momentrippler på grunn av reluktansmoment. På denne måten er man ikke avhengig av å lukke sporene mest mulig slik som tradisjonelle maskiner har blitt designet. På samme måte blir spenningsformen optimert, statorutforming og valg av spor- og poltall må ivareta ønsket om minimering av uønskete overharmoniske komponenter i signalet.

Oppfinnelsen kan kombineres med flere typer rotorer. For PM-motorer kan man velge å lage en maskin med firkantformet motindusert spenning eller en maskin med sinusformet spenning. Disse maskinene refereres ofte som børsteløs DC-maskin og permanentmagnet-synkronmaskin. Magnetene i en slik maskin kan være overflatemonterte eller begravde. Man kan benytte rotor åk av laminert materiale eller massivt materiale. I maskiner med store krav til virkningsgrad kan man velge å laminere magnetene for å redusere tapene i rotoren.

Claims (8)

1. Anordning ved elektrisk maskin, særlig motor, generator eller aktuator, med en stator med tenner (11, 12) som bærer spoler (16), særlig en-lags, for konsentrerte viklinger, og en bevegelig, særlig roterbar, permanentmagnetisk rotor eller anker, som beveges i forhold til statoren, hvor statorens tenner (11, 12) er innrettet for påsetting av spoler (16) med generelt rektangulær åpning, karakterisert ved at tennene (11, 12) er innrettet for å oppta generelt like spoler (16) som fyller sporene (14, 15).

2. Anordning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at tennene (11, 12) er vekselvis rektangulære og avsmalnende/divergerende mot toppen, slik at det dannes spor (14, 15) med parallelle sider for innsetting av spolene (16).

3. Anordning i samsvar med patentkrav 2, med utvendig stator, karakterisert ved at de avsmalnende tennene (22) har avkortet topp (23).

4. Anordning i samsvar med patentkrav 3, karakterisert ved at tennene (11, 12) har generelt lik toppbredde.

5. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 til 4, karakterisert ved at sporene er innrettet for å gi plass for en semi-magnetisk sporkile (12) mellom to nabotenner.

6. Anordning i samsvar med patentkrav 5, karakterisert ved at det mellom tennene (31, 32) er anordnet sporkiler (39) med permeabilitet lik eller over 1,0.

7. Anordning i samsvar med patentkrav 6, karakterisert ved at sporene (1) har sidenoter (37, 38) forføring av sporkilene (23).

8. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 til 7, karakterisert ved at spolene er presset til en form som fyller sporene.