RU200923U1 - ELECTRIC MACHINE FROM COMPOSITE MATERIALS - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении удельной мощности благодаря применению композитных материалов. Электрическая машина из композитных материалов содержит корпус, в котором размещены статор, с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, на внешней поверхности которого расположена тонкостенная оболочка. Корпус выполнен из прессованного композитного материала. Зубчатый сердечник статора, расположенный в корпусе, выполнен из прессованного магнитомягкого порошкового композитного материала. Проводники многофазной многополюсной обмотки, расположенные в пазах зубчатого сердечника статора, выполнены из углеродных нанотрубок. В пазах зубчатого сердечника статора рядом с проводниками обмотки расположены полые трубки охлаждения из композитного материала с высокой теплопроводностью с возможностью прохождения по ним хладагента. Полые трубки охлаждения соединены между собой и составляют систему охлаждения с одним входом и одним выходом для прохождения хладагента. Чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями выполнены из полимерных постоянных магнитов, созданных при помощи трехмерной печати. Тонкостенная оболочка, расположенная на внешней поверхности ротора, выполнена из углеродных или арамидных волокон. Вал, на котором расположен массив блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, выполнен из материала на основе углеродного волокна. Подшипники, установленные на валу, выполнены из композитного материала на основе нитрида кремния. 2 ил.The utility model relates to electrical engineering. The technical result consists in increasing the power density due to the use of composite materials. An electric machine made of composite materials contains a housing in which a stator is located, with a multiphase multi-pole winding located on it, a rotor consisting of an array of permanent magnet blocks containing alternating permanent magnets with radial and tangential magnetizations, on the outer surface of which a thin-walled shell is located. The body is made of extruded composite material. The toothed stator core, located in the housing, is made of compressed soft magnetic powder composite material. The conductors of the multi-phase multi-pole winding located in the grooves of the stator gear core are made of carbon nanotubes. In the grooves of the toothed core of the stator, next to the winding conductors, there are hollow cooling tubes made of a composite material with high thermal conductivity with the possibility of passing a coolant through them. The hollow cooling tubes are interconnected and form a cooling system with one inlet and one outlet for the passage of refrigerant. Alternating permanent magnets with radial and tangential magnetization are made of polymer permanent magnets, created using 3D printing. The thin-walled shell, located on the outer surface of the rotor, is made of carbon or aramid fibers. The shaft, on which an array of permanent magnet blocks is located, containing alternating permanent magnets with radial and tangential magnetizations, is made of a material based on carbon fiber. Shaft-mounted bearings are made of silicon nitride composite material. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области электрических машин и предназначена для использования в перспективных разработках аэрокосмической техники, в частности более электрического самолета и полностью электрического самолета.The utility model relates to the field of electrical machines and is intended for use in advanced aerospace engineering, in particular a more electric aircraft and an all-electric aircraft.

Известен композитный статор и ротор для электродвигателя [патент ЕР 1050946 A3, H02K 1/185, 2000 г.], в которых статор для электродвигателя имеет внешний кольцевой элемент, выполненный из полимерного материала, и поддерживается рамой при помощи крышек статора и внутренним фланцевым составным кольцевым элементом, изготовленным из полимерного материала, который имеет форму стальной ленты. Шихтованные листы и обмотки катушки установлены внутри стальной ленты, а внешняя обмотка из полимерного материала герметизирует стальную ленту, шихтованные листы и обмотки катушки. Ротора включает в себя стальную втулку, окруженную дискообразным элементом, выполненным из полимерного материала и имеющим внутреннее и внешнее кольца, соединенные радиальными рычагами. Неферромагнитная стальная полоса окружает периферийную поверхность дискообразного элемента, а шихтованные листы и магниты или обмотки катушки расположены на стальной полосе и помещены в оболочку из полимерного материала.Known is a composite stator and a rotor for an electric motor [patent EP 1050946 A3, H02K 1/185, 2000], in which the stator for the electric motor has an outer annular element made of polymer material, and is supported by a frame using stator covers and an inner flanged compound annular an element made of a polymer material that is in the form of a steel strip. The laminated sheets and coil windings are installed inside the steel strip, while the outer polymer winding seals the steel strip, the laminated sheets and coil windings. The rotor includes a steel bushing surrounded by a disc-shaped element made of polymer material and having an inner and outer rings connected by radial arms. A non-ferromagnetic steel strip surrounds the peripheral surface of the disc-shaped element, and the laminated sheets and magnets or coil windings are located on the steel strip and enclosed in a polymer sheath.

Недостатками аналога являются большая масса и габариты вследствие применения традиционных электротехнических материалов, а также технологическая сложность сборки.The disadvantages of the analogue are the large weight and dimensions due to the use of traditional electrical materials, as well as the technological complexity of the assembly.

Известен композитный вал электродвигателя [патент US 6072252 А, H02K 7/16, 1998 г.], содержащий множество чередующихся аксиально распределенных сегментов, соединенных вместе, включая корпусную секцию, сформированную из композитного материала, и металлические поперечные сегменты, прикрепленные к каждому концу композитной корпусной секции, втулку, сформированную из композитного материала на наружной поверхности составного корпуса, продольно проходящие металлические ребра, установленные на втулке, и ротор, установленный на металлических ребрах.Known composite motor shaft [US patent 6072252 A, H02K 7/16, 1998], containing a plurality of alternating axially distributed segments connected together, including a housing section formed from a composite material, and metal transverse segments attached to each end of the composite housing sections, a bushing formed from a composite material on the outer surface of the composite body, longitudinally extending metal ribs mounted on the bushing, and a rotor mounted on metal ribs.

Недостатками аналога являются технологическая сложность сборки, снижение надежности из-за увеличенного числа составных деталей.The disadvantages of the analog are the technological complexity of the assembly, reduced reliability due to the increased number of component parts.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала [патент RU №2648677 C1, H02K 1/14, 06.07.2017], содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала, размещенные в середине полюсов ротора, причем обмотка статора выполнена из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на внешнем защитном экране, между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, на внешней поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка.The closest in technical essence to the proposed utility model is an electric machine with permanent magnets and windings made of high-temperature superconducting material [patent RU No. 2648677 C1, H02K 1/14, 06.07.2017], containing a housing in which a stator is located with a multiphase a multi-pole winding, a rotor consisting of an array of permanent magnet blocks, containing alternating permanent magnets with radial and tangential magnetizations, installed in the slots of the non-magnetic rotor package, and diamagnetic plates made of massive high-temperature superconducting material, placed in the middle of the rotor poles, and a massive stator winding high-temperature superconducting material in the form of racetrack coils and is located on the teeth installed on the external protective screen, diamagnetic inserts are installed between the stator winding coils, and a thin-walled shell is located on the outer surface of the rotor.

Недостатком ближайшего аналога является использование высокотемпературных сверхпроводниковых материалов, что накладывает ограничения в использовании. Кроме того, данная конструкция не обладает существенными преимуществами по массогабаритным показателям.The disadvantage of the closest analogue is the use of high-temperature superconducting materials, which imposes restrictions on its use. In addition, this design does not have significant advantages in terms of weight and dimensions.

Задача полезной модели - расширение функциональных возможностей и минимизация массогабаритных показателей.The task of the utility model is to expand functionality and minimize weight and dimensions.

Техническим результатом является повышение удельной мощности, благодаря применению композитных материалов.The technical result is an increase in power density due to the use of composite materials.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в электрической машине из композитных материалов, содержащей корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, на внешней поверхности которого расположена тонкостенная оболочка, согласно полезной модели корпус выполнен из прессованного композитного материала, зубчатый сердечник статора выполнен из прессованного магнитомягкого порошкового композитного материала, проводники многофазной многополюсной обмотки, расположенные в пазах зубчатого сердечника статора, выполнены из углеродных нанотрубок, причем в пазах зубчатого сердечника статора рядом с проводниками обмотки расположены полые трубки охлаждения из композитного материала с высокой теплопроводностью с возможностью прохождения по ним хладагента, которые соединены между собой и составляют систему охлаждения с одним входом и одним выходом для прохождения хладагента, а чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями выполнены из полимерных постоянных магнитов, созданных при помощи трехмерной печати, тонкостенная оболочка, расположенная на внешней поверхности ротора, выполнена из углеродных или арамидных волокон, при этом вал, на котором расположен массив блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, выполнен из материала на основе углеродного волокна, подшипники, установленные на валу, выполнены из композитного материала на основе нитрида кремния.The problem is solved and the technical result is achieved by the fact that in an electric machine made of composite materials containing a housing containing a stator with a multiphase multi-pole winding located on it, a rotor consisting of an array of permanent magnet blocks containing alternating permanent magnets with radial and tangential magnetizations , on the outer surface of which a thin-walled shell is located, according to the utility model, the housing is made of extruded composite material, the toothed core of the stator is made of pressed soft magnetic powder composite material, the conductors of the multiphase multi-pole winding located in the grooves of the toothed core of the stator are made of carbon nanotubes, and in the grooves of the stator toothed core, next to the winding conductors, there are hollow cooling tubes made of a composite material with high thermal conductivity with the possibility of passing a coolant through them, which are connected between oh and make up a cooling system with one inlet and one outlet for the passage of refrigerant, and alternating permanent magnets with radial and tangential magnetizations are made of polymer permanent magnets created using three-dimensional printing, a thin-walled shell located on the outer surface of the rotor is made of carbon or aramid fibers, while the shaft on which the array of permanent magnet blocks is located, containing alternating permanent magnets with radial and tangential magnetizations, is made of a material based on carbon fiber, the bearings mounted on the shaft are made of a composite material based on silicon nitride.

Сущность полезной модели поясняется чертежами: The essence of the utility model is illustrated by drawings:

на фиг. 1 представлен поперечный разрез электрической машины из композитных материалов; in fig. 1 is a cross-sectional view of a composite electrical machine;

на фиг. 2 представлен продольный разрез электрической машины из композитных материалов.in fig. 2 shows a longitudinal section of an electric machine made of composite materials.

Электрическая машина из композитных материалов (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором размещены статор 2 с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой 3, ротор 4, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной 5 и тангенциальной 6 намагниченностями, на внешней поверхности которого расположена тонкостенная оболочка 7. Кроме того, корпус 1 выполнен из прессованного композитного материала, например, из стекловолокнитов, зубчатый сердечник статора 8, расположенный в корпусе 1, выполнен из прессованного магнитомягкого порошкового композитного материала, к примеру, из материала марки Somaloy 700Р, проводники многофазной многополюсной обмотки 3, расположенные в пазах зубчатого сердечника статора 8, выполнены из углеродных нанотрубок, причем в пазах зубчатого сердечника статора 8 рядом с проводниками обмотки 3 расположены полые трубки охлаждения 9 из композитного материала с высокой теплопроводностью, например из Araldite CW с возможностью прохождения по ним хладагента, которые соединены между собой и составляют систему охлаждения с одним входом и одним выходом для прохождения хладагента. Чередующиеся постоянные магниты с радиальной 5 и тангенциальной 6 намагниченностями выполнены из полимерных постоянных магнитов, например, из материала марки MQ1-12, созданных при помощи трехмерной печати. Тонкостенная оболочка 7, расположенная на внешней поверхности ротора 4, выполнена из углеродных (CFRP DW 231) или арамидных (AFRP DW 152) волокон, при этом вал 10, на котором расположен массив блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной 5 и тангенциальной 6 намагниченностями, выполнен из материала на основе углеродного волокна, например, из CFRP DW 231. Подшипники 11 (фиг. 2), установленные на валу, выполнены из композитного материала на основе нитрида кремния.An electrical machine made of composite materials (Fig. 1) contains a housing 1, which houses a stator 2 with a multi-phase multi-pole winding 3 located on it, a rotor 4, consisting of an array of permanent magnet blocks, containing alternating permanent magnets with radial 5 and tangential 6 magnetizations, on the outer surface of which there is a thin-walled shell 7. In addition, the housing 1 is made of a pressed composite material, for example, of fiberglass, the toothed stator core 8 located in the housing 1 is made of a pressed soft magnetic powder composite material, for example, from a material of the Somaloy brand 700P, the conductors of the multiphase multi-pole winding 3, located in the grooves of the stator gear core 8, are made of carbon nanotubes, and in the grooves of the stator gear core 8 next to the winding conductors 3 there are hollow cooling tubes 9 made of a composite material with high thermal conductivity, for example, from Araldite CW with the possibility of passing through them refrigerant, which are interconnected and constitute a cooling system with one inlet and one outlet for the passage of refrigerant. Alternating permanent magnets with radial 5 and tangential 6 magnetizations are made of polymer permanent magnets, for example, from the material of the MQ1-12 brand, created using 3D printing. The thin-walled shell 7, located on the outer surface of the rotor 4, is made of carbon (CFRP DW 231) or aramid (AFRP DW 152) fibers, while the shaft 10, on which an array of permanent magnet blocks is located, containing alternating permanent magnets with radial 5 and tangential 6 with magnetizations, is made of a material based on carbon fiber, for example, from CFRP DW 231. Bearings 11 (FIG. 2) mounted on a shaft are made of a composite material based on silicon nitride.

Электрическая машина из композитных материалов в режиме генератора работает следующим образом. При вращении ротора 4 магнитное поле чередующихся постоянных магнитов с радиальной 5 и тангенциальной 6 намагниченностями проходит через немагнитный зазор электрической машины к зубцам сердечника статора 7 и индуцирует в многофазной многополюсной обмотке 3 многофазную электродвижущую силу. За счет использования прессованного магнитомягкого порошкового композитного материала потери на вихревые токи в зубчатом сердечнике статора 7 снижаются. При этом тепловые потери в многофазной многополюсной обмотке 3 и зубчатом сердечнике статора 7 отводятся полыми трубками 8 из композитного материала, по которым протекает хладагент. Это позволяет улучшить тепловые характеристики электрической машины, а именно увеличить теплоотвод благодаря полым трубкам 8 из композитного материала. Применение подшипников 11 из композитного материала на основе нитрида кремния с низким коэффициентом трения позволяет снизить механические потери при вращении ротора 4. При этом достигается минимизация массогабаритных показателей электрической машины благодаря использованию композитных материалов с более низкой плотностью, с сохранением выходной мощности как в электрической машине с традиционными электротехническими материалами. Процессы в режиме двигателя в электрической машине протекают аналогично описанному режиму генератора.An electrical machine made of composite materials in generator mode operates as follows. When the rotor 4 rotates, the magnetic field of alternating permanent magnets with radial 5 and tangential 6 magnetizations passes through the non-magnetic gap of the electric machine to the teeth of the stator core 7 and induces a multiphase electromotive force in the multi-phase multi-pole winding 3. Due to the use of a compressed soft magnetic powder composite material, the eddy current losses in the toothed core of the stator 7 are reduced. In this case, heat losses in the multiphase multi-pole winding 3 and the stator gear core 7 are removed by hollow tubes 8 made of composite material, through which the refrigerant flows. This makes it possible to improve the thermal characteristics of the electric machine, namely to increase the heat dissipation due to the hollow tubes 8 made of composite material. The use of bearings 11 made of a composite material based on silicon nitride with a low coefficient of friction can reduce mechanical losses during the rotation of the rotor 4. At the same time, the minimization of the mass and dimensions of the electric machine is achieved due to the use of composite materials with a lower density, while maintaining the output power as in an electric machine with traditional electrical materials. The processes in the engine mode in an electric machine proceed similarly to the described generator mode.

Для подтверждения достижения заявленного технического результата проведен сравнительный анализ компьютерных моделей электрических машин с традиционными электротехническими материалами и композитными материалами. Компьютерные модели сравниваемых электрических машин были верифицированы на экспериментальных образцах. По результатам расчетов полная масса электрической машины с композитными материалами снизилась на 50,5%, а температура обмоток снизилась на 10,2%. Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что электрическая машина из композитных материалов обеспечивает повышение тепловых характеристик и минимизацию массогабаритных показателей по сравнению с электрической машиной из традиционных электротехнических материалов.To confirm the achievement of the claimed technical result, a comparative analysis of computer models of electrical machines with traditional electrical materials and composite materials was carried out. Computer models of the compared electrical machines were verified on experimental samples. According to the results of calculations, the total mass of an electric machine with composite materials has decreased by 50.5%, and the temperature of the windings has decreased by 10.2%. The results of design calculations allow us to conclude that an electric machine made of composite materials provides an increase in thermal characteristics and a minimization of weight and dimensions compared to an electric machine made of traditional electrical materials.

Таким образом, достигается расширение функциональных возможностей, минимизация массогабаритных показателей, а также улучшение тепловых характеристик, благодаря применению композитных материалов в электрической машине.Thus, an expansion of functionality is achieved, minimization of weight and dimensions, as well as an improvement in thermal characteristics, thanks to the use of composite materials in an electric machine.

В результате повышается удельная мощность и улучшается теплоотвод, благодаря применению композитных материалов в электрической машине.As a result, the power density is increased and the heat dissipation is improved due to the use of composite materials in the electric machine.

Claims (1)

Электрическая машина из композитных материалов, содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, на внешней поверхности которого расположена тонкостенная оболочка, отличающаяся тем, что корпус выполнен из прессованного композитного материала, зубчатый сердечник статора выполнен из прессованного магнитомягкого порошкового композитного материала, проводники многофазной многополюсной обмотки, расположенные в пазах зубчатого сердечника статора, выполнены из углеродных нанотрубок, причем в пазах зубчатого сердечника статора рядом с проводниками обмотки расположены полые трубки охлаждения из композитного материала с высокой теплопроводностью с возможностью прохождения по ним хладагента, которые соединены между собой и составляют систему охлаждения с одним входом и одним выходом для прохождения хладагента, а чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями выполнены из полимерных постоянных магнитов, созданных при помощи трехмерной печати, тонкостенная оболочка, расположенная на внешней поверхности ротора, выполнена из углеродных или арамидных волокон, при этом вал, на котором расположен массив блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, выполнен из материала на основе углеродного волокна, подшипники, установленные на валу, выполнены из композитного материала на основе нитрида кремния.An electrical machine made of composite materials, containing a housing in which a stator is located with a multiphase multi-pole winding located on it, a rotor consisting of an array of permanent magnet blocks containing alternating permanent magnets with radial and tangential magnetizations, on the outer surface of which there is a thin-walled shell, which differs in that that the housing is made of a pressed composite material, the stator toothed core is made of a pressed soft magnetic powder composite material, the conductors of the multiphase multi-pole winding located in the grooves of the stator gear core are made of carbon nanotubes, and hollow tubes are located in the grooves of the stator gear core next to the winding conductors cooling from a composite material with high thermal conductivity with the possibility of passing through them refrigerant, which are interconnected and make up a cooling system with one inlet and one outlet for passing coolant, and alternating permanent magnets with radial and tangential magnetizations are made of polymer permanent magnets created using three-dimensional printing, a thin-walled shell located on the outer surface of the rotor is made of carbon or aramid fibers, while the shaft on which an array of permanent blocks is located magnets, containing alternating permanent magnets with radial and tangential magnetizations, is made of a material based on carbon fiber, bearings mounted on a shaft are made of a composite material based on silicon nitride.

Images