RU2753739C1 - Fault-tolerant electric machine with stator made of two-phase material - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering and can be used in electrical machines. Technical result: increased fault tolerance due to the use of the stator design, which makes it impossible for the magnetic flux to penetrate into the zone of the adjacent groove. An electric machine contains a rotor 1 with permanent magnets 2 and a magnetic core of the stator 3 with teeth 4, on which a concentric winding is located, partially made of a two-phase magnetic material. The non-magnetic zones 5 of the stator 3 magnetic circuit are located radially, in the center of each tooth 4, go out into the back of the stator 3 magnetic circuit and cross it, ensuring that the magnetic flux cannot penetrate into the zone of the adjacent groove. The thickness of the non-magnetic zone 5 is 10% of the thickness of the tooth 4, which makes oversaturation of the tooth impossible.

EFFECT: increased fault tolerance due to the use of the stator design, which makes it impossible for the magnetic flux to penetrate into the zone of the adjacent groove.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к устройству статоров электрических машин, и может быть использовано в электромашиностроении для обеспечения отказоустойчивости.The invention relates to the field of electrical engineering, and more specifically to the arrangement of stators of electrical machines, and can be used in electrical engineering to ensure fault tolerance.

Известна отказоустойчивая электрическая машина (WO 9952196A1, H02K16/04, H02K3/28, 1999 г.), содержащая статор, имеющий множество полюсов, определяющих множество пазов, ротор, расположенный внутри статора, и по меньшей мере две секции обмоток статора, намотанных на полюсы статора и занимающих указанные пазы статора таким образом, что граничные обмотки каждой секции обмоток статора занимают общий паз. Эти граничные обмотки не перекрываются и содержат изоляцию, расположенную между ними. Секции обмоток статора намотаны на полюсы статора шагом равным единице, что значительно снижает количество пересечений проводов. В частности, концы витков, определяемые отдельными фазовыми катушками, не пересекаются.Known fault-tolerant electrical machine (WO 9952196A1, H02K16 / 04, H02K3 / 28, 1999), containing a stator having a plurality of poles defining a plurality of slots, a rotor located inside the stator, and at least two sections of stator windings wound on the poles stator and occupying the indicated stator slots in such a way that the boundary windings of each section of the stator windings occupy a common slot. These boundary windings do not overlap and contain insulation sandwiched between them. The stator winding sections are wound on the stator poles with a step equal to one, which significantly reduces the number of wire crossings. In particular, the ends of the turns defined by the individual phase coils do not intersect.

Недостатком аналога является низкая отказоустойчивость ввиду вероятности возникновения межвиткового замыкания. Кроме того, возникновение короткого замыкания в одной из фаз, создаст изменение магнитного поля в самой машине, что повлияет на изменение выходных параметров.The disadvantage of the analogue is low fault tolerance due to the likelihood of an interturn short circuit. In addition, the occurrence of a short circuit in one of the phases will create a change in the magnetic field in the machine itself, which will affect the change in the output parameters.

Известен отказоустойчивый пятифазный асинхронный двигатель с комбинированной обмоткой [патент RU 199115 U1, кл. H02K 17/12, 2020], содержащий ротор и статор с сердечником, в пазах которого расположены активные проводники двухслойной волновой обмотки с лобовыми проводниками, площадь поперечного сечения по крайней мере большинства которых в местах их соединения с активными проводниками упомянутой обмотки меньше усредненной по длине паза площади поперечного сечения соединяемых активных проводников, выполненным в виде плоских колец лобовых перемычек, снабжена двумя дополнительными плоскими кольцами с электропроводящими участками кольцеобразной формы по ширине кольца лобовых перемычек, закрепленными соосно на роторе в торцевых частях с небольшим воздушным зазором вблизи колец лобовых перемычек, причем в пазах статора, число которых кратно пяти, расположена шаблонная обмотка с возможностью формирования десяти фаз, представляющих из себя комбинацию двух схем обмоток, одна из них соединена в пятиугольник последовательно с шагом т, а вторая соединена в звезду с возможностью формирования при этом результирующих векторов магнитных потоков, имеющих между собой 72 электрических градуса.Known fault-tolerant five-phase asynchronous motor with a combined winding [patent RU 199115 U1, cl. H02K 17/12, 2020], containing a rotor and a stator with a core, in the grooves of which there are active conductors of a two-layer wave winding with frontal conductors, the cross-sectional area of at least most of which at the points of their connection with the active conductors of the said winding is less than averaged over the length of the groove the cross-sectional area of the active conductors to be connected, made in the form of flat rings of the frontal bridges, is equipped with two additional flat rings with electrically conducting ring-shaped sections along the width of the ring of the frontal bridges, fixed coaxially on the rotor in the end parts with a small air gap near the rings of the frontal bridges, and in the grooves stator, the number of which is a multiple of five, a template winding is located with the possibility of forming ten phases, which are a combination of two winding circuits, one of them is connected in a pentagon in series with a step t, and the second is connected to a star with the possibility of forming a result ruling vectors of magnetic fluxes having 72 electrical degrees between each other.

Недостатком аналога является сложность конструкции и низкая отказоустойчивость, так как обмотка выполнена распределенной.The disadvantage of the analogue is the complexity of the design and low fault tolerance, since the winding is made distributed.

Известен отказоустойчивый трехмерный электрический генератор подвижного объекта [патент RU 145515 U1, кл. H02K 35/00, 2014] содержащий корпус, внутри которого размещены три индукционные системы, соответственно воспринимающие внешние механические импульсы по ортогональным осям X, Y, Z. Каждая индукционная система снабжена подвижным постоянным магнитом и неподвижной катушкой индуктивности. Каждая индукционная система закреплена внутри корпуса на одной из трех взаимно перпендикулярных стенках соответственно. Плюсовые выводы каждой индукционной системы соединены с положительным полюсом генератора, а минусовые с отрицательным полюсом генератора. Индукционные системы одинаковы и каждая содержит N генерирующих элементов, которые включены или последовательно или параллельно. Каждый генерирующий элемент содержит n расположенных в ряд последовательно соединенных индуктивных катушек, намотанных на соосный канал. Внутри соосного канала установлен с возможностью челночного перемещения постоянный магнит. Внутри соосного канала на его концах, за пределами индуктивных катушек, установлены ограничительные элементы, выполненные в виде магнитов, обращенных к постоянному магниту одноименными полюсами. Выход первой индуктивной катушки подключен к точке соединения катода первого диода и анода второго диода, а выход последней индуктивной катушки подключен к точке соединения катода третьего диода и анода четвертого диода. Точка соединения анодов первого и третьего диодов подключена к минусовому выводу индуктивной системы. Точка соединения катодов второго и четвертого диодов подключена к плюсовому выводу индуктивной системы. Постоянный магнит и магниты ограничительных элементов выполнены из сплава неодим-железо-бор.Known fault-tolerant three-dimensional electric generator of a moving object [patent RU 145515 U1, class. H02K 35/00, 2014] containing a housing, inside of which there are three induction systems, respectively receiving external mechanical impulses along the orthogonal axes X, Y, Z. Each induction system is equipped with a movable permanent magnet and a fixed inductor. Each induction system is fixed inside the housing on one of three mutually perpendicular walls, respectively. The positive terminals of each induction system are connected to the positive pole of the generator, and the negative terminals to the negative pole of the generator. Induction systems are the same and each contains N generating elements that are connected either in series or in parallel. Each generating element contains n arranged in a row of series-connected inductive coils wound on a coaxial channel. A permanent magnet is installed inside the coaxial channel with the possibility of shuttle movement. Inside the coaxial channel at its ends, outside the inductive coils, there are restrictive elements made in the form of magnets facing the permanent magnet with the same poles. The output of the first inductive coil is connected to the junction point of the cathode of the first diode and the anode of the second diode, and the output of the last inductive coil is connected to the junction point of the cathode of the third diode and the anode of the fourth diode. The connection point of the anodes of the first and third diodes is connected to the negative terminal of the inductive system. The junction point of the cathodes of the second and fourth diodes is connected to the positive terminal of the inductive system. The permanent magnet and the magnets of the limiting elements are made of neodymium-iron-boron alloy.

Недостатками аналога являются высокие массогабаритные показатели и сложность конструкции, обусловленные наличием нескольких индукционных систем.The disadvantages of the analog are high weight and dimensions and the complexity of the design, due to the presence of several induction systems.

Известна электрическая вращательная машина с внутренними постоянными магнитами с магнитоизолированными фазами [патент РФ №2604650 С2, кл. H02K 1/16, 2012 г.], статор которой содержит по меньшей мере одну фазную секцию статора по меньшей мере с двумя зубцами статора, по меньшей мере один паз обмотки, имеющий угловое расстояние между по меньшей мере двумя зубцами статора, и по меньшей мере одну магнитно неактивную область, имеющую угловое расстояние, равное по меньшей мере одному угловому расстоянию паза обмотки, умноженному на величину, обратную количеству электрических фаз. Магнитно неактивная область предохраняет постоянное магнитное поле от совместного использования несколькими фазными секциями статора.Known electric rotary machine with internal permanent magnets with magnetically insulated phases [RF patent No. 2604650 C2, class. H02K 1/16, 2012], the stator of which contains at least one phase stator section with at least two stator teeth, at least one winding slot having an angular distance between at least two stator teeth, and at least one magnetically inactive region having an angular distance equal to at least one angular distance of the winding groove multiplied by the reciprocal of the number of electrical phases. The magnetically inactive area protects the constant magnetic field from being shared by several stator phase sections.

Недостатком технического решения является низкая отказоустойчивость ввиду наличия возможности возникновения межвитковых замыканий, при которых происходит изменение магнитного поля статора, что может привести к перегреву и повреждению других катушек. Кроме того при повышенных температурах снижается срок службы изоляции.The disadvantage of the technical solution is low fault tolerance due to the possibility of interturn short circuits, in which the stator magnetic field changes, which can lead to overheating and damage to other coils. In addition, at elevated temperatures, the life of the insulation is reduced.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является отказоустойчивая машина с постоянными магнитами с реконфигурируемыми путями потока в спинке статора [патент US7541705 В2, кл. H02K 11/00, 2009 г.], содержащая ротор с постоянными магнитами, магнитопровод статора с зубцами, на которых расположена зубцовая концентрическая обмотка, который частично или полностью изготовлен из двухфазного магнитного материала, а также механизм определения неисправности, расположенный в спинке статора, работающий для автоматического уменьшения токов. Предлагаемый в патенте двухфазный магнитный материал YEP-FA1 имеет переходные свойства, изменяющиеся с магнитных на немагнитные, начиная с гораздо более высокой температуры, чем известные ферритовые материалы.The closest in technical essence and the achieved result is a fault-tolerant machine with permanent magnets with reconfigurable flow paths in the stator back [patent US7541705 B2, cl. H02K 11/00, 2009], containing a rotor with permanent magnets, a stator magnetic circuit with teeth, on which a serrated concentric winding is located, which is partially or completely made of two-phase magnetic material, as well as a fault detection mechanism located in the back of the stator, working for automatic reduction of currents. The patented two-phase magnetic material YEP-FA1 has transient properties ranging from magnetic to non-magnetic, starting at a much higher temperature than known ferrite materials.

Недостатком данного технического решения является низкая отказоустойчивость ввиду наличия контакта катушек, так как при возникновении короткого замыкания происходит изменение магнитного поля статора, что может привести к перегреву и повреждению других катушек, кроме того при возникновении короткого замыкания изменение поля в статоре, будет влиять на выходные параметры, до тех пор пока зона не превратится в немагнитную и не разрушит замыкание потоков проходящих в статоре.The disadvantage of this technical solution is low fault tolerance due to the presence of a contact between the coils, since when a short circuit occurs, the stator magnetic field changes, which can lead to overheating and damage to other coils, in addition, if a short circuit occurs, the field change in the stator will affect the output parameters , until the zone turns into non-magnetic and does not destroy the closure of the flows passing in the stator.

Задача изобретения - повышение надежности электрической машины.The objective of the invention is to improve the reliability of an electric machine.

Техническим результатом является повышение отказоустойчивости благодаря применению конструкции статора, обеспечивающей невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза.The technical result is an increase in fault tolerance due to the use of a stator design, which makes it impossible for the magnetic flux to penetrate into the area of the adjacent groove.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в электрической машине магнитопровод статора с зубцами, на которых расположена концентрическая обмотка, который частично изготовлен из двухфазного магнитного материала, отличающаяся тем, что немагнитные зоны магнитопровода статора расположены радиально, по центру каждого зубца, выходят в спинку магнитопровода статора и пересекают ее, обеспечивая невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза, причем толщина немагнитной зоны составляет 10% от толщины зубца, что не допускает перенасыщение зубца.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the electric machine the stator magnetic core with teeth, on which the concentric winding is located, which is partially made of a two-phase magnetic material, characterized in that the non-magnetic zones of the stator magnetic core are located radially, in the center of each tooth, go out into the back of the stator magnetic circuit and cross it, ensuring the impossibility of penetration of the magnetic flux into the zone of the adjacent groove, and the thickness of the non-magnetic zone is 10% of the tooth thickness, which prevents the tooth oversaturation.

Существо настоящего изобретения поясняется чертежом, на котором изображен поперечный разрез электрической машины с конструкцией магнитопровода статора из двухфазного магнитного материала.The essence of the present invention is illustrated by the drawing, which shows a cross-section of an electric machine with a stator magnetic circuit structure made of a two-phase magnetic material.

Предложенное устройство содержит ротор 1 с постоянными магнитами 2, магнитопровод статора 3 с зубцами 4, на которых расположена зубцовая концентрическая обмотка (на чертеже не показана), причем магнитопровод статора 3 частично выполнен из двухфазного магнитного материала, при этом немагнитные зоны 5 расположены радиально, по центру каждого зубца 4, выходят в спинку магнитопровода статора и пересекают ее. Немагнитная зона 5 не пропускает магнитный поток в зону соседнего паза, а ее толщина не допускает перенасыщение зубца и составляет 10% от толщины зубца.The proposed device contains a rotor 1 with permanent magnets 2, a stator magnetic circuit 3 with teeth 4, on which a toothed concentric winding is located (not shown in the drawing), and the stator magnetic circuit 3 is partially made of a two-phase magnetic material, while the non-magnetic zones 5 are located radially, along the center of each tooth 4, go into the back of the stator magnetic circuit and cross it. The non-magnetic zone 5 does not allow the magnetic flux to pass into the zone of the adjacent groove, and its thickness does not allow the oversaturation of the tooth and is 10% of the tooth thickness.

Достижение отказоустойчивости обеспечивается полной электромагнитной изоляцией между катушками за счет использования концентрических обмоток, где каждая катушка намотана вокруг одного зубца статора, а каждый паз статора занят одной стороной катушки, а немагнитные зоны, образованные в зубцах статора и пересекающие спинку статора, ориентируют магнитный поток таким образом, чтобы он не проходил через соседний паз.The achievement of fault tolerance is ensured by complete electromagnetic isolation between the coils through the use of concentric windings, where each coil is wound around one stator tooth, and each stator slot is occupied by one side of the coil, and the non-magnetic zones formed in the stator teeth and crossing the stator back orient the magnetic flux in this way so that it does not pass through the adjacent groove.

Устройство работает следующим образом, при работе электрической машины магнитопровод статора 3 с обмоткой пронизывается осевыми и радиальными потоками, создаваемыми постоянными магнитами 2. Проходя через воздушный рабочий зазор и концентрические обмотки, магнитный поток попадает в магнитопровод статора 3 и ориентируется таким образом, чтобы замыкаться через части зубцов, ограничивающие паз, и ограниченные немагнитными зонами 5 и не пересекаться с магнитным потоком соседнего паза. Таким образом исключается возможность прохождения магнитного потока в зону других катушечных групп магнитопровода статора при возникновении межвитковых замыканий.The device works as follows, when an electric machine is operating, the stator magnetic circuit 3 with a winding is pierced by axial and radial flows created by permanent magnets 2. Passing through the air working gap and concentric windings, the magnetic flux enters the stator magnetic circuit 3 and is oriented so as to close through the parts teeth, bounding the groove, and limited by non-magnetic zones 5 and not intersect with the magnetic flux of the adjacent groove. Thus, the possibility of the passage of the magnetic flux into the zone of other coil groups of the stator magnetic circuit is excluded in the event of turn-to-turn short circuits.

Таким образом, предлагаемая конструкция магнитопровода статора позволяет повысить отказоустойчивость электрической машины, обеспечивая невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза.Thus, the proposed design of the stator magnetic circuit makes it possible to increase the fault tolerance of an electric machine, making it impossible for the magnetic flux to penetrate into the area of the adjacent groove.

Claims (1)

Электрическая машина, содержащая ротор с постоянными магнитами, магнитопровод статора с зубцами, на которых расположена концентрическая обмотка, который частично изготовлен из двухфазного магнитного материала, отличающаяся тем, что немагнитные зоны магнитопровода статора расположены радиально, по центру каждого зубца, выходят в спинку магнитопровода статора и пересекают ее, обеспечивая невозможность проникновения магнитного потока в зону соседнего паза, причем толщина немагнитной зоны составляет 10% от толщины зубца, что не допускает перенасыщение зубца.An electric machine containing a rotor with permanent magnets, a stator magnetic circuit with teeth, on which a concentric winding is located, which is partially made of a two-phase magnetic material, characterized in that the non-magnetic zones of the stator magnetic circuit are located radially, in the center of each tooth, go into the back of the stator magnetic circuit and cross it, ensuring the impossibility of penetration of the magnetic flux into the zone of the adjacent groove, and the thickness of the non-magnetic zone is 10% of the thickness of the tooth, which prevents oversaturation of the tooth.

Images