Патент на изобретение №2348098

(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники, в частности – к электрическим машинам и электроприводу. Сущность изобретения состоит в следующем. Электрическая машина содержит ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец с зубцами, число которых на каждом магнитопроводящем кольце в два раза меньше числа полюсов ротора, а обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, при этом зубцы магнитопроводящих колец, между которыми размещена кольцевая обмотка, смещены по углу на угол, равный угловой ширине полюса ротора, а угловое положение зубцов магнитопроводящих колец различных фаз отличается на угол 2/m эл. радиан, где m – число фаз. При этом, согласно настоящему изобретению, магнитопроводящие кольца электрической машины выполнены из магнитомягкого композиционного материала с зубцами, выступающими в осевом направлении, и зубцы магнитопроводящих колец, между которыми размещена кольцевая обмотка, направлены встречно друг другу в пазах соседнего магнитопроводящего кольца, при этом между двумя соседними магнитопроводящими кольцами данной фазы расположены тороидальные магнитопроводы для замыкания магнитного потока фазы. Технический результат – повышение мощности при одновременном уменьшении массы и габаритов электрической машины. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.

Аналогом является, например, многофазная индукторная машина (пат. РФ №2037940, БИ №17, 1995), содержащая ротор из магнитопроводящего материала с зубцами на поверхности и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих полос, а обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз.

Наиболее близка к предлагаемому изобретению электрическая машина (пат. РФ №2241298, БИ №33, 2004), содержащая ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец с зубцами, число которых на каждом магнитопроводящем кольце в два раза меньше числа полюсов ротора. Обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, при этом зубцы магнитопроводящих колец, между которыми размещена кольцевая обмотка, смещены по углу на угол, равный угловой ширине полюса ротора, а угловое положение зубцов магнитопроводящих колец различных фаз отличаемся на угол 2/m эл. радиан, где m – число фаз.

Предлагаемое изобретение позволит создать электрическую машину с повышенной мощностью, уменьшить массу и габариты электрической машины, а также повысить технологичность ее изготовления.

Это достигается тем, что в предлагаемой электрической машине, содержащей ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец с зубцами, число которых на каждом магнитопроводящем кольце в два раза меньше числа полюсов ротора, а обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, при этом зубцы магнитопроводящих колец, между которыми размещена кольцевая обмотка, смещены по углу на угол, равный угловой ширине полюса ротора, а угловое положение зубцов магнитопроводящих колец различных фаз отличается на угол 2/m эл. радиан, где m – число фаз, согласно изобретению магнитопроводящие кольца выполнены из магнитомягкого композиционного материала с зубцами, выступающими в осевом направлении, при этом соседние магнитопроводящие кольца, между которыми размещена кольцевая обмотка, расположены так, чтобы их выступающие в осевом направлении зубцы были направлены встречно друг другу и проходили в пазах соседнего магнитопроводящего кольца, а для замыкания магнитного потока фазы используются тороидальные магнитопроводы, расположенные между двумя соседними магнитопроводящими кольцами каждой фазы. Технологичность изготовления электрической машины можно повысить, заполнив промежутки между зубцами соседних магнитопроводящих колец одной и той же фазы не магнитным компаундом, который объединит магнитопроводящие кольца фазы в единый конструктивный элемент.

Выполнение магнитопроводящих колец из магнитомягкого композиционного материала с зубцами, выступающими в осевом направлении, причем соседние магнитопроводящие кольца, между которыми размещена кольцевая обмотка, нужно расположить так, чтобы их выступающие в осевом направлении зубцы были направлены встречно друг другу и проходили в пазах соседнего магнитопроводящего кольца, позволяет увеличить при тех же самых размерах ротора более чем в два раза магнитный поток ротора, связанный с каждой кольцевой обмоткой фаз, и, следовательно, создать в тех же габаритах электрическую машину с повышенной мощностью, либо уменьшить массу и габариты электрической машины одинаковой мощности с прототипом. Кроме того, можно повысить технологичность изготовления электрической машины, заполнив промежутки между зубцами соседних магнитопроводящих колец одной и той же фазы не магнитным компаундом, в результате чего после отверждения компаунда магнитопроводящие кольца фазы объединяются в единый конструктивный элемент, имеющий форму каркаса катушки, на который наматывается кольцевая обмотка фазы и тороидальный магнитопровод.

На фиг.1 показано осевое сечение предлагаемого двигателя. На фиг.2 показаны магнитопроводящие кольца и тороидальный магнитопровод одной из фаз статора. На фиг.3, 4 и 5 – диаметральные сечения двигателя.

В изображенном на фиг.1 двигателе в корпусе 1 размещен стальной ротор 2, закрепленный на валу 3. Магнитное поле ротора 2 создают постоянные магниты 4, намагниченные в радиальном направлении. Полярность постоянных магнитов 4 на поверхности ротора 2, показанная на фиг.1 и фиг.3-5, чередуется по угловой координате. В приведенной для примера конструкции двигателя на роторе 2 размещены двенадцать постоянных магнитов 4. В корпусе 1 двигателя неподвижно установлен статор, состоящий из магнитопроводящих колец 5, 6, 7, 8, 9 и 13, изготовленных из магнитомягкого композиционного материала. Магнитопроводящие кольца 5, 6, 7, 8, 9 и 10 во внутренней полости имеют зубцы, соответственно, 11, 12, 13, 14, 15 и 16, выступающие в аксиальном направлении. Между парами магнитопроводящих колец 5-6, 7-8, 9-10 установлены три кольцевые обмотки 17, 18 и 19, являющиеся фазами статора. Для замыкания магнитных потоков, проходящих через магнитопроводящие кольца 5, 6, 7, 8, 9 и 10, установлены тороидальные магнитопроводы 20, которые могут быть также изготовлены из магнитомягкого композиционного материала, либо навиты из ленты.

Угловая ширина зубцов 11, 12, 13, 14, 15 и 16 примерно равна угловой ширине полюса 4 ротора 2, а число зубцов 11, 12, 13, 14, 15 и 16 на каждом магнитопроводящем кольце 5, 6, 7, 8, 9 и 10, в два раза меньше числа полюсов 4 ротора 2. На фиг.2 показаны магнитопроводящие кольца 5 (7, 9) и 6 (8, 10) с выступающими в осевом направлении зубцами 11 (13, 15) и 12 (14, 16), кольцевая обмотка 17 (18, 19) и тороидальный магнитопровод 20 одной из фаз. Магнитопроводящие кольца 5 (7, 9) и 6 (8, 10) смещены по углу на угол, равный угловой ширине полюса ротора. При сборке статора магнитопроводящие кольца 5 (7, 9) и 6 (8, 10) сдвигаются в направлении, показанном на фиг.2 стрелками, так, чтобы зубцы 11 (13, 15) магнитопроводящего кольца 5 (7, 9) проходили в пазах соседнего магнитопроводящего кольца 6 (8, 10), а торцевые поверхности магнитопроводящих колец 5 (7, 9) и 6 (8, 10) выровнялись. Пары магнитопроводящих колец 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, между которыми размещены кольцевые обмотки 17, 18 и 19, установлены в корпусе 1 так, что их зубцы 11 и 12, 13 и 14, 15 и 16 были смещены по углу друг относительно друга на угол 2/m электрических радиан (фиг.3, 4 и 5). В приведенной конструкции число фаз m=3, и пары магнитопроводящих колец 5-6, 7-8, 9-10 фаз смещены на треть полюсного деления.

Предлагаемая электрическая машина работает следующим образом. Пусть сначала подается ток условного положительного направления в обмотку 17, а обмотки 18 и 19 обесточены. Магнитный поток, созданный обмоткой 17, будет проходить через зубцы 11 магнитопроводящего кольца 5, через магнитопроводящее кольцо 5, затем в осевом направлении через тороидальный магнитопровод 20, снова в радиальном направлении через магнитопроводящее кольцо 5, через зубцы 12 магнитопроводящего кольца 6, пересечет воздушный зазор между зубцами 12 магнитопроводящего кольца 6 и ротором 2, через ротор 2 и из ротора 2 пройдет через зазор в зубцы 11 магнитопроводящего кольца 5. Пусть при положительном направлении тока в обмотке 17 зубцы 11 магнитопровода 5 будут иметь южную полярность, а зубцы 12 магнитопровода 6 – северную полярность. Тогда под действием электромагнитного момента ротор установится в положение, при котором магнитный поток ротора 2 и магнитный поток, созданный обмоткой 17, будут направлены согласно (фиг.3).

При выключенных обмотках 17 и 19 и подаче положительного тока в обмотку 18 магнитный поток второй фазы замыкается через магнитопроводящие кольца 7 и 8, при этом зубцы 13 магнитопроводящего кольца 7 будут южную полярность, а зубцы 14 магнитопроводящего кольца 8 северную полярность. Возникнет электромагнитный момент, разворачивающий ротор 2 так, чтобы магнитные потоки обмотки 18 и ротора 2 совпали по направлению. Ротор 2 будет вынужден развернуться на угол 2/m эл. радиан против часовой стрелки.

Если положительный ток будет протекать в обмотке 19, а обмотки 17 и 18 будут выключены, то магнитный поток обмотки 19 будет проходить через магнитопроводящие кольца 9 и 10, и ротор 2 развернется еще на угол 2/m эл. радиан против часовой стрелки.

Затем снова следует включить обмотку 17, ротор 2 развернется еще на один шаг и т.д. Для изменения направления вращения нужно изменить порядок коммутации фаз двигателя на обратный. В соответствии с приведенным выше описанием двигатель работает в шаговом режиме с поочередной коммутацией фаз. Для управления двигателем можно использовать и другие системы коммутации фаз.

Магнитные потоки через магнитопроводящие кольца 5, 6, 7, 8, 9 и 10 с зубцами 11, 12, 13, 14, 15 и 16 проходит в радиальном и осевом направлениях, и поэтому выполнение магнитопроводящих колец 5, 6, 7, 8, 9 и 10 из магнитомягких композиционных материалов позволяет избежать потерь на вихревые токи при любых направлениях магнитных потоков.

При подаче в обмотки синусоидальных токов, смещенных по фазе на 2/m, двигатель будет работать как синхронный – с равномерным вращением ротора и вала.

Если коммутировать фазы двигателя по сигналам датчика положения ротора, то двигатель будет работать как бесконтактный двигатель постоянного тока.

Предлагаемую электрическую машину можно использовать также и в режиме генератора.

В предлагаемой электрической машине рабочий магнитный поток, связанный с кольцевыми обмотками фаз, при тех же габаритах машины значительно увеличен. В прототипе магнитопроводящие кольца не имеют выступающих в осевом направлении зубцов и магнитный поток, связанный с каждой кольцевой обмоткой фаз создает, только та часть поверхности полюсов ротора, которая находится под зубцами магнитопроводящих колец. Поверхность полюсов ротора, находящаяся в зоне пазов магнитопроводящих колец и кольцевых обмоток, не создает магнитного потока, связанного с кольцевыми обмотками. Вследствие этого в прототипе используется менее половины общего магнитного потока полюсов ротора. Выполнение магнитопроводящих колец из магнитомягкого композиционного материала с зубцами, выступающими в осевом направлении, при этом соседние магнитопроводящие кольца, между которыми размещена кольцевая обмотка, должны располагаться так, чтобы их выступающие в осевом направлении зубцы были направлены встречно друг другу и проходили в пазах соседнего магнитопроводящего кольца позволяет увеличить при тех же самых размерах ротора более чем в два раза магнитный поток ротора, связанный с каждой кольцевой обмоткой фаз, и, следовательно, создать в тех же габаритах электрическую машину с повышенной мощностью, либо уменьшить массу и габариты электрической машины одинаковой мощности с прототипом.

Кроме того, можно повысить технологичность изготовления электрической машины заполнив промежутки между зубцами соседних магнитопроводящих колец одной и той же фазы немагнитным компаундом, в результате чего магнитопроводящие кольца одной и той же фазы объединяются в единый конструктивный элемент, имеющий форму каркаса катушки, на который наматывается кольцевая обмотка фазы и тороидальный магнитопровод.

Формула изобретения

1. Электрическая машина, содержащая ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец с зубцами, число которых на каждом магнитопроводящем кольце в два раза меньше числа полюсов ротора, а обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, при этом зубцы магнитопроводящих колец, между которыми размещена кольцевая обмотка, смещены по углу на угол, равный угловой ширине полюса ротора, а угловое положение зубцов магнитопроводящих колец различных фаз отличается на угол 2/m эл. радиан, где m – число фаз, отличающаяся тем, что магнитопроводящие кольца выполнены из магнитомягкого композиционного материала с зубцами, выступающими в осевом направлении, и зубцы магнитопроводящих колец, между которыми размещена кольцевая обмотка, направлены встречно друг другу в пазах соседнего магнитопроводящего кольца, при этом между двумя соседними магнитопроводящими кольцами данной фазы расположены тороидальные магнитопроводы для замыкания магнитного потока фазы.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что промежутки между зубцами соседних магнитопроводящих колец одной и той же фазы заполнены немагнитным компаундом, объединяющим магнитопроводящие кольца фазы в единый конструктивный элемент.

РИСУНКИ