Модульная торцевая электрическая машина с поперечным магнитным потоком
Изобретение относится к области электротехники, а именно - к производству электрических машин, работающих в генераторном или двигательном режиме. Технический результат от использования данного изобретения заключается в обеспечении простоты укладки обмотки торцевой, концентрации магнитного потока, безотходной технологии изготовления, максимального крутящего момента, увеличения степени охлаждения электрической машины, больших частот при небольших оборотах электрической машина модульности конструкции. Данный технический результат достигается тем, что статор торцевой электрической машины содержит поперечные пластины, набранные в пакеты и расположенные поперек внутренней и внешней частей статора, навитых из ленты электротехнической стали в форме колец, между которыми располагается обмотка, залитая для придания прочности конструкции компаундом, пластины статора выполнены с одинаковым внутренним и внешним контуром и скрепляются внутри дисками, а снаружи - двумя кольцами, образуя статорный модуль. Аналогично конструкции статора выполнен ротор, внутренние диски ротора крепятся на валу, образуя роторный модуль, в качестве источника магнитного поля ротора используется магнит тороидальной формы или магниты сегментной формы, намагниченные в одном радиальном направлении, или обмотка возбуждения. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству электрических машин, работающих в генераторном или двигательном режиме. Известна торцевая синхронная машина (DE 3927453, опубликован 21.02.91), содержащая двойной ротор, статор, состоящий их трех частей с обмотками кольцевой формы. Указанная конструкция имеет следующие недостатки: постоянные магниты недоиспользованы в данной конструкции, так как в определенный момент времени с магнитопроводом статора взаимодействует одна половина магнитов из общего количества, большой расход меди, не используемый в крайних частях статора, при этом указанная конструкция является однофазной. Известен торцевой моментный электродвигатель (RU 2256276, опубликован 10.07.2005 в Бюл. №19 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам), который содержит торцевой ротор и два статора, размещенных по обе стороны. Статор выполнен из пакетов пластин, расположенных в радиальном направлении с противоположной от ротора стороны статора, и навитых из электротехнической стали колец, образующих внутренний и внешний контуры статора. На каждой из частей статора образованы зубцы, по количеству равные числу пар полюсов. Указанная конструкция имеет следующие недостатки: площадь зубцов меньше площади магнитов, что не позволяет увеличить потенциальную величину потокосцепления магнита с полюсом, тем самым уменьшая энергетические показатели электродвигателя. Дополнительным недостатком является то, что радиальные пластины расположены не по всему периметру статора, а только в отдельных его частях, что приводит к насыщению этих пластин и увеличению в них магнитного сопротивления.
Наиболее близким аналогом является динамоэлектрическая машина, предложенная (GB 2006540, опубликован 02.05.79 в UK Patent Application) и состоящая из статора в форме и поперечных пластин U-образной формы, расположенных по очередности, в разных радиальных направлениях вокруг обмотки кольцевой формы, и двух роторов по краям, закрепленных на одном валу, содержащих постоянные магниты. Недостатком конструкции является то, что обмотка статора не максимально закрыта магнитопроводом. Это приводит к тому, что возникают дополнительные пути рассеивания магнитного потока обмотки статора, замыкающиеся по воздуху. При близком смыкании полюсов между собой увеличиваются потоки межполюсного рассеивания, к этому же дополнительно приводит конфигурация пластин в зубцовой зоне. Сужение сечения пластин в области обмотки приводит к увеличению магнитного сопротивления в этой области. Отсутствие армирующего элемента между обмоткой и пластинами при слабой фиксации последних может привести к разрушению изоляции обмотки из-за вибрации в области контакта в процессе работы машины. Изготовление пластин указанной формы приводит к значительным отходам в производстве. Все указанные недостатки решаются в изобретении тем, что поперечные пластины 1 из магнитомягкого материала (электротехнической стали) набраны в пакеты 3 и расположены поперек внутренней 4 и внешней 5 частей статора, навитых из ленты электротехнической стали в форме колец, между которыми располагается обмотка 6, залитая для изоляции обмотки и придания прочности конструкции компаундом. Пластины выполнены с одинаковым внутренним и внешним контуром 2 Фиг.1, 2 и скрепляются внутри двумя дисками 7, снаружи двумя кольцами 8, образуя статорный модуль. Аналогично конструкции статора выполняется ротор Фиг.2, 3. Внутренние диски 7 ротора крепятся на валу, образуя роторный модуль. В качестве источника магнитного поля ротора используется магнит тороидальной формы, намагниченный в радиальном направлении, или обмотка возбуждения. 9 Фиг.3, или магниты сегментной формы 10 Фиг.2, намагниченные в радиальном направлении. Если машина используется в двигательном режиме, то в роторе может применяться короткозамкнутая обмотка, без источника постоянного магнитного поля, делая тем самым машину асинхронной. Данная конструкция может применяться и в линейных электрических машинах. Изготовление пластин 1 с одинаковым внутренним и внешним контуром не допускает отходов, дополнительно у такой формы достигается скос полюсов, позволяющий минимизировать утечку магнитного потока рассеяния. Конструкция пластин позволяет их удобно крепить на станине или валу машины. С применением ротора аналогичной конструкции появляется возможность увеличивать величину магнитного потока с применением редкоземельных магнитов с высокой остаточной напряженностью магнитного поля путем введения в структуру ротора магнитомягких материалов большего сечения, которыми и являются пластины 1. Дополнительным преимуществом указанной конструкции является то, что количество и толщина пакетов 3, образованных из пластин 1, может быть изменена с сохранением диаметра машины, с целью увеличения или уменьшения частоты при постоянных оборотах. Введение в конструкцию внутренней 4 и внешней 5 частей статора, навитых из ленты электротехнической стали в форме колец, уменьшает поток магнитного рассеяния обмотки статора, так как кольца охватывают обмотку по всему ее периметру. Дополнительно кольца уменьшают магнитное сопротивление в этой области. Кольца выполняют армирующую функцию и вместе с обмоткой, залитой компаундом, играют роль корпуса для крепления пластин и корпуса всей машины. Поперечные пластины 1 дополнительно выполняют функцию отвода тепла от обмотки во время работы. Конструкция машины является модульной, что позволяет без усилий заменить обмотку при необходимости изменить частотные характеристики машины путем изменения количества чередующихся пакетов. Позволяет применять и использовать несколько ярусов Фиг.8 с разными электромагнитными характеристиками на едином валу и едином корпусе. В многоярусном исполнении Фиг.8 может использоваться как электромеханический преобразователь частоты. Каждый статорный модуль, выполненный в указанном порядке, образует одну фазу в одном ярусе Фиг.4, 5. Машина может быть выполнена многофазной путем совмещения в единую конструкцию нескольких модулей, сдвинутых относительно друг друга на определенный угол Фиг.6, 7. На Фиг.6 изображена двухфазная конструкция. В случае применения постоянного магнита концы по краям ротора не шунтируются. Если в качестве возбудителя применяется обмотка, с внешней стороны машины концы полюсов ротора шунтируются с целью замыкания магнитного потока. Внешние торцы статора, если они являются крайними всей конструкции машины, шунтируются с целью замыкания магнитного потока.
На Фиг.1 изображен статорный модуль, состоящий из пластин 1 с одинаковым внешним и внутренним контуром 2, из которых формируются пакеты 3, вставляемые поперечно во внутреннюю 4 и внешнюю часть 5 статора цилиндрической формы, навитых из электротехнической стали. Между кольцами расположена обмотка 6. Внутри пластины скрепляются дисками 7, снаружи кольцами 8, стянутыми между собой. На Фиг.2 изображен роторный модуль, собранный по аналогичной конструкции со статорным модулем, только вместо обмотки используются магниты сегментной формы 10 или тороидальной, намагниченные в одном радиальном направлении или обмоткой возбуждения 9 Фиг.3.
На Фиг.4 изображена машина с одним ротором и одним статором в однофазном исполнении. На Фиг.5 изображена машина с двумя роторами в однофазном исполнении. Машина в двухфазном исполнении показана на Фиг.6 - один ротор и два статора, смещенных на определенный угол относительно друг друга. Фиг.7 изображает трехфазное исполнение машины из трех статоров и двух роторов. Статоры также смещены относительно друг друга на определенный угол. Фиг.8 изображает принцип исполнения многоярусной машины. На Фиг.9, 10 отображено изменение магнитного потока в статоре во время работы однофазной машины с одним и двумя роторами соответственно.
Принцип работы машины изображен на примере работы однофазной машины с одним Фиг.9 и двумя роторами Фиг.10. В генераторном режиме источником магнитного поля, как уже отмечалось выше, может быть постоянный магнит тороидальной формы (или магниты сегментной формы), расположенный между двумя кольцами - внутренним 4 и внешним 5, намагниченный в одном радиальном направлении, или обмотка возбуждения кольцевой формы. Поскольку пластины на модулях расположены в чередующемся порядке в разных радиальных направлениях, на их торцах, находящихся в одной плоскости, образуются разные магнитные полярности. При движении ротора пакеты 3 пластин, находящиеся на внешней или внутренней части ротора, располагаются напротив внешних или внутренних пакетов пластин статора, соответственно в определенный момент времени. Под действием МДС ротора в статоре создается магнитный поток определенного направления. В следующий момент времени относительное положение пакетов 3 меняется и меняется направление магнитного потока в статоре. Все остальные случаи многофазных машин являются его различными комбинациями. При изменении направления магнитного потока в магнитопроводе статора в обмотке статора наводится знакопеременная ЭДС, что при подключении к нагрузке приводит к возникновению тока в цепи. В двигательном режиме обмотка статора подключается к внешней сети с переменным напряжением, что приводит к возникновению переменной МДС статора, которая, взаимодействуя с постоянным магнитным потоком ротора, приводит его в движение. При использовании короткозамкнутой обмотки на роторе машина работает в асинхронном режиме, т.е. становится асинхронным двигателем. Возможны промежуточные варианты с использованием короткозамкнутой демпферной обмотки на роторе, если машина является синхронной для асинхронного пуска, если она работает в двигательном режиме, и для защиты обмотки ротора или постоянных магнитов от перегрузки, если машина работает в генераторном режиме. Изменение толщины пакетов 3 и, следовательно, их количества при постоянном диаметре машины позволяет увеличить частоту индуктируемой ЭДС в генераторном режиме при постоянных оборотах и увеличить обороты машины, работающей в двигательном режиме при увеличении толщины пакетов и уменьшении их количества. Введение дополнительных ярусов в машину Фиг.8 позволяет комбинировать в одном устройстве несколько машин с разными электромагнитными характеристиками.
1. Торцевая электрическая машина, состоящая из статора в форме поперечных пластин, распложенных по очередности, в разных радиальных направлениях вокруг обмотки кольцевой формы, и двух роторов по краям, закрепленных на одном валу, отличающаяся тем, что поперечные пластины из магнитомягкого материала, набранные в пакеты, расположены поперек внутренней и внешней частей статора, навитых из ленты электротехнической стали в форме колец, между которыми располагается обмотка, залитая для придания прочности конструкции компаундом, пластины выполнены с одинаковым внутренним и внешним контуром и скрепляются внутри двумя дисками, снаружи - двумя кольцами, образуя статорный модуль, аналогично конструкции статора выполняется ротор, внутренние диски ротора крепятся на валу, образуя роторный модуль, в качестве источника магнитного поля ротора используется магнит тороидальной формы, или магниты сегментной формы, намагниченные в одном радиальном направлении, или обмотка возбуждения, или короткозамкнутая обмотка.
2. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что в роторном модуле используется дополнительная демпферная обмотка.
3. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что машина выполнена с одним статорным и одним роторным модулем, при этом статорный модуль с одной стороны шунтируется.
4. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что машина выполнена двухфазной путем размещения одного роторного модуля между двумя статорными модулями, шунтированными по краям машины, со смещением модулей статора на определенный угол.
5. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что машина имеет дополнительные ярусы статорных и роторных модулей в радиальном направлении.
6. Торцевая электрическая машина по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что машина выполнена многофазной путем крепления статорных модулей в едином корпусе со смещением на определенный угол относительно друг друга, роторные модули размещены на едином валу.
