Торцевая магнитоэлектрическая машина (варианты)

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим машинам и электроприводу. Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемая торцевая магнитоэлектрическая машина содержит статор с тороидальным магнитопроводом и катушечной обмоткой, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, подшипники и вал. Причем согласно данному изобретению статор жестко закреплен на валу, а ротор вращается в подшипниках относительно оси вала, число катушек в катушечной группе статора b=2, 3, 4, 5... - целое положительное число, большее или равное 2, а число d катушечных групп в фазе, число z зубцов статора и число р пар полюсов ротора связаны соотношениями: 1<z/p<4, при этом z/p≠2, и p/d=k, где k=1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5... - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0,5, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0,5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно. Согласно второму варианту осуществления данного изобретения ротор предлагаемой торцевой магнитоэлектрической машины состоит из двух дисков с постоянными магнитами, обращенных к статору. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

 

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

Известен торцевой моментный электродвигатель (Патент RU 2256276 С2, МПК Н02К 26/00, авторы Сеньков А.П., Сеньков А.А.), содержащий торцевой ротор с размещенными на нем постоянными магнитами и два статора с обмоткой, расположенных по обе стороны ротора, отличающийся тем, что магнитопровод каждого статора выполнен из полых цилиндрических частей разных диаметров и пакетов из пластин, расположенных в радиальном направлении и закрепленных в крышках электродвигателя, с которыми цилиндрические части каждого статора сопрягаются одними торцевыми поверхностями, а со стороны торцов, обращенных к ротору, цилиндрические части каждого магнитопровода имеют зубцы, при этом число зубцов на торце каждой цилиндрической части равно числу пар полюсов ротора, зубцы наружной и внутренней цилиндрических частей каждого статора смещены по углу относительно друг друга на угловую ширину полюса ротора, между цилиндрическими частями магнитопровода каждого статора размещена кольцевая обмотка одной из двух фаз, а зубцы цилиндрических частей магнитопроводов разных статоров смещены по углу относительно друг друга на половину угловой ширины полюса ротора.

Недостатком аналога является недостаточно большой удельный вращающий момент.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению (его прототипом) является торцевой магнитоэлектрический моментный двигатель (А.с. SU 1775807 A1, МПК Н02К 26/00, авторы Евсеев Р.К., Березин B.C. и Головкин Е.Е.), содержащий два статора с тороидальными магнитопроводами и катушечными обмотками, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, подшипники с внешними и внутренними кольцами и вал ротора, при этом один из статоров жестко укреплен на корпусе, двигатель снабжен вторым дисковым ротором с валом, аналогичным первому ротору, неподвижной полой осью со ступицей и регулировочными кольцами, при этом роторы расположены соосно и установлены с возможностью взаимного вращения, валы роторов выполнены полыми и размещены на внешних кольцах подшипников, которые с двух концов надеты на неподвижную полую ось. Недостатком прототипа является сложность конструкции, затрудняющая его использование в приводах мотор-колес и для низкооборотных генераторов.

Целью настоящего изобретения является создание достаточно простой и технологичной конструкции торцевой магнитоэлектрической машины с высоким удельным вращающим моментом.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1 - обмотка и сердечник статора торцевой магнитоэлектрической машины согласно варианту I, в котором зубцы расположены на ярме,

фиг.2 - продольный разрез торцевой магнитоэлектрической машины для привода ветроколеса со статором, как на фиг.1,

фиг.3 - обмотка и зубцы статора торцевой магнитоэлектрической машины согласно варианту II, в котором зубцы позиционируются без ярма,

фиг.4 - продольный разрез торцевой магнитоэлектрической машины для привода мотор-колеса со статором, как на фиг.3,

фиг.5 - схема обмотки для статоров торцевой магнитоэлектрической машины по обоим вариантам (фиг.1 и фиг.3) и перемещение волны МДС для трех моментов времени при питании фаз обмотки статора от источника постоянного напряжения.

В торцевой магнитоэлектрической машине по варианту I число зубцов 1 сердечника статора z=18. Зубцы расположены на ярме 2, на зубцах размещена катушечная обмотка 3, где А, В, С - названия фаз, фаза состоит из двух катушечных групп 4 и 5, соединенных последовательно. Число пар полюсов ротора р=8, полюса ротора образованы при помощи шестнадцати постоянных магнитов 6 чередующейся полярности, прикрепленных к ярму 7 ротора. Ярмо 7 ротора должно быть изготовлено при помощи механообработки из отливки или поковки конструкционной стали с высокой магнитной проницаемостью, например стали 10. При частотах перемагничивания, меньших 10-15 Гц, сердечник статора, состоящий из зубцов 1 и ярма 2, может быть изготовлен аналогично ярму 7 ротора. При больших значениях упомянутой частоты сердечник статора должен быть шихтован, например, путем навивки, из листов электротехнической стали, направление шихтовки - параллельно оси вращения машины. С целью снижения стоимости сердечника статора он может быть изготовлен из порошкового магнитомягкого материала, например, путем прессования.

Катушки обмотки 3 статора наматываются из обмоточного провода, например медного эмаль-провода, на зубцовую изоляцию на каждый зубец 1 сердечника статора. Соседние катушки в катушечной группе должны быть соединены встречно, поскольку они находятся в основном под полюсами ротора противоположной полярности. Для снижения электрических ("омических") потерь катушечная группа, либо фаза в целом, может наматываться непрерывным проводом. Для упрощения и автоматизации технологии намотки обмотки 3 сердечник статора может быть выполнен разъемным, то есть зубцы 1 и ярмо 2 изготавливаются отдельно, на зубцы 1 наматывается обмотка 3, а затем зубцы 1 скрепляют с ярмом 2. После окончания обмоточных работ для увеличения электрической прочности изоляции и повышения ее надежности производится пропитка обмотки лаком или компаундом.

В отличие от торцевой магнитоэлектрической машины по варианту I, в варианте II зубцы 1 позиционируются относительно вала 8 при помощи сепаратора 9, ярмо статора отсутствует. Ротор состоит из двух дисков с ярмами 7 с прикрепленными к ним постоянными магнитами 6, постоянные магниты 6 прикреплены к ярмам 7 со стороны статора. Конструкция варианта II приводит к большей концентрации магнитного потока по сравнению с вариантом I, однако изготовление варианта II более сложно.

Торцевая магнитоэлектрическая машина работает следующим образом.

Торцевая магнитоэлектрическая машина по варианту I показана на фиг.2 в виде ветрогенератора. Магнитный поток постоянного магнита 6 ротора проходит через воздушный зазор между статором и ротором, зубец 1 статора, ярмо 2 статора, другой зубец 1 статора, воздушный зазор между статором и ротором, другой постоянный магнит 6 ротора и замыкается по ярму 7 ротора. Под воздействием ветра лопасти 9 ветроколеса вращают ротор. При вращении магнитный поток постоянных магнитов 6 пересекает витки катушек обмотки 3 статора, в которых наводится ЭДС. Если обмотка 3 замкнута через нагрузку, в ней протекает ток и, таким образом, электрическая мощность передается потребителю: для питания автономной нагрузки либо в сеть. Торцевая магнитоэлектрическая машина по варианту I может также работать в двигательном режиме, например, при необходимости раскрутки ветроколеса при малых скоростях ветра. На катушки обмотки 3 статора подается переменное или постоянное напряжение, как показано на фиг.5. Пример схемы 11 обмотки 3 представлен на фиг.5. Если цепь обмотки замкнута, по ней протекает ток, по зубцам 1 с размещенной на них обмоткой 3 перемещается волна 12 магнитодвижущей силы (МДС). Постоянные магниты 6 ротора взаимодействуют с МДС статора, на роторе возникает вращающий момент. При использовании датчиков углового положения ротора оптимально подавать напряжение на те фазы обмотки 3 статора, которые находятся в наилучших условиях относительно постоянных магнитов, для создания максимального вращающего момента.

Торцевая магнитоэлектрическая машина по варианту II показана на фиг.4 в виде мотор-колеса транспортного средства. Магнитный поток постоянного первого магнита 6 первого индуктора ротора проходит через воздушный зазор между статором и ротором, первый зубец 1 статора, воздушный зазор между статором и ротором, первый постоянный магнит 6 второго индуктора ротора, ярмо 7 второго индуктора ротора, второй постоянный магнит 6 второго индуктора ротора, воздушный зазор между статором и ротором, второй зубец 1 статора, воздушный зазор между статором и ротором, второй постоянный магнит 6 первого индуктора ротора и замыкается по ярму 7 первого индуктора ротора. На катушки обмотки 3 статора подается переменное напряжение либо постоянное напряжение, как показано на фиг.5. Если цепь обмотки замкнута, по ней протекает ток, по зубцам 1 с размещенной на них обмоткой 3 перемещается волна 12 магнитодвижущей силы. Постоянные магниты 6 обоих индукторов ротора взаимодействуют с волной МДС статора, на роторе возникает вращающий момент. При использовании датчиков углового положения ротора возможно подавать постоянное напряжение на те фазы обмотки 3 статора, которые находятся в наилучших условиях относительно постоянных магнитов, для создания максимального вращающего момента. Торцевая магнитоэлектрическая машина по варианту II может работать также в генераторном режиме, например, при рекуперативном торможении. В результате взаимодействия пневматической шины 10 мотор-колеса с дорожным покрытием мотор-колесу сообщается вращающий момент. При вращении магнитный поток постоянных магнитов 6 пересекает витки катушек обмотки 3 статора, в которых наводится ЭДС. Полярность постоянных магнитов, находящихся напротив друг друга, - согласная. Если обмотка 3 замкнута через нагрузку, в ней протекает ток и, таким образом, электрическая мощность передается потребителю: для питания автономной нагрузки либо в сеть.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор соотношения числа зубцов статора и числа полюсов ротора, образованных постоянными магнитами, для достижения на низких скоростях максимального удельного вращающего момента в двигательном режиме и максимальной удельной электрической мощности в генераторном режиме. Получение наилучших энергетических показателей торцевой магнитоэлектрической машины также весьма желательно.

Задача настоящего изобретения реализуется следующим образом: число катушек в катушечной группе статора b=2, 3, 4, 5... - целое положительное число, большее или равное 2, и число d катушечных групп в фазе, число z зубцов статора и число р пар полюсов ротора связаны соотношениями:

1<z/р<4,

при этом z/p≠2, и

p/d=k,

где k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5... - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно.

Для получения наилучших удельных энергетических показателей число пар полюсов p, число зубцов статора z и число d катушечных групп в фазе, число зубцов статора, приходящихся на одну фазную группу b, и число фаз m связаны соотношениями:

2·p=d·(b·m±1),

z=d·b·m,

m=2 или m=3, b=1, 2, 3, 4, 5..., если (b·m=b±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5..., если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8..., при этом катушечные группы фазы соединены между собой так, чтобы векторы наведенных в них ЭДС, геометрически складываясь, образовывали максимальную суммарную ЭДС фазы.

В качестве справочной информации для удобства разработки схемы обмотки можно привести формулу для угла, под которым начала фаз должны располагаться относительно друг друга

α=360·(m+1)/(m·d),

где α измеряется в геометрических градусах. Эта формула не является обязательной, поскольку можно построить эквивалентную обмотку, развивающую ту же магнитодвижущую силу, имеющую начала фаз в других местах.

При d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, а при d=4, 6, 8, 10... - последовательно-параллельно. При m=3 фазы обмотки статора могут быть соединены в звезду или в треугольник.

Примеры осуществления изобретения. Согласно расчетам можно привести следующие примеры оптимальной реализации торцевой магнитоэлектрической машины (таблицы 1 и 2).

1. В таблице торцевая магнитоэлектрическая машина (по любому из вариантов) с z=24 и z=36, выделенные жирным и курсивом, могут использоваться в качестве двухфазных и трехфазных машин. Возможно создание торцевой магнитоэлектрической машины с переключением катушек так, чтобы одна и та же машина работала с m=2 и с m=3.

2. При промышленном производстве возможен выпуск ряда торцевых магнитоэлектрических машин с одними и теми же размерами и обмоточными данными статора. Например:

- при z=24, m=2, 2р=12, 18, 20, 22, 26, 28, 30, 36;

- при z=36, m=3, 2р=24, 30, 32, 34, 38, 40, 42, 48.

1. Торцевая магнитоэлектрическая машина, содержащая статор с тороидальным магнитопроводом и катушечной обмоткой, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, подшипники и вал, отличающаяся тем, что статор жестко закреплен на валу, а ротор вращается в подшипниках относительно оси вала, число катушек в катушечной группе статора b=2, 3, 4, 5... - целое положительное число, большее или равное 2, и число d катушечных групп в фазе, число z зубцов статора и число р пар полюсов ротора связаны соотношениями

1<z/p<4,

при этом z/p≠2, и

p/d=k,

где k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5... - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно.

2. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что для получения наилучших удельных энергетических показателей число пар полюсов р, число зубцов статора z и число d катушечных групп в фазе, число зубцов статора, приходящихся на одну фазную группу b, и число фаз m связаны соотношениями

2·p=d·(b·m±1),

z=d·b·m,

m=2, 3; b=1, 2, 3, 4, 5..., если (b·m±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5..., если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8....

3. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены последовательно.

4. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены параллельно.

5. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что при d=4, 6, 8, 10... катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены последовательно-параллельно.

6. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в звезду.

7. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в треугольник.

8. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что для достижения максимального момента в двигательном режиме используются датчики углового положения ротора.

9. Торцевая магнитоэлектрическая машина, содержащая статор с катушечной обмоткой, с постоянными магнитами на роторе с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, подшипники и вал, отличающаяся тем, что катушечная обмотка статора расположена на зубцах, зубцы с обмоткой, закрепленные в сепараторе, образуют статор, статор жестко закреплен на валу, а ротор состоит из двух дисков с постоянными магнитами, обращенными к статору, ротор вращается в подшипниках относительно оси вала, число катушек в катушечной группе статора b=2, 3, 4, 5... - целое положительное число, большее или равное 2, и число d катушечных групп в фазе, число z зубцов статора и число р пар полюсов ротора связаны соотношениями

1<z/p<4,

при этом z/p≠2, и

p/d=k,

где k=1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5... - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0,5, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0,5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно.

10. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.9, отличающаяся тем, что для получения наилучших удельных энергетических показателей число пар полюсов р, число зубцов статора z и число d катушечных групп в фазе, число зубцов статора, приходящихся на одну фазную группу b, и число фаз т связаны соотношениями

2·p=d·(b·m±1),

z=d·b·m,

m=2, 3; b=1, 2, 3, 4, 5..., если (b·m±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5..., если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8....

11. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены последовательно.

12. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены параллельно.

13. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что при d=4, 6, 8, 10... катушечные группы одной и той же фазы обмотки соединены последовательно-параллельно.

14. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в звезду.

15. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в треугольник.

16. Торцевая магнитоэлектрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что для достижения максимального момента в двигательном режиме используются датчики углового положения ротора.