Электрическая машина

Изобретение относится к электротехнике. Электрическая машина содержит статор, включающий группу катушек обмотки с магнитопроводом, а также ротор, включающий группу магнитных сегментов, расположенных по внутренней или внешней поверхности цилиндра. Магнитные сегменты расположены по поверхности цилиндра с зазором между ними и с радиальной намагниченностью при их количестве в группе менее двадцати или двадцати четырех, в зависимости от количества катушек в группе. Также магнитные элементы образуют цилиндр Халбаха без зазоров между магнитами, если их количество более или равно указанным значениям и кратно четырем, а намагниченность магнитных сегментов или взаимно перпендикулярная, или радиально тангенциальная. Повышается момент и ЭДС машины. 3 з.п. ф-лы, 65 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электрических машин с постоянными магнитами.

Известен обращенный вентильный двигатель (см. патент РФ 2467454 Н02K 29/00, 2011 г.), содержащий внутренний статор с м-фазной обмоткой и внешний ротор, включающий магнитную систему на основе цилиндра Халбаха, состоящую из двенадцати сегментов, причем соседние магниты намагничены взаимно перпендикулярно. Данная магнитная система выполняет функцию концентрации симметричного магнитного поля, что позволяет на ее основе проектировать электрические машины с внешним ротором и внутренним статором. Данное устройство имеет недостаточные функциональные возможности. В частности, рассмотрен только один вариант намагничивания магнитных сегментов, а также по одному варианту, как взаимного расположения ротора и статора, так и количества магнитов в цилиндре Халбаха.

Известен электрический мотор (см. патент РФ 2695813 Н02К 16/02, 2018 г.), содержащий статор, выполненный без магнитопровода, с обмоткой, которая размещена в зазоре между цилиндрическими поверхностями внутреннего и внешнего ротора, при этом оба ротора содержат магнитные сборки Халбаха.

Отсутствие магнитопровода в статоре уменьшает значения индуктивности в катушках обмотки, что требует увеличения количества их витков, а наличие двух роторов приводит к значительному усложнению конструкции устройства.

Известна электромашина (см. патент РФ 2544002 Н02K 1/27, 2014 г.), содержащая внутренний статор с катушками обмотки статора и внешний ротор, включающий корпус и индуктор, выполненный из постоянных магнитов на основе цилиндра Халбаха. Намагниченность магнитных сегментов чередуется между радиальным и тангенциальным направлениями. Технический результат заключается в увеличении окружной скорости индуктора и упрощении конструкции. В данном устройстве рассмотрен только один вариант намагничивания постоянных магнитов и только один вариант взаимного расположения ротора и статора, а также отсутствует выбор оптимального соотношения между количеством магнитов в цилиндре Халбаха и количеством катушек обмотки статора. Известна электрическая машина (см. патент US 6858962 В2, 2005 г.), содержащая внешний ротор с постоянными магнитами на основе цилиндра Халбаха и магнитопровод, а также внутренний статор с катушками обмотки статора и соответствующий магнитопровод. Намагниченность магнитов чередуется между радиальным и тангенциальным направлениями. Ротор способен вращаться с переменной угловой скоростью. Устройство содержит также переменный зазор, разделяющий ротор и статор и средство для регулирования величины зазора в зависимости от угловой скорости для автоматического регулирования выходного напряжения или выходной механической мощности.

Изменение величины рабочего зазора за счет изменения величины центробежной силы может привести к погрешности регулирования, а также может снизить механическую прочность устройства в целом.

Известен ротор электромашины (см. патент РФ 2580676 Н02K 1/27 2015 г.), включающий магнитный индуктор цилиндрической формы, при этом индуктор содержит планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора и выполненные из постоянных магнитов, с образованием составной магнитной втулки. Планки намагничены так, что между магнитами, намагниченными в радиальном направлении, размещены магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, с возможностью образования магнитной системы Халбаха. Технический результат выражается в увеличении магнитной индукции на поверхности полюса при минимальной массе индуктора.

В данном устройстве рассмотрен только один вариант намагничивания постоянных магнитов, а также не рассматривается выбор оптимального количества магнитных сегментов в цилиндре Халбаха. Это в совокупности может повлиять на технические характеристики данного устройства.

Известна электромашина (см. патент РФ 2549883 Н02K 21/22 2014 г.), содержащая статор, включающий группу катушек обмотки с магнитопроводом, а также ротор, включающий группу магнитов, образующих цилиндр Халбаха.

Электромашина может работать как синхронная вентильная в режимах генератора и двигателя. Машина возбуждается индуктором из постоянных магнитов.

В режиме генератора ротор приводится в движение внешним двигателем, например, ветродвигателем. В режиме синхронного двигателя обмотку статора необходимо подключить через преобразователь частоты, при использовании датчика положения ротора двигатель работает как вентильный. Прототип.

В данном устройстве рассмотрен только один вариант намагничивания постоянных магнитов и только один вариант взаимного расположения ротора и статора, а также отсутствует выбор оптимального соотношения между количеством магнитов в цилиндре Халбаха и количеством катушек обмотки статора.

Роторы рассмотренных электрических машин включают группу постоянных магнитов, образующих цилиндр Халбаха. Намагниченность магнитов может быть, как взаимно перпендикулярной, так и радиально тангенциальной. Количество магнитов в группе, направление их намагниченности, а также количество катушек обмотки статора в совокупности влияют на технические характеристики электрической машины. Поэтому для каждого конкретного варианта должны быть оптимальные соотношения между этими показателями. Это позволит получить максимальное значение момента вращения в режиме двигателя, или максимальную ЭДС в режиме генератора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Единая задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в улучшении технических характеристик электрической машины с постоянными магнитами.

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении данного изобретения, заключается в получении максимального момента вращения в режиме двигателя и в получении максимальной ЭДС в режиме генератора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор, включающий группу катушек обмотки с магнитопроводом, а также ротор, включающий группу магнитных сегментов, расположенных по внутренней или внешней поверхности цилиндра, магнитные сегменты расположены по поверхности цилиндра с зазором между ними и с радиальной намагниченностью при их количестве в группе менее двадцати или двадцати четырех, в зависимости от количества катушек в группе, и образуют цилиндр Халбаха без зазоров между магнитами, если их количество более или равно указанным значениям и кратно четырем, а намагниченность магнитных сегментов или взаимно перпендикулярная, или радиально тангенциальная.

В частном случае, в режиме двигателя, при радиально тангенциальной намагниченности магнитов в цилиндре Халбаха, значение отношения количества магнитов в группе к количеству катушек обмотки не равно двум, а для варианта расположения магнитов с зазором между ними, значение отношения количества магнитов в группе к количеству катушек обмотки не равно двум и не равно единице.

В частном случае, при взаимно перпендикулярной намагниченности магнитных сегментов в цилиндре Халбаха, значение отношения количества магнитов в группе к количеству катушек обмотки не равно 1,8 с допуском в несколько процентов.

В частном случае, для цилиндра Халбаха значение центральных углов между соседними магнитами в группе и между соседними катушками обмотки, выраженными в градусах, является конечной десятичной дробью.

Применение указанных средств позволит улучшить технические характеристики электрической машины с постоянными магнитами, в частности, увеличить величину момента вращения в режиме двигателя, увеличить величину ЭДС в режиме генератора, расширить диапазон скорости вращения ротора.

Заявленное изобретение соответствует требованию единства. Оно относится к одному техническому решению, включающему совокупность существенных признаков, которые необходимы для улучшения технических характеристик электрической машины.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно - техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию новизны.

Заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники. Поэтому оно соответствует условию «изобретательский уровень».

Заявленное устройство поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена магнитная система, состоящая из 16-ти отдельных магнитов с зазорами между ними и намагниченных радиально. Вид сверху.

На фиг. 2 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, состоящая из 12-ти сегментов с радиально тангенциальной намагниченностью. Внутреннее магнитное поле. Вид сверху.

На фиг. 3 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, состоящая из 12-ти сегментов, намагниченных взаимно перпендикулярно. Внешнее магнитное поле. Вид сверху.

На фиг. 4 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, состоящая из 16-ти сегментов с радиально тангенциальной намагниченностью. Внутреннее магнитное поле. Вид сверху.

На фиг. 5 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, состоящая из 16-ти сегментов с радиально тангенциальной намагниченностью. Внешнее магнитное поле. Вид сверху.

На фиг. 6 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, состоящая из 20-ти сегментов, намагниченных взаимно перпендикулярно. Внутреннее магнитное поле. Вид сверху.

На фиг. 7 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, состоящая из 24-ех сегментов, намагниченных радиально тангенциально. Внешнее магнитное поле. Вид сверху.

На фиг. 8 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, состоящая из 24-ех сегментов, намагниченных взаимно перпендикулярно. Внешнее магнитное поле. Вид сверху.

На фиг. 9 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, состоящая из 28-ми сегментов, намагниченных взаимно перпендикулярно. Внутреннее магнитное поле. Вид сверху.

На фиг. 10 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 16, количество катушек обмотки 20. Вид сверху.

На фиг. 11 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, состоящим из отдельных магнитов с зазорами между ними. Количество магнитов 16, количество катушек обмотки равно 20. Вид сверху.

На фиг. 12 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 20, количество катушек обмотки 10. Вид сверху.

На фиг. 13 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, состоящим из отдельных магнитов с зазорами между ними. Количество магнитов 20, количество катушек обмотки 10. Вид сверху.

На фиг. 14 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 20, количество катушек обмотки 16. Вид сверху.

На фиг. 15 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, включающим отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 20, количество катушек обмотки 16. Вид сверху.

На фиг. 16 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 20, количество катушек обмотки 24. Вид сверху.

На фиг. 17 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, включающим отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 20, количество катушек обмотки 24. Вид сверху.

На фиг. 18 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 24, количество катушек обмотки 16. Вид сверху.

На фиг. 19 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, включающим отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 24, количество катушек обмотки 16. Вид сверху.

На фиг. 20 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 24, количество катушек обмотки 20. Вид сверху.

На фиг. 21 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, включающим отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 24, количество катушек обмотки 20. Вид сверху.

На фиг. 22 изображен вариант выполнения электрической машины с внешним ротором и с внутренним статором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 24, количество катушек обмотки 16.

На фиг. 23 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 24, количество катушек обмотки 24. Вид сверху.

На фиг. 24 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, включающим отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 24, количество катушек обмотки 24. Вид сверху.

На фиг. 25 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 32, количество катушек обмотки 20. Вид сверху.

На фиг.26 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, включающим отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 32, количество катушек обмотки 20. Вид сверху.

На фиг. 27 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 36. Количество катушек обмотки 20. Вид сверху.

На фиг. 28 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, включающим отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 36. Количество катушек обмотки 20. Вид сверху.

На фиг. 29 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 36, количество катушек обмотки 24. Вид сверху.

На фиг. 30 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, включающим отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 36, количество катушек обмотки 24. Вид сверху.

На фиг. 31 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов в сборке 16, количество катушек в группе 20. Намагниченность радиально тангенциальная. Значения моментов вращения здесь и далее заносятся в отдельные строки.

На фиг. 32 изображена таблица переключений катушек обмотки статора в зависимости от угла поворота ротора на основе цилиндра Халбаха. Количество магнитов 16, количество катушек 20. Намагниченность взаимно перпендикулярная. Значения моментов вращения здесь и далее заносятся в отдельные строки.

На фиг. 33 изображена таблица переключений катушек обмотки в зависимости от угла поворота ротора, включающего отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 16, количество катушек 20. Намагниченность радиальная.

На фиг. 34 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора электрической машины. Количество магнитов в сборке 20, количество катушек в группе 10. Намагниченность радиально тангенциальная.

На фиг. 35 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора электрической машины. Количество магнитов в сборке 20, количество катушек 10. Намагниченность взаимно перпендикулярная.

На фиг. 36 изображена таблица переключений катушек обмотки статора в зависимости от угла поворота ротора, включающего отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 20, количество катушек 10. Намагниченность радиальная.

На фиг. 37 изображена таблица переключений катушек обмотки статора в зависимости от угла поворота ротора. Количество магнитов 20, количество катушек 16. Намагниченность радиально тангенциальная.

На фиг. 38 изображена таблица переключений катушек обмотки статора в зависимости от угла поворота ротора. Количество магнитов 20, количество катушек 16. Намагниченность взаимно перпендикулярная.

На фиг. 39 изображена таблица переключений катушек обмотки статора в зависимости от угла поворота ротора, включающего отдельные магниты с зазорами между ними. Количество магнитов 20, количество катушек 16. Намагниченность радиальная.

На фиг. 40, 41 изображены таблицы переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 20, количество катушек 24. Намагниченность радиально тангенциальная.

На фиг. 42 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 20, количество катушек 24. Намагниченность взаимно перпендикулярная.

На фиг. 43 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 20, количество катушек 24. Ротор включает отдельные магниты с зазорами между ними. Намагниченность радиальная.

На фиг. 44 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора. Количество магнитов 24, количество катушек 16. Намагниченность радиально тангенциальная.

На фиг. 45 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 24, количество катушек 16. Намагниченность взаимно перпендикулярная.

На фиг.46 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 24, количество катушек 16. Ротор включает отдельные магниты с зазорами между ними. Намагниченность радиальная.

На фиг. 47 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 24, количество катушек 20. Намагниченность радиально тангенциальная.

На фиг. 48 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 24, количество катушек 20. Намагниченность взаимно перпендикулярная.

На фиг. 49 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 24, количество катушек 20. Ротор включает отдельные магниты с зазорами между ними. Намагниченность радиальная.

На фиг. 50 изображена таблица переключений катушек статора. Количество магнитов 24, количество катушек 24. Намагниченность радиально тангенциальная.

На фиг. 51 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 24, количество катушек 24. Намагниченность взаимно перпендикулярная.

На фиг. 52 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 24, количество катушек 24. Ротор включает отдельные магниты с зазорами между ними. Намагниченность радиальная

На фиг. 53 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора электрической машины. Количество магнитов в цилиндре 32, количество катушек в статоре 20. Намагниченность радиально тангенциальная.

На фиг. 54 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 32, количество катушек 20. Намагниченность взаимно перпендикулярная.

На фиг. 55 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 32, количество катушек 20. Ротор включает отдельные магниты с зазорами между ними. Намагниченность радиальная.

На фиг. 56 изображена таблица переключений катушек обмотки статора в зависимости от угла поворота ротора. Количество магнитов в роторе 36, количество катушек в статоре 20. Намагниченность радиально тангенциальная.

На фиг. 57 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 36, количество катушек 20. Намагниченность взаимно перпендикулярная.

На фиг. 58 изображена таблица переключений катушек статора. Количество магнитов 36, количество катушек 20. Ротор включает отдельные магниты с зазорами между ними. Намагниченность радиальная.

На фиг. 59 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 36, количество катушек 24. Намагниченность радиально тангенциальная.

На фиг. 60 изображена таблица переключений катушек обмотки в зависимости от угла поворота ротора, количество магнитов в роторе 36, количество катушек 24. Намагниченность взаимно перпендикулярная.

На фиг. 61 изображена таблица переключений катушек обмотки статора. Количество магнитов 36, количество катушек 24. Ротор включает отдельные магниты с зазорами между ними. Намагниченность радиальная.

На фиг. 62 изображена сводная таблица средних значений моментов вращения и отклонений от среднего значения в процентах.

На фиг. 63 изображена таблица амплитуд переменного напряжения на катушках обмотки в режиме генератора.

На фиг. 64 изображена таблица значений моментов вращения в динамическом режиме.

На фиг. 65 изображена таблица значений моментов вращения в статическом режиме для вариантов с увеличенным количеством магнитных сегментов.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленного изобретения с получением указанного результата, заключаются в следующем.

Рассмотрим магнитную систему, изображенную на фиг. 1.

Данная система содержит шестнадцать отдельных магнитов 1 и 2, расположенных на цилиндрической поверхности с зазорами и имеющих радиальную намагниченность.

Стрелками указано направления векторов намагниченности.

С помощью компьютерного моделирования рассчитана конфигурация магнитного поля такой системы.

На фиг. 1 области максимального внешнего поля 3 и области максимального внутреннего поля 4 ограничены соответствующими полуокружностями. Области с малым значением магнитного поля не изображены, т.к. они не оказывают существенного влияния на данную магнитную систему.

Величина магнитной индукции внутри областей 3 и 4 примерно равна половине величины остаточной индукции магнитов 1 и 2. Вне этих областей значения магнитной индукции резко уменьшается и стремится с увеличением расстояния к нулю. Здесь необходимо отметить, что величина магнитной индукции в областях 3 и 4 практически не зависит от количества отдельных магнитов в такой магнитной системе, т.к. магнитное поле разделяется пополам между его внешней областью 3 и его внутренней областью 4.

Рассмотрим магнитную систему на основе цилиндра Халбаха, изображенную на фиг. 2. Данная магнитная система содержит двенадцать магнитных сегментов 1 с радиально тангенциальной намагниченностью, боковые поверхности которых в совокупности образуют боковые поверхности цилиндра, внутреннюю и внешнюю. Вид сверху на данный цилиндр дает представление о совместном расположении магнитных сегментов 1 по поверхности цилиндра. Стрелками указаны направления векторов намагничивания каждого сегмента.

С помощью компьютерного моделирования рассчитана конфигурация магнитного поля такой системы.

Области максимального магнитного поля 4 расположены внутри цилиндра и ограничены соответствующими полуокружностями. Области с малым значением магнитного поля не изображены.

Величина магнитной индукции внутри областей 4 примерно равна 0,5 - 0,55 значения остаточной индукции магнитных сегментов 1. Вне этих областей магнитная индукция резко уменьшается и с увеличением расстояния стремится к нулю.

Магнитная система на основе цилиндра Халбаха, изображенная на фиг. 3 содержит двенадцать магнитных сегментов 1 намагниченных взаимно перпендикулярно.

Области максимального магнитного поля 3 расположены снаружи цилиндра. Величина магнитной индукции внутри областей 3 также примерно равна 0,5 - 0,55 значения остаточной индукции магнитных сегментов 1.

На фиг. 4 изображена следующая магнитная система на основе цилиндра Халбаха.

Данная магнитная система содержит шестнадцать магнитных сегментов (магнитов) 1 с радиально тангенциальной намагниченностью.

Области максимального магнитного поля 4 при данной (конкретной) картине намагниченности находятся внутри цилиндра. Это зависит от взаимного расположения группы из трех векторов намагниченности, средний из которых имеет радиальное направление.

На фиг. 4 имеется несколько таких группы. Если вектор центрального магнита в группе направлен из центра цилиндра, а соседние магниты намагничены в противоположные стороны, то магнитное поле сосредоточено внутри цилиндра. Аналогичная картина поля будет, если вектор центрального магнита направлен к центру цилиндра, а соседние с ним магниты намагничены навстречу друг другу.

Величина магнитной индукции внутри областей 4 при количестве магнитов в цилиндре Халбаха равным шестнадцати становится больше и равна примерно 0,55 - 0,6 значения остаточной индукции магнитных сегментов 1.

На фиг. 5 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, имеющая внешнее магнитное поле.

Данная магнитная система также содержит шестнадцать магнитов 1 с радиально тангенциальной намагниченностью.

Области максимального магнитного поля 3 находятся снаружи цилиндра. Если векторы радиально намагниченных сегментов направлены к центру цилиндра, то соседние с ними векторы направлены в противоположные стороны.

Аналогичная картина поля будет, если векторы центральных магнитов направлены от центра цилиндра, а соседние с ними магниты намагничены навстречу друг другу.

Величина магнитной индукции внутри областей 3 также примерно равна 0,55 - 0,6 значения остаточной индукции магнитных сегментов 1.

На фиг. 6 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, содержащая двадцать магнитных сегментов со взаимно перпендикулярной намагниченностью. С помощью компьютерного моделирования рассчитана конфигурация магнитного поля данной системы.

Области максимального магнитного поля 4 находятся внутри цилиндра.

У магнитов с радиальной намагниченностью от центра цилиндра соседние магниты намагничены в противоположные стороны. Все соседние магниты намагничены взаимно перпендикулярно друг другу. Магниты, расположенные через одного, намагничены в противоположные стороны.

Величина магнитной индукции внутри областей 4, при количестве магнитов в цилиндре Халбаха равным двадцати, становится больше и равна примерно 0,6 - 0,65 значения остаточной индукции магнитных сегментов 1.

На фиг. 7 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, имеющая внешнее магнитное поле.

Данная магнитная система содержит двадцать четыре магнитных сегмента с радиально тангенциальной намагниченностью.

У магнитов с радиальной намагниченностью к центру цилиндра соседние магниты намагничены в противоположные стороны. У магнитов с радиальной намагниченностью от центра цилиндра соседние магниты намагничены навстречу друг другу.

Величина магнитной индукции внутри областей 3 примерно равна 0,65 - 0,7 значения остаточной индукции магнитных сегментов 1.

На фиг. 8 изображена магнитная система на основе цилиндра Халбаха, имеющая внешнее магнитное поле. Данная магнитная система содержит двадцать четыре магнитных сегмента со взаимно перпендикулярной намагниченностью. Величина магнитной индукции внутри областей 3 примерно равна 0,65 -0,7 значения остаточной индукции магнитных сегментов 1.

На фиг. 9 изображена магнитная система на основе цилиндра Хапбаха, имеющая внутреннее магнитное поле.

Данная магнитная система содержит двадцать восемь магнитов 1 со взаимно перпендикулярной намагниченностью. Величина магнитной индукции внутри областей 4 примерно равна 0,7 - 0,75 значения остаточной индукции магнитов 1.

Сравнив вышеприведенные данные, можно сделать следующие предварительные выводы.

1. Магнитные системы на основе цилиндра Халбаха эффективнее магнитной системы, состоящей из отдельных магнитов с зазорами (фиг. 1), если количество магнитных сегментов не менее двадцати (двадцати четырех) и кратно четырем. В этом случае величина магнитной индукции в областях максимального поля существенно превышает половину значения остаточной магнитной индукции, а кратность четырем является необходимым условием построения цилиндра Халбаха.

2. Величина магнитной индукции в областях максимального магнитного поля растет с ростом количества магнитных сегментов в цилиндре Халбаха, стремясь в пределе к значению остаточной магнитной индукции.

Для дальнейшего анализа рассмотрим отдельные варианты построения электрических машин.

Варианты выполнения электрической машины, содержащей 16 магнитов ротора и 20 катушек обмотки статора, изображены на фиг. 10 (цилиндр Халбаха) и фиг. 11 (отдельные магниты с зазорами). Для сравнения их характеристик рассматриваются компьютерные модели с одинаковыми параметрами роторов и статоров. Выбраны следующие параметры.

Внешний диаметр статора составляет 210 мм, диаметр ротора составляет 145 мм, высота ротора и статора равна 30 мм. Ширина магнитных сегментов составляет 15 мм, ширина рабочего зазора равна 1 мм. Все катушки имеют 1000 ампер - витков в статическом режиме. Материал магнитов SmCo.

Таблицы переключений катушек обмотки в режиме двигателя изображены на фиг. 31, 32, 33. Отдельными строками в данные таблицы занесены значения рассчитанных моментов вращения для каждого указанного угла поворота роторов электрических машин. В верхней строке M1 указаны значения моментов вращения в момент переключения катушек обмотки. В строке М2 указаны максимальные значения моментов вращения между двумя соседними переключениями катушек обмотки (Ньютон-метр). В строке М3 указаны среднее значение момента вращения, среднее значение, деленное на количество катушек и отклонение от среднего значения в процентах.

За положительный угол поворота ротора можно принять поворот в любую сторону. Знаком плюс в таблицах отмечается положительное (условное) направление тока через данную катушку, знаком минус отмечается отрицательное (противоположное) направление тока через данную катушку.

Нумерация магнитов и катушек от крайних нижних и далее против часовой стрелки. Для радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 31) нужно переключать по четыре катушки через каждые девять градусов угла поворота ротора.

Для взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 32) нужно переключать по десять катушек обмотки через каждые восемнадцать градусов угла поворота ротора.

Для варианта с отдельными магнитами и зазорами между ними (фиг. 33) нужно переключать по четыре катушки через каждые 4,5 градусов угла поворота ротора. Переключения катушек производится по командам микроконтроллера, в качестве которого можно применить, например, один из микроконтроллеров серии AVR. В качестве силовых ключей применяют МОП или IGBT транзисторы, способные работать с напряжением до 1000 В и мощностью до 5 кВт.

В результате имеем следующие данные компьютерного анализа в статическом режиме.

Максимальный момент вращения у варианта с отдельными магнитами (Фиг. 33).

Он находится в диапазоне 48,2 - 52,4 Нм.

Среднее значение за полный угол поворота составляет примерно 50,3 Нм и 2,515 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения примерно равно 4,17%.

Минимальный момент вращения у варианта с радиально тангенциальной намагниченностью (Фиг. 31). Соответственно 32,4-34,5 и 33,5 Нм, 1,675 Нм, 3,28%.

Вариант со взаимно перпендикулярной намагниченностью занимает промежуточное положение. Соответственно 34,4 - 45,8 и 40,2 Нм, 2,01 Нм, 14,4%.

Результаты вычислений строки М3 заносятся также в сводную таблицу фиг. 62. В первом столбце таблицы указывается количество магнитов и катушек электрической машины. Во втором столбце результаты для радиально тангенциальной намагниченности, в третьем столбце результаты для взаимно перпендикулярной намагниченности, в четвертом столбце результаты для варианта с отдельными магнитами.

В динамических режимах размеры роторов и статоров сохраняются. Количество витков катушек обмотки выбирается равными 30. Скорость вращения ротора выбирается равной 5000 оборотов в минуту. Нагрузка на каждую катушку в режиме генератора составляет 2,5 кОм.

Результаты компьютерного анализа в режиме генератора заносятся в таблицу, представленную на фиг. 63. В первом столбце таблицы указано количество магнитов и катушек для рассматриваемого варианта выполнения электрической машины. Во втором столбце указывается диапазон амплитуд (В) двуполярного переменного напряжения на катушках (одной) для радиально тангенциальной намагниченности.

В третьем столбце указывается диапазон амплитуд двуполярного переменного напряжения на катушках (одной) для взаимно перпендикулярного намагничивания.

В четвертом столбце указывается диапазон амплитуд двуполярного переменного напряжения на катушках (одной) для варианта с отдельными магнитами с зазорами.

Таким образом, в первой строчке данной таблицы указаны значения ЭДС на одной катушке в режиме генератора для варианта 16 магнитов и 20 катушек. Максимальные значения находятся в четвертом столбце.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о преимуществе варианта с отдельными магнитами при количестве магнитов равным 16.

Варианты с количеством магнитов равным 20 и количеством катушек равным 10 изображены на фиг. 12,13, а соответствующие таблицы переключений отображены на фиг. 34, 35, 36.

При радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 34) среднее значение момента вращения примерно равно 22,7 Нм и 2,27 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения равно 100%. Такая нестабильность значения момента вращения указывает на нежелательность практического применения данного варианта в режиме двигателя.

В режиме генератора значения ЭДС на одной катушке находятся в пределах 70,1 - 72,2 В. Такие значения пригодны для практического применения.

При взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 35) необходимо переключать по две катушки через 9-2-7-9-2-7-9 градусов угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения примерно равно 32,2 Нм.

Значения момента вращения в точках переключения меняется от 26,3 Нм до 32,2 Нм. Среднее значение примерно равно 29 Нм и 2,9 Нм на одну катушку (максимальный показатель). Отклонение от среднего значения равно 11%. В режиме генератора значения ЭДС на одной катушке находятся в пределах 75,0 - 76,2 В, что также является лучшим показателем.

Вариант с отдельными магнитами (фиг. 13, фиг. 36) непригоден для практического применения в обоих режимах. Значения моментов вращения для различных углов поворота и значения ЭДС примерно равны нулю.

Варианты с количеством магнитов равным 20 и количеством катушек равным 16 изображены на фиг. 14, 15, а соответствующие таблицы переключений в статическом режиме изображены на фиг. 37, 38, 39.

При радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 37) необходимо переключать по две катушки через 4,5 градусов угла поворота ротора электрической машины в режиме двигателя. Максимальное значение момента вращения примерно равно 42,5 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 40,5 - 40,6 Нм. Среднее значение примерно равно 41,5 Нм и 2,59 Нм на одну катушку. Высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения не более 2,4%.

При взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 38) нужно переключать по четыре катушки через 9-9-4,5-9-9-4,5-9-9-4,5-9-9-4,5 градусов угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения примерно равно 51,6 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 39,8 - 47,9 Нм. Среднее значение примерно равно 46,4 Нм и 2,9 Нм на одну катушку. Не высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения не менее 12,1%.

Для варианта с отдельными магнитами (фиг. 39) нужно переключать по четыре катушки через 4,5 градусов угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения примерно равно 39 Нм. Значения момента вращения в точках переключения равны 37,1 - 37,2 Нм. Среднее значение примерно равно 38,1 Нм и 2,38 Нм на одну катушку. Высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения 2,6%. В режиме генератора максимальная ЭДС у варианта со взаимно перпендикулярной намагниченностью, минимальная ЭДС у варианта с отдельными магнитами. Варианты с количеством магнитов равным 20 и количеством катушек равным 24 изображены на фиг. 16, 17, а соответствующие таблицы переключений в статическом режиме изображены на фиг. 40, 41,42, 43.

При радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 40, 41) необходимо переключать по две катушки через 3 градуса угла поворота ротора электрической машины в режиме двигателя. Максимальное значение момента вращения равно 40,1 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 39,7 Нм. Среднее значение примерно равно 39,85 Нм и 1,66 Нм на одну катушку. Высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения 0,627%.

При взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 42) нужно переключать по 12 катушек через 15 градусов угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения примерно равно 51,9 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 43,5 - 43.6 Нм. Среднее значение примерно равно 47,7 Нм и 1,99 Нм на одну катушку. Не высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения не менее 8,8%. Для варианта с отдельными магнитами (фиг. 43) нужно переключать по четыре катушки через 3,5 - 3 градуса угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения примерно равно 56,6 Нм. Значения момента вращения в точках переключения равны

52.7 - 54,8 Нм. Среднее значение примерно равно 55,5 Нм и 2,31 Нм на одну катушку. Высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения 4,58%. Лучшие показатели.

В режиме генератора максимальная ЭДС у варианта со взаимно перпендикулярной намагниченностью, минимальная ЭДС у варианта с радиально тангенциальной намагниченностью.

Варианты с количеством магнитов равным 24 и количеством катушек равным 16 изображены на фиг. 18, 19, а соответствующие таблицы переключений в статическом режиме изображены на фиг. 44, 45, 46.

При радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 44) необходимо переключать по четыре катушки через 7,5 градусов угла поворота ротора электрической машины в режиме двигателя. Максимальное значение момента вращения равно 48 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 40 - 41 Нм. Среднее значение примерно равно 44 Нм и 2,75 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения около 9,1%. При взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 45) нужно переключать по две катушки через 4-3-3-3-4-2-3,5-4-3-3-3-4 градуса угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения примерно равно 51,8 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 47,9 - 50,5 Нм. Среднее значение примерно равно 49,7 Нм и 3,1 Нм на одну катушку. Высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения около 3,62%.

Для варианта с отдельными магнитами (фиг. 46) нужно переключать по восемь катушек через 7,5 градусов угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 27,3 Нм. Значения момента вращения в точках переключения равны 26,2 - 26,3 Нм. Среднее значение примерно равно 26,75 Нм и 1,67 Нм на одну катушку. Высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения 2,06%. В режиме генератора максимальная ЭДС у варианта со взаимно перпендикулярной намагниченностью, минимальная ЭДС у варианта с отдельными магнитами (фиг. 63). Варианты с количеством магнитов равным 24 и количеством катушек равным 20 изображены на фиг. 20, 21, а соответствующие таблицы переключений в статическом режиме изображены на фиг. 47, 48, 49.

При радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 47) необходимо переключать по четыре катушки через 6 градусов угла поворота ротора электрической машины в режиме двигателя. Максимальное значение момента вращения равно 53,2 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 48,9 - 49 Нм. Среднее значение примерно равно 51 Нм и 2,55 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения около 4,2%.

При взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 48) нужно переключать по четыре катушки через 4-5-5-4-4-5-5-4-4-5 градусов угла поворота ротора.

Максимальное значение момента вращения примерно равно 56,9 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 47,9 - 50,5 Нм. Среднее значение примерно равно 56 Нм и 2,8 Нм на одну катушку. Высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения около 1,43%.

Для варианта с отдельными магнитами (фиг. 49) нужно переключать по четыре катушки через три градуса угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 50,1 Нм. Значения момента вращения в точках переключения равны 47,6 - 47,7 Нм. Среднее значение примерно равно 48,8 Нм и 2,44 Нм на одну катушку. Высокая стабильность момента вращения. Отклонение от среднего значения 2,66%. В режиме генератора максимальная ЭДС у варианта со взаимно перпендикулярной намагниченностью, минимальная ЭДС у варианта с отдельными магнитами (фиг. 63). Варианты с количеством магнитов равным 24 и количеством катушек равным 24 изображены на фиг. 23, 24, а соответствующие таблицы переключений в статическом режиме изображены на фиг. 50, 51, 52.

При радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 50) необходимо переключать по 12 катушек через 15 градусов угла поворота ротора электрической машины в режиме двигателя. Максимальное значение момента вращения равно 55,2 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 51,7 - 51,9 Нм. Среднее значение примерно равно 53,4 Нм и 2,23 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения около 3,2%.

При взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 51) нужно переключать по две катушки через 2 градуса угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 62 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 49 - 62 Нм. Среднее значение примерно равно 56 Нм и 2,3 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения около 12,5%.

Для варианта с отдельными магнитами (фиг. 52) нужно переключать по 24 катушки через 15 градусов угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 81,1 Нм. Значения момента вращения в точках переключения равны нулю.

Среднее значение равно 40,55 Нм и 1,69 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения 100%. Применение не целесообразно.

В режиме генератора максимальная ЭДС у варианта со взаимно перпендикулярной намагниченностью, минимальная ЭДС у варианта с отдельными магнитами (фиг. 63). Варианты с количеством магнитов равным 32 и количеством катушек равным 20 изображены на фиг. 25, 26, а соответствующие таблицы переключений в статическом режиме изображены на фиг. 53, 54, 55.

При радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 53) необходимо переключать по 4 катушки через 4,5 градуса угла поворота ротора электрической машины в режиме двигателя. Максимальное значение момента вращения равно 61 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 57,8 Нм. Среднее значение равно 59,4 Нм и 2,97 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения около 2,69%.

При взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 54) нужно переключать по две катушки через 2 градуса угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 64,2 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 63,1 - 63,3 Нм. Среднее значение примерно равно 63,6 Нм и 3,18 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения около 0,8%.

Для варианта с отдельными магнитами (фиг. 55) нужно переключать по 4 катушки через 2,25 градусов угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 26,5 Нм. Значения момента вращения в точках переключения равны 26 - 26,4 Нм. Среднее значение равно 26,25 Нм и 1,31 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения равно 0,95%.

В режиме генератора максимальная ЭДС у варианта со взаимно перпендикулярной намагниченностью, минимальная ЭДС у варианта с отдельными магнитами (фиг. 63). Варианты с количеством магнитов равным 36 и количеством катушек равным 20 изображены на фиг. 27, 28, а соответствующие таблицы переключений в статическом режиме изображены на фиг. 56, 57, 58.

При радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 56) необходимо переключать по 2 катушки через 2 градуса угла поворота ротора электрической машины в режиме двигателя. Максимальное значение момента вращения равно 62,9 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 62 - 62,7 Нм. Среднее значение равно 62,4 Нм и 3,12 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения около 0,8%.

При взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 57) нужно переключать по 20 катушек через 18 градусов угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 104 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 0 Нм. Среднее значение примерно равно 52 Нм и 2,6 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения 100%. Применение не целесообразно.

Для варианта с отдельными магнитами (фиг. 58) нужно переключать по 4 катушки через 2 градуса угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 13,3 Нм. Значения момента вращения в точках переключения равны 13,1 - 13,3 Нм. Среднее значение равно 13,2 Нм и 0,66 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения равно 0,76%.

В режиме генератора максимальная ЭДС у варианта со взаимно перпендикулярной намагниченностью, минимальная ЭДС у варианта с отдельными магнитами (фиг. 63).

Варианты с количеством магнитов равным 36 и количеством катушек равным 24 изображены на фиг. 29, 30, а соответствующие таблицы переключений в статическом режиме изображены на фиг. 59, 60, 61.

При радиально тангенциальной намагниченности (фиг. 59) необходимо переключать по 6 катушек через 5 градусов угла поворота ротора электрической машины в режиме двигателя. Максимальное значение момента вращения равно 69,3 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 56,7 - 56,8 Нм. Среднее значение равно 63 Нм и 2,63 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения около 10%.

При взаимно перпендикулярной намагниченности (фиг. 60) нужно переключать по 4 катушки через 4 градуса угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 70,9 Нм. Значения момента вращения в точках переключения 63,4 - 68,4 Нм. Среднее значение примерно равно 67,1 Нм и 2,8 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения 5,7%.

Для варианта с отдельными магнитами (фиг. 61) нужно переключать по 12 катушек через 5 градусов угла поворота ротора. Максимальное значение момента вращения равно 38,1 Нм. Значения момента вращения в точках переключения равны 36,6 Нм. Среднее значение равно 37,35 Нм и 1,56 Нм на одну катушку. Отклонение от среднего значения равно 2%.

В режиме генератора максимальная ЭДС у варианта со взаимно перпендикулярной намагниченностью, минимальная ЭДС у варианта с отдельными магнитами (фиг. 63). Вариант построения электрической машины с внешним ротором изображен на фиг. 22. Внешний ротор содержит 24 магнита, внутренний статор содержит 16 катушек обмотки.

По своим показателям данный вариант аналогичен варианту с внутренним ротором, изображенному на фиг. 18. Катушки обмотки аналогично переключаются и при равенстве объемов магнитов, примерно сопоставимы значения моментов вращения.

Недостатком варианта с внешним ротором можно считать сокращение свободного объема для размещения катушек обмотки, которые должны подключаться к внешним источникам напряжения (тока), а также иметь возможность для охлаждения (вентиляции).

Результаты компьютерного анализа в динамическом режиме (работа двигателя) представлены в таблице, изображенной на фиг. 64. В первом столбце таблицы указано количество магнитов и катушек электрической машины. Во второй столбец заносятся значения моментов вращения в Нм. Количество витков катушек равно 30. Скорость вращения равна 5000 оборотов в минуту.

Амплитуда импульсов напряжения примерно равна 120 В.

Сопротивление постоянному току (добавочное) примерно равно 2,5 Ом.

Намагниченность магнитных сегментов радиально тангенциальная.

Результаты таблицы (режим двигателя) фиг. 64 достаточно хорошо согласуются с результатами таблицы (режим генератора) фиг. 63.

Анализ приведенных вариантов построения электрических машин позволяет сделать следующие выводы.

1. Структура ротора электрической машины зависит от количества магнитных сегментов.

2. При количестве магнитов менее двадцати целесообразно иметь зазор между отдельными магнитными сегментами. Магниты должны иметь радиальную намагниченность.

3. При количестве магнитов равным двадцати структура ротора будет зависеть от количества катушек обмотки. При количестве катушек равным десяти или шестнадцати необходимо использовать цилиндр Халбаха. При количестве катушек равным 24 целесообразнее применить в режиме двигателя отдельные магниты с зазорами между ними, но в режиме генератора эффективнее цилиндр Халбаха со взаимно перпендикулярной намагниченностью сегментов.

4. При количестве магнитов равным или превышающим двадцать четыре и кратным четырем, эффективнее использовать цилиндр Халбаха без зазоров между магнитами.

5. Намагниченность магнитных сегментов в цилиндре Халбаха или взаимно перпендикулярная, или радиально тангенциальная.

6. Для радиально тангенциальной намагниченности в режиме двигателя, значение отношения количества магнитов в цилиндре к количеству катушек обмотки не должно быть равно двум, а для варианта расположения магнитов с зазором между ними, данное значение не должно быть равным двум и единице.

7. Для взаимно перпендикулярной намагниченности, значение отношения количества магнитов в цилиндре к количеству катушек не должно быть равным 1,8 с допуском в несколько процентов. Аналогичная ситуация может быть при количестве магнитов 32 и количестве катушек 18.

8. Для цилиндра Халбаха, значение центральных углов, выраженными в градусах, между соседними магнитами и между соседними катушками, должно выражаться конечной десятичной дробью.

Центральный угол будет определяться, как отношение числа 360 к количеству магнитов или катушек. Если эти отношения будут выражаться бесконечной десятичной дробью, то это создаст дополнительные трудности при организации программы переключений катушек обмотки статора. Все рассмотренные варианты электрических машин (фиг. 32-64) удовлетворяют этим условиям.

Выбор самых эффективных вариантов с цилиндром Халбаха из таблицы фиг. 62 необходимо производить по трем критериям.

1. Максимальный средний момент вращения.

2. Момент вращения на одну катушку.

3. Отклонение от среднего значения.

Первому критерию соответствуют варианты 32 * 20, 36 * 20, 36 * 24, кроме 36 * 20 со взаимно перпендикулярной намагниченностью.

Второму критерию также соответствуют эти варианты, но лучшим является 32 * 20 со взаимно перпендикулярной намагниченностью.

По третьему критерию лучшими являются 32 * 20 со взаимно перпендикулярной намагниченностью и 36 * 20 с радиально тангенциальной намагниченностью.

Лучшим по трем критериям является вариант 32 * 20 со взаимно перпендикулярной намагниченностью.

В динамических режимах фиг. 63, 64, лучшие показатели у вариантов 32 * 20 и 36 * 20.

В дополнение к вышеизложенному, на фиг. 65 представлены результаты компьютерного анализа для вариантов с увеличенным количеством магнитных сегментов в цилиндре Халбаха. Намагниченность радиально тангенциальная. В первом столбце указано количество магнитов и катушек, во втором столбце диапазон изменения момента вращения в статическом режиме. Результаты анализа хорошо согласуются с предыдущими данными. Здесь необходимо отметить, что более предпочтительными вариантами построения электрической машины, являются варианты с уменьшенным количеством катушек в статоре и увеличенным количеством магнитных сегментов в роторе. Это упрощает схему переключения и уменьшает стоимость ротора, т.к. цена магнита нелинейно зависит от его размеров.

Предлагаемую электрическую машину можно использовать в различных областях промышленности и сельского хозяйства. Весьма эффективно ее применение при создании различных генераторов (ветрогенераторов) и электромобилей. В частности, на ее основе возможно создать децентрализованную конструкцию двигателя автомобиля, с размещением его элементов непосредственно в колесах автомобиля. При этом убирается малоэффективная механическая передача энергии от центрального двигателя к колесам, снижаются потери энергии и вес автомобиля. Наличие микроконтроллеров позволит эффективно управлять движением всего автомобиля, снижать энергозатраты и повышать надежность управления.

1. Электрическая машина, содержащая статор, включающий группу катушек обмотки с магнитопроводом, а также ротор, включающий группу магнитных сегментов, расположенных по внутренней или внешней поверхности цилиндра, отличающаяся тем, что магнитные сегменты расположены по поверхности цилиндра с зазором между ними и с радиальной намагниченностью при их количестве в группе менее двадцати или двадцати четырех, в зависимости от количества катушек в группе, и образуют цилиндр Халбаха без зазоров между магнитами, если их количество более или равно указанным значениям и кратно четырем, а намагниченность магнитных сегментов или взаимно перпендикулярная, или радиально тангенциальная.

2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что в режиме двигателя, при радиально тангенциальной намагниченности магнитов в цилиндре Халбаха, значение отношения количества магнитов в группе к количеству катушек обмотки не равно двум, а для варианта расположения магнитов с зазором между ними значение отношения количества магнитов в группе к количеству катушек обмотки не равно двум и не равно единице.

3. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что при взаимно перпендикулярной намагниченности магнитных сегментов в цилиндре Халбаха значение отношения количества магнитов в группе к количеству катушек обмотки не равно 1,8 с допуском в несколько процентов.

4. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что значение центральных углов между соседними магнитами в группе и между соседними катушками обмотки, выраженными в градусах, является конечной десятичной дробью.