ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ Российский патент 1997 года по МПК H02K23/54 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве первичных приводов на электростанциях и в качестве двигателей для транспорта.

Известен торцевой электродвигатель с постоянными магнитами, содержащий два кольцевых статора с N сердечниками, на которых размещены катушки обмотки, источник постоянного тока для питания обмотки статора, установленный между кольцами статора ротор с постоянными магнитами, равномерно распределенными по окружности (авт.св.СССР N 1494877, Н 02 К 29/00, 1989 г). Недостатком такой конструкции является то, что магнитный поток постоянных магнитов ротора замыкается по магнитопроводу статора, пересекая при этом витки обмотки. При вращении ротора этот поток изменяется по отношению к виткам обмотки статора, наводя в ней ЭДС индукции, которая отрицательно влияет на работу электрической машины, поглощая бесполезно электрическую мощность из сети. Бесполезность этой ЭДС наглядна в режиме пуска, когда ЭДС равна нулю, а двигатель интенсивно выходит на рабочий режим. Таким образом, наличие противоЭДС в несколько раз снижает КПД двигателя.

Наиболее близким к предложению по технической сущности и максимальному количеству сходных признаков является электродвигатель с постоянными магнитами, известный из патента Великобритании N 2221519, кл. Н 02 К 21/24, 1990 г. который содержит два кольцевых статора с N сердечниками, на которых расположены катушки обмоток для питания постоянным током и ротора, установленного между статорами, в виде кольца из немагнитного материала с постоянными магнитами, равномерно расположенными по окружности и намагниченными вдоль оси вращения и шунтированными магнитопроводом из магнитомягкого материала. Данной конструкции присущ вышеуказанный недостаток.

Целью данного изобретения является повышение КПД. Это достигается тем, что в электродвигателе с постоянными магнитами, содержащем два кольцевых статора их магнитомягкого материала с N сердечниками, на которых размещены катушки их обмоток для питания постоянным током, установленный между статорами ротор в виде кольца из немагнитного материала с постоянными магнитами, равномерно распределенными по окружности и намагниченными вдоль оси вращения и шунтированными магнитопроводом из магнитомягкого материала, в каждом кольце статора выполнены равномерно распределенные по окружности радиальные прорези, заполненные немагнитным материалом и разделяющие кольцо на одинаковые сектора, на одной части которых, прилегающей к прорези, выполнены упомянутые сердечники, длина которых меньше толщины кольца, катушки каждого кольца статора соединены между собой параллельно и подключены к контактам двухпозиционного ключа для попеременного образования на кольцах статора системы одинаковых полюсов противоположной полярности по отношению к одноименным полюсам сердечников другого статора, а ротор выполнен с количеством постоянных магнитов, равным N/2, одноименно намагниченных и той же полярности, что и обращенные к ним одноименные полюса колец статора.

Указанное исполнение статора и ротора электродвигателя обеспечивает локализацию магнитных потоков и ротора и статора в пределах рабочего зазора между статором и ротором и поочередным включением групп катушек обмотки статора, возбуждающих магнитных поток статора. При этом исключается противоЭДС, что приводит к повышению КПД.

Таким образом, данное изобретение удовлетворяет условию патентоспособности новизне.

Из уровня техники не обнаружены другие источники информации, в которых бы содержались признаки данного изобретения для решения аналогичных задач. Следовательно данное изобретение удовлетворяет и другому условию патентоспособности изобретательному уровню.

На фиг.1 представлена конструкция электродвигателя с постоянными магнитами; на фиг.2,3 конструкции статора и ротора электродвигателя с постоянными магнитами соответственно; на фиг.4 схема соединения катушек обмотки статора электродвигателя с постоянными магнитами; на фиг.5,6 схемы распределения магнитных полей статора и ротора в свободном и вынужденном состояниях соответственно.

Электродвигатель с постоянными магнитами содержит два основных кольца 1,2 из магнитомягкого материала статора с N сердечниками, на которых расположены катушки 3, 4 обмоток статора и два вспомогательных кольца 1, 2" из магнитомягкого материала, которые являются замыкателем магнитного потока и статора и ротора. Между кольцами 1', 2' статора установлен ротор 5 с постоянными магнитами 6, равномерно распределенными по окружности. В каждом из колец 1,2 статора выполнены прорези 7 (фиг.1,2), равномерно распределенные по окружности, заполненные немагнитным материалом 8. Прорези разделяют кольцо статора на одинаковые сектора, при этом в частях 9 секторов, прилегающих к прорезям 7 выполнены сердечники 10, длина которых меньше толщины кольца, на которых и расположены катушки обмотки статора. Другая часть 11 каждого сектора кольца выполняет функцию замыкателя потока.

В каждом из колец 1,2 катушки 3 (4) соединены между собой параллельно и подключены к источнику постоянного тока через контакты двухпозиционного ключа 12 (фиг.4) при этом катушки 4 кольца 2 статора образуют на сердечниках полюса противоположной полярности по отношению к полюсам одноименных сердечников, образованных катушками 3.

Ротор 5 (фиг. 1,3) выполнен в виде кольца из немагнитного материала с количеством постоянных магнитов 6, равным N/2 (для данной конструкции N=8). Постоянные магниты 6 намагничены вдоль оси Х, причем их торцы обращенные к сердечникам 10 колец 1,2 намагничены одноименно. Постоянные магниты шунтированы вдоль оси Х магнитопроводами 13 из магнитомягкого материала. Ротор установлен на оси, закрепленной в опорах 14. Электродвигатель с постоянными магнитами работает следующим образом.

Напряжение Uc (фиг.4) через ключ 12 поступает на первую группу 15 катушек обмоток статора. При протекании постоянного тока по катушкам возникает магнитный поток статора с индукцией Вс, который замыкается по сердечнику 10 и замыкателем потока 1' и 11 (фиг.5). Магнитный поток постоянных магнитов индукцией Вр ротора замыкается по двум воздушным зазорам между статором и ротором и магнитопроводам (замыкателям потока) 1', 2' и 13. В результате взаимодействия магнитных потоков статора и ротора (фиг.6) из-за деформации магнитных силовых линий указанных потоков возникает механическая сила F K • Bc • Bp • S пропорциональная магнитным потокам статора и ротора. Под действием суммы сил , ротор поворачивается до тех пор пока магнитная ось ротора II-II не совместится с осью I-I катушки, которая была обесточена. При совмещении осей по сигналам чувствительного элемента, например, датчика положения (на чертеже не показан) ключ 12 переключает напряжение Uc источника постоянного тока к другой группе 16 катушек статора. Возникшее магнитное поле статора от второй группы катушек снова деформирует магнитные силовые линии поля ротора и само деформируется под действием поля ротора, при этом возникает механическая сила, под действием которой ротор продолжает вращаться. Вращение будет происходить до тех пор, пока катушки обмоток 4,5 не отключаться от источника постоянного тока.

Мощность двигателя зависит от числа и величины магнитов, от числа витков и величины тока в катушках обмоток статора. Двигатель из сети потребляет мощность Р_с I_b ²•R_b, в отличие от аналогов, которые дополнительно еще потребляют мощность E • I, где Е это ЭДС, создаваемая магнитным полем ротора.

Таким образом повышается КПД двигателя.

Использование: в качестве первичного привода на электростанциях и всех видах транспортера. Сущность изобретения: электродвигатель с постоянными магнитами содержит кольца 1, 2 статора с обмотками 3, 4 на сердечниках, выполненных в частях секторов колец, образованных прорезями 7, заполненными немагнитным материалом, прилегающих к упомянутым прорезям. Ротор выполнен из немагнитного кольца с равномерно распределенными по окружности постоянными магнитами 6, шунтированными магнитопроводами 13 из магнитомягкого материала. При подаче в катушки обмоток 3, 4 питания на сердечниках каждого из колец 1, 2 образуются одноименные полюса, при этом одноименные сердечники этих колец имеют полюса разной полярности. Торцы постоянных магнитов 6, обращенные к сердечникам колец статора намагничены одноименно. В результате взаимодействия магнитных потоков статора и ротора с индукциями В_c и В_p соответственно происходит деформация магнитных силовых линий этих потоков, вызывающая механическую силу F = K•B_c•B_p•S, где К - коэффициент пропорциональности, S - площадь общего поля ротор-статор, под действием которой ротор приходит во вращение. В катушках при этом не наводится противоЭДС, из-за локализации магнитного потока постоянных магнитов, что и приводит к повышению КПД. Наличие только одного магнитопровода ротора упрощает конструкцию электродвигателя. 6 ил.

Электродвигатель с постоянными магнитами, содержащий два кольцевых статора с N сердечниками, на которых размещены катушки их обмоток для питания постоянным током, установленный между статорами ротор в виде кольца из немагнитного материала с постоянными магнитами, равномерно расположенными по окружности, намагниченными вдоль оси вращения и шунтированными магнитопроводом из магнитомягкого материала, отличающийся тем, что в каждом кольце статора выполнены равномерно распределенные по окружности радиальные прорези, заполненные немагнитным материалом и разделяющие кольцо на одинаковые сектора, на одной части которых, прилегающих к прорези, выполнены упомянутые сердечники, длина которых меньше толщины кольца, катушки каждого кольца статора соединены между собой параллельно и подключены к контактам двухпозиционного ключа для попеременного образования на кольцах статора системы одноименных полюсов противоположной полярности по отношению к одноименным полюсам сердечников другого статора, а ротор выполнен с количеством постоянных магнитов, равным N/2, одноименно намагниченных и той же полярности, что и обращенные к ним одноименные полюса колец статора.