ТОРЦЕВАЯ БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК H02K21/24 H02K1/27 H02K16/04 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к торцевым бесконтактным электрическим машинам.

Известна торцевая бесконтактная электрическая машина с внешнезамкнутым магнитопроводом, так называемая машина Александерсена (Домбур Л.Э. Аксиальные индукторные машины, Рига, Зинатне, 1984, с. 24), содержащая внешний магнитопровод, два торцевых статора и размещенный между ними зубчатый безобмоточный ротор. Электродвижущая сила в обмотках статора наводится за счет модуляции аксиального магнитного потока обмотки возбуждения в активной зоне явнополюсного ротора.

Основным недостатком такой конструкции является низкая степень использования активных материалов из-за наличия существенной постоянной составляющей магнитного потока возбуждения, не участвующей в процессе преобразования энергии, но дополнительно загружающей магнитопровод.

Известна бесконтактная синхронная электрическая машина (Авт. св. N 213956, кл. МКИ Н 02 К 19/24), имеющая во впадинах между одноименными полюсами индуктора призматические постоянные магниты, ориентированные так, что они образуют магнитные полюса противоположной полярности.

Недостатками такой конструкции являются:
необходимость применения постоянных магнитов с высокими значениями остаточного намагничивания В_r, определяющей величину рабочего потока магнита и значит степень модуля основного магнитного потока в воздушном зазоре и коэрцитивной силы Н_c, определяющей высоту магнита при данном зазоре и стабильность его магнитный свойств;
большой суммарный вес постоянных магнитов полюсной системы, практически равный весу магнитомягких полюсов;
сложность крепления постоянных магнитов в пазах цилиндрического ротора.

Известна также бесконтактная торцевая электрическая машина (регулируемый генератор) с постоянными магнитами (Авт.св. N 265250, кл. МКИ Н 02 К 21/08), содержащая между двумя торцевыми статорами ротор, полюсная система которого выполнена в виде брусков, аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов и чередующихся с ними магнитомягких полюсов противоположной полярности.

В такой конструкции остаются существенными вес постоянных магнитов и с учетом обеспечения высоких значений В_r и Н_c, их стоимость.

Известны бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами, использующие принцип концентрации магнитного потока (патент ЕПВ N 0327470, кл. МКИ Н 02 К 21/08, 1/28; патент СРР N 122617, кл. МКИ Н 02 К 1/22; патент США N 4631435, кл. МКИ Н 02 К 21/14. НКИ 310/156; патент США N 4481437, кл. МКИ Н 02 К 1/12, НКИ 310/191; патент Франции N 2627030, кл. МКИ Н 02 К 1/28, 21/08, 21/14; патент США N 4578610, кл. МКИ Н 02 К 21/12, НКИ 310/156 и др. ), обеспечивающие увеличение магнитного потока с рабочей поверхности магнитного полюса за счет специального расположения постоянных магнитов и магнитомягких сердечников.

Однако в таких конструкциях ограничены возможности концентрации магнитного потока из-за невозможности использования всех нерабочих поверхностей сердечников, конструктивной сложности крепления активных зон полюсов систем и сложности регулирования выходного напряжения.

Известна также торцевая бесконтактная электрическая машина комбинированного возбуждения (Авт. св. N 1193752, кл. МКИ⁴ H 02 K 21/24), принятая за прототип, имеющая два торцевых статора с рабочими обмотками, по крайней мере одну кольцевую обмотку возбуждения, установленную в неподвижном внешнем магнитопроводе, и ротор с 2р-полюсами, содержащий две магнитоизолированные Р-полюсные системы, одна из которых выполнена в виде сердечников из магнитомягкой стали, другая в виде аксиально намагниченных постоянных магнитов, с торцов которых установлены шайбы из магнитомягкого материала.

Такая конструкция обеспечивает увеличение концентрации магнитного потока и возможность глубокого регулирования выходного напряжения.

Однако такая электрическая машина имеет значительный вес активных материалов из-за большого веса постоянных магнитов и низкой степени использования концентрации магнитного потока.

Эта машина имеет сравнительно невысокую надежность из-за конструктивной сложности крепления вынесенных на периферию полюсных систем ротора.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о целесообразности создания торцевой бесконтактной электрической машины с меньшим весом и более высокой надежностью.

Это достигается в торцевой бесконтактной электрической машине, содержащей два статора с обмотками, по крайней мере одну кольцевую обмотку возбуждения, установленную в неподвижном внешнем магнитопроводе, и ротор, состоящий из двух магнитоизолированных Р-полюсных систем, причем сердечники одной из систем выполнены из магнитомягкой стали, сердечники другой системы выполнены из магнитомягких призматических брусков, по всем граням которых кроме граней, обращенных к статорам, прикреплены плоские постоянные магниты, а зубцы ротора, являющиеся магнитными шунтами для магнитов, размещенных на боковых гранях брусков, расположены внутри двух магнитомягких колец, плотно прилегающих к полюсам ротора и являющихся шунтами для магнитов, установленных на верхних и нижних гранях призматических брусков.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой электрической машины, на фиг. 2 продольный разрез ротора вдоль оси его магнитного полюса и на фиг. 3 вид сверху развернутого разреза полюсной системы ротора вдоль среднего диаметра с указанием путей замыкания потоков магнитов и обмотки возбуждения.

Электрическая машина (фиг. 1) имеет два статора 1 с рабочими обмотками, кольцевую обмотку возбуждения 2, внешний магнитопровод 3 и ротор, состоящий из двух Р-полюсных систем противоположной полярности, одна из которых состоит из магнитомягких полюсов 4, а другая выполнена из магнитомягких сердечников 5, 6 в виде призматических брусков, между которыми расположены постоянные магниты 7, 8, к верхним граням прикреплены магниты 9, 10, к нижним 11, 12, а к боковым граням брусков прикреплены магниты 13 16. Магнитомягкие кольца 17, 18 охватывают обе полюсные системы и посредством немагнитных колец 19 и 20 крепят полюсные системы ротора к ступице 21.

Электрическая машина работает следующим образом.

При питании кольцевой обмотки возбуждения 2 (фиг. 1) постоянным током создается основной магнитный поток Ф₀, проходящий через внешний магнитопровод 3, статоры 1, магнитомягкие полюса 4 ротора и рабочие воздушные зазоры (фиг. 1).

Магнитные потоки постоянных магнитов 7^oC16 (фиг. 2 и 3) магнитных полюсов концентрируются в зонах граней сердечников 5 и 6, обращенных к статорам 1. Постоянные магниты 7, 8 создают поток Ф₇₈, а магниты 9, 10 поток Ф₉₁₀, причем кольцо 17 является частью магнитопровода, обеспечивающего прохождение этого потока. В магнитопровод для потока Ф₁₁₁₂, созданного магнитами 11, 12, включено кольцо 18. Магнитные потоки Ф₁₃₁₄ и Ф₁₅₁₆ используют в качестве магнитной арматуры магнитомягкие полюса 4 ротора. Суммарный поток магнитов Ф_м в зоне рабочих зазоров направлен вторично потоку Ф_о и ограничивает проникновение магнитного потока Ф_о в паз (магнитный полюс), снижает величину постоянной составляющей потока Ф_о и увеличивает амплитуду первой гармонической составляющей потока Ф_о. Коэффициент концентрации магнитного потока в такой системе может достигать величины 5 6 и более.

Это позволяет при использовании относительно дешевых магнитов типа феррит барий, имеющих величины рабочих индукций порядка 0,2 0,22 Т, добиться индукции в воздушном зазоре 1 Т и более. Суммарный магнитный поток магнитов Ф_м замыкается как по пути основного магнитного потока Ф_о, так и через соединение магнитомягкие полюса (аналогично нормальным синхронным переменнополюсным машинам). При вращении ротора за счет изменения амплитуды и знака магнитного потока относительно неподвижной рабочей обмотки статора 1 в рабочей обмотке будет наводиться электродвижущая сила требуемой величины и частоты.

В предлагаемой торцевой бесконтактной электрической машине обеспечиваются лучшее использование активных материалов и меньший суммарный вес машины за счет максимально возможной концентрации магнитного потока постоянных магнитов при использовании всех нерабочих (не обращенных к статорам) граней призматических брусков сердечников магнитных полюсов.

Также сведена до минимума возможность появления потоков рассеяния постоянных магнитов шунтированием одних магнитомягкими кольцами, а других магнитомягкими полюсами ротора.

Предложенная электрическая машина имеет более высокую надежность за счет повышения надежности конструкции ротора применением колец, которые обеспечивают жесткое крепление полюсной системы (или полюсных систем) к ступице ротора.

Использование: в бесконтактных торцевых электрических машинах. Сущность: в торцевой бесконтактной электрической машине каждый полюс Р-полюсной системы выполнен из пары магнитомягких призматических брусков 5, 6. Смещенных вдоль аксиальной длины ротора, снабженных постоянными магнитами 7 - 16. Сердечники 4 первой Р-полюсной системы расположены внутри магнитомягких колец 17, 18, плотно прилегающих к полюсам второй Р-полюсной системы, являясь шунтами магнитов 9, 11. В результате снижается вес за счет максимально возможной концентрации магнитного потока при использовании всех нерабочих граней призматических брусков сердечников второй Р-полюсной системы ротора. Кроме того, использование колец обеспечивает жесткое крепление полюсных систем к ступице ротора, что повышает надежность. 3 ил.

Торцевая бесконтактная электрическая машина, содержащая два статора с обмотками, по крайней мере одну обмотку возбуждения, установленную в неподвижном внешнем магнитопроводе, и ротор, составленный из двух p-полюсных систем, причем сердечники первой p-полюсной системы выполнены из магнитомягкой стали, отличающаяся тем, что каждый полюс второй p-полюсной системы выполнен из пары магнитомягких призматических брусков, смещенных вдоль аксиальной длины ротора, ко всем граням которых, кроме граней, обращенных к статорам, прикреплены плоские постоянные магниты, а сердечники первой p-полюсной системы, являющиеся магнитными шунтами для магнитов, размещенных на боковых гранях брусков второй p-полюсной системы, расположены внутри двух магнитомягких колец, плотно прилегающих к полюсам второй p-полюсной системы и являющихся шунтами для магнитов, установленных на верхних и нижних гранях брусков полюсов.