Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции магнитоэлектрических машин постоянного тока.
Известен статор машины постоянного тока с электромагнитным возбуждением, взятый в качестве аналога, который содержит сердечник с неявно выраженными полюсами, внешняя поверхность которого в поперечном сечении выполнена в виде многоугольника с числом сторон, равным числу полюсов, а оси главных полюсов пересекают середины сторон многоугольника. Такая конструкция позволяет создать повышенное магнитное сопротивление статора для потоков реакции якоря, улучшить коммутацию и снизить габариты машины.
Известен статор двигателя постоянного тока с постоянными магнитами, взятый в качестве прототипа, у которого радиально намагниченные магниты в форме сегментов кольца прикрепляются к цилиндрической внутренней поверхности сердечника статора. Постоянные магниты образуют главные полюса и заменяют обмотку возбуждения, что исключает расход меди на нее и электрические потери в ней.
Однако в такой конструкции не учитывается распределенность и неподвижность магнитного поля в сердечнике статора. Элементы сердечника по оси главного полюса насыщены магнитным потоком постоянного магнита незначительно, а по оси дополнительного полюса - предельно. Поток реакции якоря в такой конструкции достигает существенной величины, он ухудшает коммутацию и оказывает размагничивающее действие на постоянный магнит. При определенной степени размагничивания постоянного магнита наступает необратимое снижение его магнитных свойств. Форма поля в зазоре близка к прямоугольной. Применение постоянных магнитов с высокими магнитными свойствами, например на основе NdFeB, приводит к снижению размеров магнита и, следовательно, требует повышения точности позиционирования его на цилиндрической внутренней поверхности сердечника статора. Меньшая поверхность крепления магнита при прежнем усилии тангенциального смещения вызывает необходимость повышения надежности крепления. В конструкции нет элементов, препятствующих тангенциальному сдвигу магнита от вращающего момента.
Технический результат изобретения заключается в том, чтобы оставить все положительные черты аналога и прототипа, а именно магнитоэлектрическое возбуждение, увеличенное магнитноe сопротивление на пути потоков реакции якоря, улучшение коммутации; но и получить эффект, превосходящий суммарный от объединения этих черт за счет снижения степени размагничивания магнита потоками реакции якоря, точного позиционирования магнитов на статоре, надежного крепления магнитов путем увеличения площади крепления и конструктивного препятствования тангенциальному сдвигу, приближения формы магнитного поля в зазоре к синусоидальной, повышения объема магнита и как следствие увеличение его энергии, то есть повышение использования внутреннего объема машины.
Это достигается тем, что на внутренней цилиндрической поверхности сердечника статора выполнены треугольные выемки по числу полюсов машины. Постоянные радиально намагниченные магниты имеют форму криволинейных пятиугольников, фиксируются в этих выемках и образуют главные полюса, причем через вершины выемок проходят оси главных полюсов. В целом сердечник и магниты образуют внутреннюю поверхность статора в форме окружности. Внешняя поверхность статора в поперечном сечении может быть выполнена в форме окружности или правильного многоугольника с числом сторон, кратным числу полюсов. Внешняя и внутренняя поверхности сердечника статора не пересекаются и формируют толщину сердечника по осям главных полюсов (перемычку) тоньше, чем толщина сердечника по осям дополнительных полюсов. Толщина сердечника по осям главных полюсов определяется механической прочностью статора и требуемым магнитным сопротивлением потокам реакции якоря, а по осям дополнительных полюсов - магнитным сопротивлением потоку главныx полюсов.
Эта конструкция отличается от прототипа тем, что в нем не применялись треугольные выемки на внутренней цилиндрической поверхности сердечника статора по числу полюсов и с осями главных полюсов, проходящих через вершины выемок, а также магниты в форме криволинейных пятиугольников, фиксируемые в этих выемках. Такая конструкция ранее не использовалась и поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой показано поперечное сечение четырехполюсной магнитоэлектрической машины предлагаемой конструкции с внешней поверхностью сердечника статора 1 в виде окружности. Показаны радиально намагниченный магнит в форме криволинейного пятиугольника 2, образующий главный полюс, и треугольная выемка 3, в которой он фиксируется. Помечены перемычки по осям главного и дополнительного полюсов, соответственно 4 и 5. Показаны силовая линия потока реакции якоря 6, созданная током обмотки якоря 7, и силовая линия потока постоянного магнита 8. При определенных значениях глубины и углового раствора треугольных выемок, если это допускается внешним размером статора, грани выемок могут соединяться и образовывать внутреннюю поверхность сердечника статора в поперечном сечении в виде правильного многоугольника (фиг. 2а) или звезды (фиг. 2б), с числом лучей, равным числу полюсов. Но оба эти случая являются частными примерами более общей конфигурации внутренней поверхности сердечника статора, полученной путем выполнения треугольных выемок на цилиндрической внутренней поверхности. При уменьшении толщины криволинейного пятиугольного магнита его форма может в пределе преобразоваться в криволинейный треугольник. Но такая форма магнита нецелесообразна из-за малой механической прочности тонких краев магнита и соответственно их малой намагничивающей силы, вследствие чего возможно их размагничивание потоками реакции якоря.
Тонкие ферромагнитные перемычки по осям главных полюсов не оказывают влияния на магнитный поток магнита так как он замыкается не через них, а через перемычки сердечника статора по осям дополнительных полюсов, имеющие максимальное сечение. Более того, распределенный поток постоянного магнита создает в спинке статора переменного сечения равномерное насыщение, повышая использование стали. Намагничивающая сила обмотки якоря действует по оси щеток, и ее вектор сдвинут по отношению к вектору намагничивающей силы постоянного магнита под углом 90 электрических градусов, если щетки расположены на геометрической нейтрали. Поток реакции якоря проходит не через магнит, имеющий низкую магнитную проницаемость, близкую к магнитной проницаемости воздуха, а через тонкую ферромагнитную перемычку по оси главного полюса и насыщает ее. Создается большое магнитное сопротивление, и поток реакции якоря ослабляется. Следовательно, облегчается процесс коммутации.
Данное техническое решение позволяет повысить мощность магнитоэлектрической машины по сравнению с прототипом из-за облегчения коммутации, повышения объема магнита и его энергии в машине за счет использования части объема сердечника статора, или переходить на меньшие габариты при той же мощности. Если в аналоге технический результат достигается только изменением магнитных сопротивлений разных участков сердечника путем внешнего усечения сердечника статора, не затрагивая обмотку возбуждения, то в предлагаемой конструкции - путем внутренних (возможно, и внешних) усечений сердечника статора и одновременном повышении объема магнита.
Ослабление потока реакции якоря при одновременном увеличении объема магнита, его энергии и намагничивающей силы значительно снижает размагничивающее действие на постоянный магнит поперечной реакции якоря.
Так как толщина магнита в предлагаемом техническом решении возрастает при перемещении от краев магнита к его середине (оси главного полюса), то соответственно возрастает и намагничивающая сила. Следовательно, форма магнитного поля в зазоре приближается к синусоидальной по сравнению с прямоугольной формой поля для магнитов в виде сегментов кольца.
Применение магнитов пятиугольной формы и фиксация их в треугольных выемках на внутренней поверхности сердечника статора обеспечивает повышенную точность позиционирования магнитов, конструктивное препятствие тангенциальному сдвигу и увеличенную площадь крепления, так как периметр многоугольника всегда больше длины вписанной в него окружности.
Технологически треугольные выемки могут формироваться фрезерованием на внутренней цилиндрической поверхности сплошного сердечника статора или штамповкой листов прессами соответствующей формы для шихтованных сердечников. Пятиугольный вид магнитов может быть получен при спекании магнитной смеси в требуемых формах или путем механической обработки.
В качестве примера рассмотрена магнитоэлектрическая машина с предлагаемым статором (фиг. 1), разработанная на базе машины 4П80. Конструкция якоря сохранена без изменений. Коэффициент полюсного перекрытия принят равным 0,7. Магнит традиционной формы в виде сегмента кольца имеет толщину, соответствующую высоте паза статора и равную 16,2 мм. Толщина перемычки сердечника статора по оси дополнительного полюса принята равной толщине спинки сердечника для машины 4П80 - 7,3 мм, а по оси главного полюса задана равной 1,2 мм. Толщина магнита предлагаемой формы возрастает от 16,2 мм на краю полюса до 22 мм по оси полюса, что обеспечивает более синусоидальную форму магнитного поля. Площадь крепления пятиугольного магнита по сравнению с магнитом в виде сегмента кольца возрастает на 4,7%, а объем магнита - на 15,7%. При этом напряжение тангенциального сдвига из-за упора в угол сердечника даже снижается на 15%.
Таким образом, в данном техническом решении получен эффект, известный ранее, но который невозможно осуществить известными ранее методами и который выше суммы эффектов применяемых ранее решений. Это позволяет говорить о "существенных отличиях" в данном решении. Этот эффект приводит к улучшению коммутации, снижению размагничивания постоянного магнита потоками реакции якоря, приближению формы магнитного поля в зазоре к синусоидальной, точному позиционированию магнитов на статоре, более надежному креплению магнитов из-за увеличенной площади крепления магнита и конструктивного препятствования тангенциальному сдвигу, повышению объема магнита в машине и как следствие увеличению его энергии, то есть повышению использования внутреннего объема машины, что говорит о "полезности" данного решения и промышленной применимости.
Использование: в качестве электропривода. Статор содержит сердечник, внешняя поверхность которого выполнена в виде окружности. Радиально намагниченные постоянные магниты образуют главные полюса. В поперечном сечении они имеют форму криволинейных пятиугольников и зафиксированы в треугольных выемках, по числу полюсов, выполненных на цилиндрической внутренней поверхности сердечника статора. При этом внешняя и внутренняя поверхности сердечника статора не пересекаются и формируют по осям главных полюсов перемычки тоньше, чем перемычки по осям дополнительных полюсов, а внутренняя поверхность статора в поперечном сечении образует окружность. Технический результат заключается в улучшении коммутации, приближении формы магнитного поля в зазоре к синусоидальной, снижении размагничивания постоянного магнита потоками реакции якоря, точном позиционировании магнитов на статоре, более надежном креплении магнитов путем увеличения площади крепления магнита и конструктивного препятствования тангенциальному сдвигу, повышении объема магнита в машине, увеличении его энергии, то есть повышении использования внутреннего объема машины. 2 ил.
Статор магнитоэлектрической машины постоянного тока, содержащий сердечник, внешняя поверхность которого в поперечном сечении выполнена в виде окружности или правильного многоугольника с числом сторон, кратным числу полюсов, и радиально намагниченные постоянные магниты, образующие главные полюса, отличающийся тем, что в поперечном сечении постоянные магниты имеют форму криволинейных пятиугольников и зафиксированы в треугольных выемках по числу полюсов машины, выполненных на внутренней цилиндрической поверхности сердечника статора по осям главных полюсов, проходящих через вершины выемок, при этом внешняя и внутренняя поверхности сердечника статора формируют по осям главных полюсов перемычки тоньше, чем перемычки по осям дополнительных полюсов, а внутренняя поверхность статора в поперечном сечении образует окружность.
