СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ Российский патент 1999 года по МПК H02K1/14 H02K3/18 H02K21/14 H02K41/03 H02K3/24 

Изобретение касается синхронного электрического двигателя с постоянными магнитами.

На настоящий момент известны синхронные электрические двигатели, пример которых схематически представлен на приведенных в заявке фиг. 1, 1А, 2 и 3.

Фиг.1 представляет собой схематический вид в частичном разрезе линейного синхронного электрического двигателя, построенного в соответствии с существующим уровнем техники. Здесь индуктивная цепь 60 представляет собой статор, образованный пакетом листов, изготовленных из ферромагнитного материала, где можно видеть ярмо 1 и зубцы 10, располагающиеся равномерно с некоторым постоянным зубцовым шагом τ_n.
Упомянутая индуктивная цепь 60 содержит также множество пазов 2, разделяющих упомянутые зубцы 10. В эти пазы 2 укладываются обмотки катушек 4, причем эти обмотки электрически изолированы от ярма 1 и от зубцов 10 при помощи специальных электроизоляционных листов 3.

В синхронном электрическом двигателе этого типа головки зубцов 10 заканчиваются расширением или башмаком 10', который предназначен для формирования отверстия 6 входа в паз, имеющего уменьшенную ширину по соображениям, которые будут пояснены ниже. Упомянутые обмотки 4 обычно наматываются произвольно, без строгого порядка укладки проводов, либо на специальной намоточной машине, либо вручную вводятся в пазы 2 через входное отверстие 6. Для удержания обмоток в пазах 2 устанавливаются фиксаторы 5, которые опираются на зубцовые башмаки 10'.

На фиг. 1 показан также индуктор 61 двигателя, причем в выбранном здесь примере этот индуктор 61 представляет собой подвижную часть этого двигателя, перемещающуюся линейно вдоль оси У. Этот индуктор 61 содержит главным образом множество постоянных магнитов 8 в форме прямоугольных параллелепипедов, располагающихся равномерно с полюсным шагом τ_p на пластине 9 возврата магнитного потока, изготовленной из ферромагнитного материала. Индуктивная система 60 и индуктор 61 разделены воздушным зазором 7.

На фиг. 2 схематически представлено распределение нормальной составляющей магнитной индукции В, выраженной в Тесла (Т) и показанной здесь на протяжении двух полюсных шагов τ_p. Следует отметить, что эта магнитная индукция В представляет собой индукцию, создаваемую только постоянными магнитами 8 индуктора 61 в зубцах 10 статора 60 в плоскости сечения фиг.1 независимо от того, запитаны обмотки 4 электрическим током или нет. На фиг. 2 видно, что входные отверстия 6 пазов 2 вызывают возмущения 15 и 16, хорошо видимые на графике магнитной индукции В. Эти входные отверстия шириной bn определяют явление, хорошо известное в электрических двигателях с постоянными магнитами и называемое явлением магнитного сопротивления. Это явление приводит к созданию некоторой паразитной силы или силы магнитного сопротивления Fr, которая направлена вдоль оси Y и которая нарушает нормальное функционирование двигателя. Изменение этой силы Fr представлено схематически диаграммой на фиг. 3.

Диаграмма на фиг.3 построена для двигателя, имеющего величину зубцового шаг τ_n = 12 мм, величину полюсного шага τ_p = 16 мм и величину входного отверстия паза bn = 1,5 мм, причем отношение bn/τ_n составляет, таким образом, 0,125. Полюсный шаг отложен на оси абсцисс и сила магнитного сопротивления Fr отложена на оси ординат, причем величина полюсного шага τ_p выражена в миллиметрах, а величина силы Fr выражена в Ньютонах. Кривая 17 на диаграмме фиг. 3 отражает конфигурацию силы магнитного сопротивления Fr, которая будет возникать в том случае, если данный ротор имеет всего один паз. Эта кривая характеризуется двумя неустойчивыми точками 22 и 22' малой крутизны и устойчивой точкой 21 с высокой крутизной. В точках 22 и 22' входное отверстие 6 паза находится посередине постоянного магнита 8 (-τ_p)² и τ_p(2), тогда как в точке 21 это входное отверстие располагается между двумя магнитами 8. В том случае, если индуктор 61 оказывается расположенным, например, между отметками 0 и 3,2, он перемещается вправо с тем, чтобы стабилизироваться в точке 21, развивая движущую силу (наклон 19). Напротив того, если данный индуктор 61 оказывается расположенным между отметками 16 и 12,8, он будет перемещаться к той же точке 21, развивая силу торможения (наклон 20).

Кривая 18 диаграммы на фиг.3 отражает изменение полной силы магнитного сопротивления Fr, возникающей на одном полюсном шаге τ_p в том случае, когда данный статор 60 имеет 8 пазов. Здесь паразитная сила магнитного сопротивления содержит чередование восьми паразитных пиков, которые возмущают нормальное функционирование данного двигателя, причем эти силы имеют величину порядка 16 Ньютонов. Таким образом, понятно, что если не принять специальных предохранительных мер против этого явления, данный электрический двигатель может оказаться непригодным для использования, и сила магнитного сопротивления может превысить максимальную силу, которую может развить данный двигатель, когда он запитан электрическим током.

Из публикации DE 24 90 91 известен электрический генератор с вращающимся колесом, ротор которого имеет зубцы постоянного сечения, охваченные катушками. Вращающийся индуктор имеет на своей периферии постоянные магниты, которые, вращаясь, индуцируют переменный магнитный поток в упомянутых зубцах и электрический ток в упомянутых катушках. Для закрытия пазов, имеющихся между зубцами, предусмотрены специальные пластины из листового материала. Такие пластины обычно изготавливаются из магнитных материалов с малым магнитным сопротивлением и обеспечивают закрытие пазов и уменьшение таким образом эффекта магнитного сопротивления. Однако установка этих пластин из листового материала усложняет конструкцию ротора, не обеспечивая при этом значительного ослабления эффекта магнитного сопротивления такого генератора. В том случае, когда эти пластины, закрывающие пазы, были изготовлены из материала с высоким магнитным сопротивлением, эффект магнитного сопротивления такого генератора оказывался огромным, как и в случае, когда упомянутые пластины из листового материала не предусматриваются, притом, что эффекты магнитного сопротивления, связанные с пазами, суммируются, и полюсный шаг между постоянными магнитами равен зубцовому шагу между зубцами ротора. В данном случае речь идет о генераторе однофазного электрического тока, который не может быть использован в качестве синхронного двигателя.

Для устранения или значительного ослабления эффекта магнитного сопротивления широкое распространение получил технический прием, который состоит в смещении друг относительно друга листов, образующих статор 60, таким образом, чтобы в сечении типа, показанного на фиг.1А, продольные оси зубцов 10 и пазов 2, показанные штрихпунктирными линиями, образовывали некоторый угол, отличный от 90^o, с направлением У перемещения индуктора 61, не показанного на этой фиг.1А, по отношению к статору 60.

Здесь следует отметить, что на фиг.1А, которая представляет собой схематический вид в разрезе по линии А-А, показанной на фиг.1, обмотки 4 и электроизоляционные листы 3, которые располагаются в пазах 2, не показаны, а также не прорисованы отдельно листы из магнитного материала, образующие статор 60.

Этот технический прием, состоящий в относительном смещении листов, образующих статор 60, создает некоторые дополнительные трудности, усложняя технологическую оснастку при изготовлении таких двигателей и делая более затруднительным введение обмоток 4 в пазы 2.

Другой технический прием, который может быть скомбинирован с уже описанным выше техническим приемом, состоит в расположении постоянных магнитов 8 косо, то есть таким образом, чтобы их кромки, параллельные плоскости пластины 9, образовывали соответственно углы, отличные от 0^o и от 90^o с направлением У перемещения индуктора 61 по отношению к статору 60. Этот технический прием также несколько усложняет изготовление двигателей.

В любом случае в дополнение к упомянутым выше техническим приемам проявляется стремление придать входным отверстиям 6 пазов ротора минимально возможную ширину bn, следствием чего является усложнение операции намотки катушек, поскольку из-за очень малой ширины входного отверстия паза ротора обмотки перед их монтажом должны быть расположены вперемешку для того, чтобы обеспечить возможность их введения в паз 2 через его входное отверстие 6. Следствием такого монтажа вперемешку является то обстоятельство, что провода, образующие обмотки 4, располагаются в пазах весьма неравномерно, в результате чего коэффициент заполнения этих пазов 2 оказывается достаточно низким (порядка 30%), а тепловое сопротивление между этими обмотками 4 и ярмом 1 оказывается достаточно большим.

Задачей изобретения является устранение отмеченных недостатков благодаря устранению эффекта магнитного сопротивления с одновременным упрощением конструкции и сборки двигателя.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном синхронном электрическом двигателе, содержащем индуктивную цепь, образованную ярмом и множеством зубцов, закрепленных на этом ярме и формирующих между собой пазы, множество катушек, располагающихся в пазах таким образом, чтобы каждая из этих катушек охватывала, по меньшей мере, один из зубцов, индуктор, располагающийся напротив упомянутой индуктивной цепи и содержащий множество постоянных магнитов, располагающихся на пластине возврата магнитного потока, причем множество зубцов располагается равномерно с постоянным зубцовым шагом (τ_n) и упомянутое множество постоянных магнитов также располагается равномерно с определенным полюсным шагом (τ_p), и каждый из зубцов формирует на своем свободном конце головку, имеющую первую ширину (bd), а каждый из упомянутых пазов имеет вторую ширину (bn) на уровне головок зубцов, причем сумма первой ширины и второй ширины определяет зубцовый шаг, предусматривают, чтобы полюсный шаг отличался от зубцового шага, а отношение второй ширины (bn) к зубцовому шагу (τ_n) имело величину от 0,40 до 0,55.

Желательно, чтобы каждый из зубцов имел две практически параллельных боковых стороны таким образом, чтобы поперечное сечение этих зубцов было практически постоянным по всей их высоте.

Желательно также, чтобы каждая катушка охватывала только один из зубцов и занимала по существу весь объем двух пазов, примыкающих к данному зубцу, который эта катушка охватывает, причем только один из двух зубцов оказался охваченным одной из катушек.

При этом каждый из зубцов охвачен одной из катушек и две соседние катушки занимают вместе по существу весь объем паза, разделяющего те из зубцов, которые охватывают данные катушки.

Предпочтительно, чтобы в зубцах и пазах первая ширина (bd) и вторая ширина (bn) были бы по существу равны между собой.

Синхронный электрический двигатель может дополнительно содержать средства охлаждения, содержащие множество трубок, располагающихся каждая в одном из пазов между ярмом и соответствующей катушкой, лежащей в данном пазу, причем трубки связаны между собой с образованием змеевика, обеспечивающего возможность циркуляции охлаждающей жидкости.

Средства охлаждения содержат дополнительно множество листов теплопередачи, причем каждый из этих листов теплопередачи располагается в одном из пазов, охватывая, по меньшей мере, частично трубку, располагающуюся в этом пазу и установленную, кроме того, между одним из зубцов, ограничивающим данный паз, и катушкой, размещенной в этом пазу.

В качестве синхронного электрического двигателя целесообразно применять линейный двигатель.

Возможно также, что синхронный электрический двигатель представлял собой вращающийся двигатель, имеющий статор, образованный индуктивной цепью, и ротор, образованный индуктором.

B данном двигателе индуктивная цепь может содержать четное число зубцов, каждый из которых охвачен одной из катушек, причем один из двух соседних зубцов охвачен катушкой, по меньшей мере, по существу прямоугольного сечения, а другой зубец охвачен катушкой, по меньшей мере, по существу трапецеидального сечения.

Поставленная задача решается также благодаря тому, что в известном способе изготовления и установки катушек, которыми оснащается вышеописанный вращающийся синхронный электрический двигатель, производят намотку плотно прижатых друг к другу витков провода, образующих каждую из катушек прямоугольного сечения, на независимый шаблон с прямоугольным сердечником, поперечное сечение которого по существу равно поперечному сечению каждого из зубцов, для получения заранее изготовленной и компактной катушки, производят намотку плотно прижатых друг к другу витков провода, образующих каждую из катушек трапецеидального сечения, на независимый шаблон с прямоугольным сердечником, поперечное сечение которого по существу равно поперечному сечению каждого из зубцов, для получения предварительно сформированной и компактной катушки, производят установку каждой из катушек трапецеидального сечения на один из зубцов, оставляя свободным каждый второй зубец, производят установку каждой из катушек прямоугольного сечения на один из зубцов, оставшихся свободным после установки трапецеидальных катушек.

Другие характеристики, отличительные признаки и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше понятны из приведенного ниже описания нескольких примеров его практической реализации, не являющихся ограничивающими, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых:
- фиг.1 представляет собой схематический вид в частичном разрезе линейного синхронного электрического двигателя в соответствии с существующим уровнем техники в данной области, уже описанного во вступительной части данного описания;
- фиг. 1А представляет собой схематический вид в частичном разрезе линейного синхронного электрического двигателя, показанного на фиг. 1, причем разрез выполнен по оси А-А, также показанной на фиг. 1;
- фиг. 2 демонстрирует характер изменения магнитной индукции В синхронного электрического двигателя, схематически представленного на фиг. 1;
- фиг. 3 представляет собой диаграмму, показывающую изменения силы магнитного сопротивления, создаваемой, с одной стороны, одним единственным пазом двигателя, схематически показанного на фиг. 1, а с другой стороны, восемью пазами того же самого линейного синхронного двигателя;
- фиг. 4 представляет собой схематический вид в частичном разрезе линейного синхронного электрического двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением согласно первому способу его практической реализации;
- фиг. 4А представляет собой схематический вид в частичном разрезе линейного синхронного электрического двигателя по линии А-А, показанной на фиг. 4;
- фиг. 5 демонстрирует кривую магнитной индукции В линейного синхронного электрического двигателя в соответствии с первым способом реализации предлагаемого изобретения, представленным на фиг. 4;
- фиг. 6 представляет собой диаграмму, демонстрирующую изменения силы магнитного сопротивления, создаваемой, с одной стороны, одним единственным пазом двигателя, показанного на фиг. 4, а с другой стороны, восемью пазами того же самого двигателя;
- фиг. 7 представляет собой диаграмму, демонстрирующую изменения силы магнитного сопротивления синхронного линейного электрического двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением в зависимости от соотношения между шириной паза и величиной зубцового шага в данном двигателе;
- фиг. 8 и 9 представляют собой схематические иллюстрации двух способов выполнения обмотки синхронного электрического двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг. 10 представляет собой схематический вид в частичном разрезе ротора синхронного электрического двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением согласно второму возможному способу его практической реализации;
- фиг. 11 и 12 представляют собой схематические виды третьего возможного способа практической реализации синхронного электрического двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением, причем фиг. 11 представляет вид этого двигателя в разрезе, а фиг. 12 представляет схематический перспективный вид;
- фиг. 13 и 14 представляют собой схематические виды четвертого возможного способа реализации синхронного электрического двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением, причем фиг. 13 представляет вид этого двигателя в разрезе, а фиг. 14 представляет схематический перспективный вид;
- фиг. 15 представляет собой схематический вид в частичном разрезе вращающегося синхронного электрического двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением.

На фиг. 4 в частичном разрезе представлен схематический вид линейного синхронного электрического двигателя, выполненного в соответствии с предлагаемым изобретением и согласно первому способу его практической реализации. Как и в случае линейного синхронного электрического двигателя в соответствии с существующим уровнем техники в данной области, описанного выше со ссылками на фиг. 1, этот линейный синхронный электрический двигатель содержит выступающую в роли статора индуктивную цепь 60, образованную пакетом листов и содержащую ярмо 1 и множество зубцов 25, имеющих первый конец, соединенный с упомянутым ярмом 1, и второй конец, противоположный упомянутому первому концу и образующий головку зубца 62.

Эти зубцы 25 располагаются равномерно с некоторым постоянным зубцовым шагом τ_n. Каждый зубец 25 отделен от соседнего зубца пазом 2, в котором размещается, например, обмотка 26 катушки типа тех катушек, которые обозначены на фиг. 8 позицией 30. Высота упомянутых зубцов 25, то есть расстояние, которое разделяет их первый и второй концы, обозначена на фиг. 4 позицией Н.

Упомянутый синхронный линейный электрический двигатель содержит также индуктор 61, располагающийся напротив головок зубцов 62, причем этот индуктор 61 снабжен множеством постоянных магнитов 8 в форме прямоугольных параллелепипедов, располагающихся равномерно с полюсным шагом τ_p на плоской пластине 9 возврата магнитного потока, изготовленной из ферромагнитного материала. Упомянутый индуктор 61 и упомянутый статор 60 отделены друг от друга воздушным зазором 7.

В соответствии с предлагаемым изобретением упомянутые зубцы 25 имеют постоянное поперечное сечение по всей своей высоте Н. Действительно, в данном случае можно видеть, что боковые поверхности зубцов 25 являются параллельными и что их головки 62 не имеют никаких выраженных башмаков, как это имеет место в случае двигателя в соответствии с существующим уровнем техники, схематически представленного на фиг. 1 /эти башмаки обозначены на фиг. 1 позицией 10'/.

Таким образом, в данном случае пазы статора являются полностью "открытыми" со стороны индуктора в отличие от пазов статора двигателя в соответствии с существующим уровнем техники, которые являются "полузакрытыми". Кроме того, ширина bn пазов 2 примерно равна ширине bd головок зубцов 62. Другими словами, поскольку сумма ширины bd и ширины bn равна зубцовому шагу τ_n, отношение bn/τ_n примерно равно 0,5. Здесь выражение "примерно равно" означает, что при небольшом отклонении от центральной величины, равной 0,5, характеристики двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением еще остаются удовлетворительными. По результатам проведенных испытаний этого типа двигателя установлено, что величина упомянутого выше отношения может лежать в диапазоне примерно от 0,40 до 0,55.

Если обратиться теперь к кривой изменения магнитной индукции В, соответствующей двигателю, схематически показанному на фиг. 4, то на фиг. 5 можно видеть, что эта кривая сильно возмущена /см. поз. 27 и 28/, и возмущена значительно сильнее, чем кривая изменения магнитной индукции, показанная на фиг. 2 для двигателя в соответствии с существующим уровнем техники. Логически это обстоятельство должно привести к огромному эффекту магнитного сопротивления, делающему данный двигатель полностью непригодным для использования. Однако в данном случае установлено, что если эффект магнитного сопротивления, производимый одним пазом /например, в том случае, если данный ротор имеет всего один паз/, действительно оказывается весьма большим, то эффект магнитного сопротивления, производимый несколькими следующими друг за другом пазами, оказывается уменьшенным до величины, существенно меньшей, чем соответствующая величина, выявленная на двигателе согласно уровню техники.

Это явление наглядно иллюстрируется диаграммой, приведенной на фиг. 6. Эта диаграмма построена для двигателя, имеющего зубцовый шаг τ_n = 12 мм и полюсный шаг τ_p = 16 мм /эти величины идентичны аналогичным величинам для описанного выше известного двигателя/. Однако отверстие bn паза имеет здесь величину 6,3 мм и отношение bn/τ_n, таким образом, имеет величину 0,525.

На диаграмме, представленной на фиг. 6, полюсный шаг τ_p в миллиметрах отложен по оси абсцисс, а сила магнитного сопротивления в Ньютонах отложена по оси ординат. Кривая 35 на упомянутой диаграмме показывает характер изменения силы магнитного сопротивления, которое будет иметь место в том случае, если статор 60 имеет всего лишь один паз, или показывает элементарную силу магнитного сопротивления. Эта кривая также имеет две нестабильных точки 33 и 33', а также одну стабильную точку 34.

Эта элементарная сила магнитного сопротивления имеет значительную амплитуду, превышающую 60 H, что можно было предвидеть. Однако, ход кривой 35 приближается к синусоидальной форме, что может быть объяснено приблизительным равенством ширины паза и ширины головки зубца 62. Очевидно, что каждый из пазов 2 двигателя, схематически представленного на фиг. 4, создает элементарную силу магнитного сопротивления, ход изменения которой подобен ходу кривой 35, показанной на фиг. 6, и кривые, представляющие эти элементарные силы магнитного сопротивления, которые не показаны на фиг. 6, смещены друг относительно друга на некоторую величину в направлении оси Y.

Полная сила магнитного сопротивления, действующая в двигателе, схематически представленном на фиг. 4, очевидно равна сумме упомянутых выше элементарных сил магнитного сопротивления. Поскольку каждая из этих элементарных сил имеет вид, близкий к синусоиде, их сумма оказывается весьма незначительной. Таким образом, кривая 36 на фиг. 6 представляет полную силу магнитного сопротивления, действующую в двигателе, схематически представленном на фиг. 4 и имеющем восемь пазов 2 и шесть постоянных магнитов 8.

Эта кривая 36 показывает, что в данном случае полная сила магнитного сопротивления составляет примерно 1 H, тогда как для двигателя, рассмотренного в преамбуле настоящего описания типа, но с "полузакрытыми" пазами, эта полная сила магнитного сопротивления имела величину порядка 16 Н. Таким образом, здесь проявляются существенные преимущества, обеспечиваемые двигателем в соответствии с предлагаемым изобретением, который отличается, как уже было сказано выше, тем, что он имеет открытые пазы, ширина которых примерно равна ширине зубцов, причем эти зубцы, кроме того, имеют постоянное поперечное сечение по всей их высоте. Диаграмма, представленная на фиг. 7, фактически подводит итог всему, что было сказано выше. Эта диаграмма построена для двигателя, имеющего то же соотношение между полюсным шагом и зубцовым шагом, составляющими, например, соответственно 16 мм и 12 мм. По оси абсцисс отложена величина отношения bn/τ_n при выдерживании постоянной величины зубцового шага τ_n. Говоря другими словами, величина упомянутого отношения изменяется за счет увеличения ширины паза bn по отношению к постоянной величине зубцового шага.

Характеристики двигателей, построенных в соответствии с существующим уровнем техники в данной области, оказываются расположенными в зоне 41, где полная сила магнитного сопротивления Fr возрастает /часть 40 кривой/ при возрастании величины отношения bn/τ_n. В соответствии с концепцией, обычно принимаемой специалистами в данной области техники, эта полная сила магнитного сопротивления может только продолжать расти /часть 42 упомянутой кривой/ при дальнейшем увеличении ширины паза bn. Однако автор предлагаемого изобретения убедился в том, что величина этой силы проходит через некоторый максимум, после чего начинает уменьшаться /часть 43 упомянутой кривой/ и достигает некоторого минимума в зоне 45, где ширина паза примерно равна половине величины зубцового шага и где располагаются характеристики двигателей в соответствии с предлагаемым изобретением. Начиная с этой зоны 45, величина полной силы магнитного сопротивления снова начинает возрастать, как это отражено частью 46 упомянутой кривой.

Итак, упомянутая зона 41 представляет собой зону двигателей с полузакрытыми пазами, существующих на данном уровне техники, тогда как упомянутая зона 45 представляет собой зону двигателей с открытыми пазами, представляющих собой объект предлагаемого изобретения.

Ясно, что снижение эффекта магнитного сопротивления будет тем большим, чем больше число пазов в данном двигателе. И если во вращающихся двигателях средних и больших размеров /от 0,1 до 1 м и более/ легко можно выполнить достаточно большое количество пазов, позволяющее существенным образом снизить эффект магнитного сопротивления, то это гораздо труднее сделать для линейных двигателей, длина которых составляет обычно от 0,1 до 0,5 м и которые, таким образом, могут иметь относительно небольшое количество пазов.

В случае использования такого линейного двигателя можно воспользоваться входным и выходным зубцами статора, каждый из которых обычно снабжен скошенной кромкой для еще большего снижения полной силы магнитного сопротивления. Определение размерных параметров входного и выходного зубцов статора уже обсуждалось в специальной литературе. Заинтересованный читатель может обратиться, например, к диссертации Николя ВАВР N 219, озаглавленной: "Трехмерное гармоническое исследование линейных асинхронных двигателей с любыми многофазными обмотками", Лозанна EPFL, 1975 г.

Действительно, размерные параметры концевых зубцов статора, а также угол их скошенных кромок выбираются таким образом, чтобы обеспечить силу магнитного сопротивления, сопоставимую по форме и по амплитуде с силами магнитного сопротивления, связанными с пазами, но противоположную по знаку. Таким образом, можно существенно уменьшить полный эффект магнитного сопротивления. Относительно небольшое число пазов статора в линейных двигателях по сравнению с вращающимися двигателями компенсируется, таким образом, путем разумного использования концевых эффектов, делая применение открытых пазов еще более выгодным для линейных двигателей, чем для вращающихся двигателей.

Поскольку эффект магнитного сопротивления оказывается значительно меньшим в двигателях в соответствии с предлагаемым изобретением, чем в двигателях в соответствии с существующим уровнем техники, отпадает необходимость компенсировать его при помощи специальных приемов типа тех, которые уже были описаны выше. Так, в двигателе согласно изобретению листы, образующие статор 60, могут быть выровнены друг относительно друга таким образом, чтобы в сечении типа, показанного на фиг. 4А, продольные оси зубцов 10 и пазов 2, показанные штрихпунктирной линией, были перпендикулярны направлению У перемещения индуктора 61, не представленного на этой фиг. 4А, по отношению к статору 60. При этом обеспечивается существенное упрощение технологической оснастки, используемой для сборки листов, образующих статор 60.

Здесь необходимо отметить, что на фиг. 4А, которая представляет собой схематический вид в разрезе, выполненном по оси А-А, показанной на фиг. 4, обмотки 26 не показаны, и что листы, образующие статор 60, не прорисованы отдельно.

Кроме того, постоянные магниты 8 могут быть расположены таким образом, чтобы их кромки, параллельные плоскости пластины 9, были соответственно параллельны и перпендикулярны упомянутому направлению перемещения У. Такое расположение постоянных магнитов приводит к упрощению технологической оснастки, используемой для сборки постоянных магнитов 8 на пластине 9.

В дополнение к выгоде получения весьма малой величины полной силы магнитного сопротивления то обстоятельство, что зубцы 25 двигателя согласно изобретению имеют постоянное поперечное сечение по всей своей высоте H и не образуют никаких зубцовых башмаков типа зубцовых башмаков 10' двигателя согласно уровню техники, схематически представленного на фиг. 1, обеспечивает еще немаловажное преимущество, которое состоит в возможности выполнения упорядоченной и компактной намотки витков провода, образующего катушки, причем эти витки в этом случае могут плотно прилегать друг к другу, как это схематически показано на фиг. 4. Такая возможность позволяет достигнуть коэффициента заполнения пазов 2, по меньшей мере равного и даже превышающего 60%, что, с одной стороны, повышает коэффициент полезного действия данного двигателя, а с другой стороны, позволяет более эффективно отводить выделяемое этими обмотками тепло.

В двигателе согласно изобретению каждая катушка охватывает только один зубец также с целью повысить коэффициент полезного действия, поскольку таким образом уменьшается длина головок катушки, что снижает потери в меди.

Поскольку зубцы 25 имеют постоянное поперечное сечение по всей своей высоте H, пазы 2 оказываются полностью открытыми, что позволяет вводить в них предварительно сформированные катушки. Для изготовления этих катушек производится намотка плотно прилегающих друг к другу витков проволоки на независимый габарит с прямоугольным сердечником, поперечное сечение которого равно поперечному сечению данного зубца 25. Используемый в этом случае провод обычно покрыт специальным клеем, который полимеризуется в горячем состоянии.

После завершения намотки данной катушки по проводу пропускается электрический ток для его нагрева и склеивания витков друг с другом. Уплотненная таким образом катушка может быть снята с габарита или шаблона, а затем введена в форме единого блока на зубец 25 данного статора.

На каждый из фиг. 8 и 9 схематически представлен ротор 60 линейного синхронного электрического двигателя согласно изобретению. В статоре 60, показанном на фиг. 8, каждая катушка 30 охватывает один зубец 25 и занимает практически весь объем двух пазов 2, примыкающих к данному зубцу, который эта катушка охватывает. Очевидно, что в этом случае только один зубец 25 из двух охвачен некоторой катушкой 30.

В статоре 60, схематически показанном на фиг. 9, каждая катушка 31 также охватывает только один зубец 25, но каждый из зубцов 25 охвачен той или иной катушкой 31. Очевидно, что в этом случае две соседние катушки вместе занимают практически весь объем паза 2, который отделяет друг от друга два зубца 25, которые эти катушки охватывают.

Приведенные в приложении фиг. 10, 11, 12, 13 и 14 специально относятся к способу электрической изоляции обмоток 26 от статора 60 и к способу отвода тепла, выделяемого этими обмотками 26 в процессе функционирования данного двигателя.

На фиг. 10 схематически представлен статор 60, оснащенный обмотками 26, введенными в пазы 2 при помощи описанного выше способа. На этой фиг. 10 видно, что на дне паза 2 между ярмом 1 и обмоткой 26 располагается трубка 11, в которой циркулирует охлаждающая жидкость 50. Такая система охлаждения позволяет быстро отвести наружу тепло, которое выделяется при прохождении электрического тока по обмоткам 26. Здесь следует отметить, что поскольку упомянутые пазы 2 являются прямыми и открытыми, упомянутые трубки 11 могут быть подготовлены заранее с изгибами на концах /не показанными на фиг. 10/, придающими этим трубкам форму змеевика. Если бы такая форма охладителя была применена к двигателю согласно уровню техники /схематически представленному на фиг. 1/ трубки 11 должны были бы соединяться между собой после их введения в пазы 2, поскольку узкие входные отверстия 6 не обеспечивают возможности прохождения трубок 11, что существенно усложняет монтаж двигателя.

На фиг. 10 показан также электроизоляционный лист 3, располагающийся между обмоткой 26 и зубцом 25. Этот электроизоляционный лист легко может быть введен в паз 2, поскольку этот паз является открытым.

На фиг. 11 схематически представлена конструкция, весьма близкая к конструкции, показанной на фиг. 10, где можно видеть трубку охлаждения 11 и электроизоляционный лист 3. В дополнение к этому на фиг. 11 видно, что упомянутая охлаждающая трубка 11 по меньшей мере частично охвачена листом 12, схематически представленным в перспективе на фиг. 12, причем этот лист, кроме того, уложен между зубцом 25 и обмоткой 26 и проходит вплоть до головки 62 зубца 25. Этот лист 12 служит средством передачи тепла между обмоткой 26 и трубкой охлаждения 11 и изготавливается из материала, обладающего хорошей теплопроводностью, такого, например, как медь, алюминий или композиционный материал, например, композиционный материал на основе волокон углерода. Если упомянутый лист изготовлен из алюминия, то его поверхность может быть оксидирована, что позволяет отказаться от использования специального электроизоляционного листа 3 и вследствие этого в еще большей степени уменьшить тепловое сопротивление данной системы.

Однако следует отметить, что если упомянутый теплопроводящий лист 12 изготовлен из металла, то есть из материала, обладающего электрической проводимостью, он будет средоточием токов Фуко, вызываемых магнитным потоком рассеяния пазов 2. Для всех синхронных электрических двигателей, пазы которых могут быть относительно глубокими, индуктивность рассеяния паза может в этом случае становиться основной индуктивностью, что обычно является недостатком. Одним из средств уменьшения индуктивности рассеяния паза определенно является использование листа тепловой передачи 12 также и в качестве экрана против магнитного потока рассеяния паза. Если такое экранирование становится слишком существенным, его влияние можно откорректировать, выполняя специальные пазы 13 в упомянутом листе, как это схематически показано на фиг. 12. Эти пазы в листовых материалах, используемых в электрических двигателях, уменьшают интенсивность токов Фуко. Большое число таких пазов позволяет практически полностью ликвидировать эти токи Фуко без существенного снижения способности к теплопередаче. Следует отметить, что для изготовления упомянутого листа 12 можно использовать металлические сплавы, обладающие свойствами, обеспечивающими удовлетворительный компромисс между их теплопроводностью и их электрической проводимостью.

На фиг. 13 и 14 схематически представлен вариант реализации технического решения, представленного ранее на фиг. 11 и 12. Система охлаждения 14, показанная на фиг. 13 и 14, сочетает в единой детали упомянутый теплопроводный лист 12 и трубку охлаждения 11, показанные на фиг. 11 и 12. Эта система охлаждения 14 может быть изготовлена, например, из специального алюминиевого профиля.

Приведенное выше описание конкретно касалось главным образом линейного синхронного электрического двигателя. Однако, вполне очевидно, что общие принципы предлагаемого изобретения также могут быть применены и к вращающемуся синхронному электрическому двигателю.

На фиг. 15 представлен частичный схематический вид синхронного вращающегося электрического двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением, ротор которого 50 представляет собой индуктор 61. Этот ротор 50 на фиг. 15 представлен весьма схематично лишь некоторой окружностью, символизирующей его периферийную часть, и его валом 55. Однако этот ротор, очевидно, содержит множество постоянных магнитов, подобных постоянным магнитам 8 линейного синхронного электрического двигателя, схематически показанного на фиг. 4, и располагающихся, как и упомянутые постоянные магниты 8, на пластине возврата магнитного потока, изготовленной из ферромагнитного материала.

Статор вращающегося синхронного электрического двигателя, схематически представленного на фиг. 15, образует свою индуктивную цепь 60 и содержит ярмо 1 и множество зубцов, идентичных друг другу и обозначенных попеременно позициями 51 и 51'. Эти зубцы 51 и 51' имеют первый конец, соединенный с ярмом 1, и второй конец, противоположный первому концу и образующий головку зубца 62, располагающуюся напротив ротора 50. В приведенном на фиг. 15 примере вращающийся синхронный электрический двигатель имеет 12 таких зубцов.

Упомянутые зубцы 51, 51' располагаются равномерно по окружности статора с постоянным зубцовым шагом τ_n и формируют собой пазы 2, в которых размещаются катушки 52 и 53. В соответствии с предлагаемым изобретением упомянутые зубцы 51 и 51' имеют постоянное поперечное сечение по всей их высоте H и их ширина bd практически равна ширине bn, которую упомянутые пазы 2 имеют на высоте головок зубцов 62. Другими словами, отношение bn/τ_n здесь также остается практически равным 0,5.

Эти характеристики придают вращающемуся синхронному электрическому двигателю, схематически представленному на фиг. 15, те же преимущества по сравнению с известными вращающимися синхронными электрическими двигателями, какие были описаны выше по отношению к линейным синхронным электрическим двигателям. В частности, полный момент магнитного сопротивления Cr, связанный с наличием пазов 2, имеет значительно меньшую величину в двигателе согласно изобретению, чем в известном двигателе подобного типа, как это непосредственно следует из фиг. 3, 6 и 7, которые действительны также и в данном случае и на которых этот момент сил магнитного сопротивления выражен в Ньютоно-метрах.

Здесь следует отметить, что если зубцы 51 и 51' имеют постоянное поперечное сечение, то в данном случае образуемые ими пазы будут отличаться от описанных выше пазов 2, поскольку эти пазы будут расширяться по мере их приближения к ярму 1, причем такая конфигурация будет тем более выраженной, чем меньше диаметр данного двигателя.

Таким образом, для того чтобы наиболее эффективно занять располагаемое внутреннее пространство паза, используя при этом высказанную выше идею предварительного изготовления заранее катушек обмотки на независимом шаблоне, подготавливается серия катушек прямоугольного поперечного сечения 52 и серия катушек трапецеидального сечения 53, которые наматываются на независимом шаблоне с прямоугольным сердечником, сечение которого приблизительно равно сечению зубцов 51, 51'. После снятия готовых катушек с упомянутых шаблонов сначала производится введение каждой из катушек трапецеидального сечения 53 на один из зубцов статора 60, оставляя при этом свободным один из двух этих зубцов. В приведенном на фиг. 15 схематическом примере эти катушки 53 надеваются на зубцы 51', причем зубцы 51 при этом остаются свободными. Затем каждая из катушек прямоугольного сечения 52 вводится на зубцы, оставшиеся свободными при введении катушек трапецеидального сечения 53, то есть на зубцы 51 в рассматриваемом здесь примере. Так удается наилучшим образом заполнить имеющееся внутреннее пространство пазов 2.

Свободное пространство 54, которое существует после установки катушек 52 и 53 в пазы 2, может быть использовано для размещения там системы охлаждения, например, одной из систем охлаждения, описанных выше со ссылками на фиг. 10 - 14. Однако, само собой разумеется, что для многих двигателей, в частности, для двигателей большого диаметра, будут использованы только катушки прямоугольного сечения.

Изобретение относится к синхронным электрическим двигателям. Синхронный электрический двигатель содержит индуктивную цепь (60), снабженную множеством зубцов (25), связанных с ярмом (1) и разделенных пазами (2), в которых располагаются обмотки (26). Индуктор (61), содержащий множество постоянных магнитов (8), закрепленных на пластине (9), отделен от индуктивной цепи воздушным зазором (7). Размерные параметры данного двигателя определяются таким образом, чтобы зубцы (25) индуктивной цепи (60) имели постоянное поперечное сечение по всей своей высоте и чтобы ширина пазов (2) на уровне головок (62) упомянутых зубцов была практически равна ширине этих головок зубцов с тем, чтобы минимизировать паразитный эффект магнитного сопротивления, связанный с упомянутыми пазами (2). Предлагаемый синхронный электрический двигатель может представлять собой линейный двигатель или вращающийся двигатель. Изобретение позволяет иметь значительно меньшую величину общей силы магнитного сопротивления, чем сила магнитного сопротивления в известных двигателях. Изготовление предложенного двигателя является более простым и экономичным. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Синхронный электрический двигатель, содержащий индуктивную цепь, образованную ярмом и множеством зубцов, закрепленных на этом ярме и формирующих между собой пазы, множество катушек, располагающихся в пазах таким образом, чтобы каждая из этих катушек охватывала, по меньшей мере, один из зубцов, индуктор, располагающийся напротив упомянутой индуктивной цепи и содержащий множество постоянных магнитов, располагающихся на пластине возврата магнитного потока, причем множество зубцов располагается равномерно с постоянным зубцовым шагом (τ_n), упомянутое множество постоянных магнитов также располагается равномерно с определенным полюсным шагом (τ_p) и каждый из зубцов формирует на своем свободном конце головку, имеющую первую ширину (b_d), а каждый из упомянутых пазов имеет вторую ширину (b_n) на уровне головок зубцов, причем сумма первой ширины и второй ширины определяет зубцовый шаг, отличающийся тем, что полюсный шаг отличается от зубцового шага, а также тем, что отношение второй ширины (b_n) к зубцовому шагу (τ_n) имеет величину приблизительно от 0,40 до 0,55. 2. Синхронный электрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый из зубцов имеет две практически параллельных боковых стороны таким образом, чтобы поперечное сечение этих зубцов было практически постоянным по всей их высоте. 3. Синхронный электрический двигатель по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что каждая катушка охватывает только один из зубцов и занимает, по существу, весь объем двух пазов, примыкающих к данному зубцу, который эта катушка охватывает, причем только один из двух зубцов оказывается охваченным одной из катушек. 4. Синхронный электрический двигатель по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый из зубцов охвачен одной из катушек, причем две соседние катушки занимают вместе, по существу, весь объем паза, разделяющего те из зубцов, которые охватывают данные катушки. 5. Синхронный электрический двигатель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что первая ширина (b_d) и вторая ширина (b_n), по существу, равны между собой. 6. Синхронный электрический двигатель по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что этот двигатель дополнительно содержит средства охлаждения, содержащие множество трубок, располагающихся каждая в одном из пазов между ярмом и соответствующей катушкой, расположенной в данном пазу, причем трубки связаны между собой с образованием змеевика, обеспечивающего возможность циркуляции охлаждающей жидкости. 7. Синхронный электрический двигатель по п.6, отличающийся тем, что средства охлаждения содержат дополнительно множество листов теплопередачи, причем каждый из этих листов теплопередачи располагается в одном из пазов, охватывая, по меньшей мере, частично трубку, располагающуюся в этом пазу и установленную, кроме того, между одним из зубцов, ограничивающих данный паз, и катушкой, размещенной в этом пазу. 8. Синхронный электрический двигатель по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что он представляет собой линейный двигатель. 9. Синхронный электрический двигатель по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что он представляет собой вращающийся двигатель, имеющий статор, образованный индуктивной цепью, и ротор, образованный индуктором. 10. Синхронный электрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что и индуктивная цепь содержит четное число зубцов, каждый из которых охвачен одной из катушек, причем один из двух соседних зубцов охвачен катушкой, по меньшей мере, по существу, прямоугольного сечения, а другой зубец охвачен катушкой, по меньшей мере, по существу, трапецеидального сечения. 11. Способ изготовления и установки катушек, которыми оснащается вращающийся синхронный электрический двигатель по п.9, отличающийся тем, что производят намотку плотно прижатых друг к другу витков провода, образующих каждую из катушек прямоугольного сечения, на независимый шаблон с прямоугольным сердечником, поперечное сечение которого, по существу, равно поперечному сечению каждого из зубцов, для получения заранее изготовленной и компактной катушки, производят намотку плотно прижатых друг к другу витков провода, образующих каждую из катушек трапецеидального сечения, на независимый шаблон с прямоугольным сердечником, поперечное сечение которого, по существу, равно поперечному сечению каждого из зубцов, для получения предварительно сформированной и компактной катушки, производят установку каждой из катушек трапецеидального сечения на один из зубцов, оставляя свободным каждый второй зубец, производят установку каждой из катушек прямоугольного сечения на один из зубцов, оставшихся свободным после установки трапецеидальных катушек.