ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК H02K21/12 H02K21/22 H02K29/00 H02K1/27 

Изобретение касается электрической машины, которая имеет первую функциональную часть, снабженную системой возбуждения в виде постоянного магнита и вторую функциональную часть с системой проводников, при этом первая и вторая функциональные части являются подвижными относительно друг друга вдоль воздушного зазора - активной поверхности.

Данное описание описывает электрическую машину в общем виде, при этом путем указания на систему возбуждения в виде постоянного магнита из круга электрических машин выделен только один специальный вид электрических машин. Электрические машины этого типа представляют собой чаще всего двигатели постоянного тока, у которых на действующей поверхности чередуются северные и южные полюса постоянных магнитов и у которых замыкание магнитного потока между соседними полюсами магнитов осуществляется или с помощью спинки на обратной стороне постоянного магнита, обращенной в противоположную сторону от активной поверхности, или тем, что постоянные магниты являются частями единого магнитного корпуса, намагниченного в различных направлениях. Вторая функциональная часть имеет систему проводников, как правило, в виде обмоток или катушек, которые связаны с отдельными полюсами. Чтобы электродвигатель вращался, направление тока в отдельных обмотках должно быть направлено на определенном участке в противоположную сторону по отношению к относительному движению обоих функциональных частей, что может осуществляться с помощью механического или электрического коммутирования.

В основу изобретения положена задача создать электрическую машину названного выше типа, которая благодаря своей конструкции имеет повышенный вращающий момент и мощность относительно своего веса или занимаемого объема.

Для решения этой задачи электрическая машина согласно изобретению отличается тем, что в первой функциональной части постоянные магниты и магнитопроводящие участки материала чередуются, если смотреть по направлению относительного движения, что магнитопроводящие участки материала, обращенные к активной поверхности, имеют поверхность, где выходят магнитные силовые линии, меньшую чем сумма поверхностей поперечного сечения магнитных потоков обоих примыкающих друг к другу постоянных магнитов, вследствие чего магнитный поток постоянных магнитов концентрируется, и что ширина постоянных магнитов по направлению движения увеличивается с увеличением расстояния от активной поверхности, а у магнитопроводящих участков с увеличением расстояния от активной поверхности.

У известных электрических машин напряженность магнитного поля постоянных магнитов возбуждающей системы ограничена сверху материалом, из которого сделан постоянный магнит и благодаря этому верхнюю границу плотности магнитного потока определяет активная поверхность. Если после исчерпывания возможностей этих параметров хотят увеличить вращающийся момент обычной электрической машины, необходимо увеличить действующую поверхность. У вращающейся электрической машины это сводится к увеличению диаметра или осевой длины.

Благодаря изобретению предлагается принципиально другой путь, заключающийся в том, что вдоль действующей поверхности от первой функциональной части ко второй функциональной части получают напряженность магнитного поля в воздушном зазоре, которая значительно выше остаточной напряженности магнитного поля используемых постоянных магнитов.

"Коэффициент трансформации" В - поля в основном определяется отношением величины поверхности поперечного сечения магнитного потока постоянного магнита к половине поверхности выхода магнитных силовых линий на действующей поверхности магнитопроводящего материала, примыкающего на одной стороне к постоянным магнитам. Коэффициент трансформации может быть больше 1,2 или 1, 3, 1, 5 или даже более 2.

Если В - поле в воздушном зазоре больше, то при одинаковых размерах машины число витков у полюсов проводниковой системы уменьшается. Благодаря уменьшению числа витков в квадрате уменьшается индуктивность во второй функциональной части. Это означает, что при неизменяемом числе оборотов в машине может быть использован более высокий ток или тот же самый ток при более высоком числе оборотов, благодаря чему соответственно увеличивается мощность машины.

В другом случае возникает возможность создать более короткий двигатель в осевом направлении, если речь идет о двигателе с вращающимся якорем, или более узкий двигатель в направлении, перпендикулярном направлению относительного движения, если речь идет о двигателе с прямолинейным магнитным полем, без уменьшения ЭДС так, что электродвигатель будет отдавать ту же мощность. Показанные обстоятельства оказывают совместное воздействие так, что благодаря изобретению при сохранении одинакового объема или веса можно создать электрический двигатель с более высоким вращающим моментом или более высокой мощностью, а в случае, если речь идет о электрических генераторах - с более высокой электрической мощностью. Другими словами: при требуемой мощности машина может быть меньше и легче.

Так как измеренная у постоянных магнитов по направлению относительного движения ширина с увеличением расстояния от активной поверхности увеличивается и так как эта ширина у магнитопроводящих зон с увеличением расстояния от активной поверхности уменьшается, имеют место благоприятные конструктивные конфигурации, небольшие магнитные сопротивления и высокая степень использования материала.

При электрической машине согласно изобретению речь может идти как о электродвигателе, так и о генераторе тока. Предусмотренная в качестве электрического двигателя машина может быть использована также в качестве генератора. Речь может идти о линейной или вращающейся электрической машине, при этом в первом случае активная поверхность представляет собой плоскость, имеющую конечную ширину и большую или меньшую длину, а во втором случае активная поверхность является или цилиндрической, если первая и вторая функциональные части расположены радиально друг против друга или кольцеобразной, если первая и вторая функциональные части расположены друг против друга на одной оси. Таким образом, относительные движения происходят или прямолинейно или по окружности.

Поверхности, магнитопроводящих зон материала, через которые выходит магнитный поток, направленный к действующей поверхности, могут быть ровными, если речь идет о линейном двигателе, с расположенным на определенном расстоянии друг от друга вдоль оси первой и второй функциональными частями, и цилиндрическими, если речь идет о машине с вращающимся ротором, первая и вторая функциональные части которой расположены на определенном расстоянии в радиальном направлении. Но это не всегда осуществляется. Если поверхности через которые выходит магнитный поток, имеют простую геометрию, имеет смысл рассмотреть проекцию соответствующей поверхности на соответствующую сравниваемую поверхность, имеющую показанную простую геометрию, чтобы определить даваемое в пункте 1 формулы изобретения соотношение поверхностей. Как правило, постоянные магниты системы возбуждения, если смотреть по направлению относительного движения, имеют переменную поляризацию, вследствие чего за южным полюсом первого постоянного магнита следует южный полюс второго постоянного магнита, за северным полюсом второго постоянного магнита следует полюс третьего постоянного магнита, и за южным полюсом третьего постоянного магнита следует южный полюс четвертого постоянного магнита и т.д. Возможна также такая конфигурация, при которой отсутствует сторона последовательность изменения направления намагничивания. Кроме того, следует указать на то, что возможны такие электрические машины, у которых между постоянными магнитами нет никакого магнитопроводящего материала, а имеется только воздух.

Согласно одной предпочитаемой форме выполнения изобретения обращенная ко второй функциональной части поверхность первой функциональной части, если смотреть по направлению относительного движения, приближается в большей или меньшей мере ко второй функциональной части. С помощью этого мероприятия достигается то, что при определении относительных первой и второй функциональных частей магнитный поток, приходящийся на отдельную магнитную цепь машины, максимален, а при других относительных положениях меньше, чем максимальный. При минимальном индуцируемом магнитном потоке индуктивность машины в соответствующий момент времени меньше, что благоприятно для тех моментов времени, при которых меняется направление тока в системе проводов второй функциональной части. Если индуцируемый при изменении тока магнитный поток максимален, максимальна в соответствующий период времени и индуктивность машины, что благоприятно для того периода времени, когда к системе провода подводится постоянный ток. Это в особенности справедливо для таких форм выполнения машин, при которых в промежутки времени между изменением направления движения тока в системе проводников ток не остается постоянным, а пульсирует. Особенно благоприятные условия для достижения названных выше эффектов возникают тогда, когда магнитопроводящие зоны на обращенной к активной поверхности стороне в своей средней зоне приближаются ко второй функциональной части, т.е. там ширина воздушного зазора уменьшена. Другими словами: магнитопроводящие зоны на обращенной к активной поверхности стороне выполнены на своих краях, обращенных к обоим соседним постоянным магнитам так, что там ширина воздушного зазора имеет большую величину.

Аналогичные эффекты могут быть достигнуты тем, что обладающие магнитной проницаемостью зоны, если смотреть по направлению относительного движения, могут состоять из материалов, обладающих различной магнитной проницаемостью. Конкретно в средней зоне каждого обладающего магнитной проницаемостью материала может находиться материал, обладающий более высокой проницаемостью, а в краевых зонах материал с более низкой магнитной проницаемостью.

Выгодно также, если постоянные магниты, смотря по обстоятельствам, состоят сплошь из одинакового материала, т.е. они ни по направлению относительного движения, ни по направлению, перпендикулярному относительному движению, не состоят из расположенных слоями различных материалов.

Постоянные магниты состоят преимущественно из материала с магнитной проницаемостью, близкой к магнитной проницаемости воздуха, вследствие чего Mr равна приблизительно единице. Особенно предпочтительными материалами являются материалы на базе Se - Co (Se - редкие земли а особенности самарий), и определенные ферриты. Это уменьшает индуктивность магнитных цепей машины.

В машине согласно изобретению коммутации осуществляется преимущественно электронным способом. Подобные машины отличаются оптимальной возможностью регулировки и малым износом. Подобный электродвигатель питают в простейшем случае постоянным током, при этом в промежутки времени между переменными направления тока или изменениями направления движения тока в системе проводников ко второй функциональной части прикладывают постоянное напряжение, которое с помощью коммутирующего устройства для сохранения желаемого регулируемого среднего уровня тока включается или выключается, или тактируется. Благоприятную низкую тактовую частоту получают при указанной ранее высокой индуктивности машины в промежутки времени между изменениями направления тока. Если для питания имеется источник переменного тока, электродвигатель может питаться от промежуточной цепи постоянного тока.

Электрическая машина согласно изобретению может иметь вращающуюся относительно неподвижной второй функциональной части первую функциональную часть, или вторую функциональную часть, подвижную относительно неподвижной первой функциональной части, или две перемещающиеся относительно друг друга функциональные части, из которых ни одна не является неподвижной. Особенно выгодно, если первая функциональная часть является подвижной частью электрической машины, потому что к первой функциональной части не должен подводиться никакой ток.

Если электрическая машина согласно изобретению выполнена в виде вращающейся машины с цилиндрической действующей поверхностью, то в принципе следует принимать во внимание обе возможности выполнения с наружным или внутренним ротором. Конструкция с наружным ротором предпочитается с целью получения возможно большего диаметра действующей поверхности и вместе с этим максимального вращающего момента при заданном объеме, так как возбуждающая часть, как правило, требует меньше места, чем система проводников второй функциональной части.

Так как электрическая машина согласно изобретению обходится без обратного магнитного замыкания на обратной стороне системы возбуждения, предпочтительнее постоянные магниты и обладающие магнитной проницаемостью зоны соединять друг с другом путем электрического замыкания и/или на обратной стороне системы возбуждения, обращенной в противоположную сторону от активной поверхности, предусматривать воспринимающую нагрузку часть из не обладающего магнитной проницаемостью материала. Воспринимающая нагрузку часть в случае вращающейся машины с цилиндрической активной поверхностью в основном имеет цилиндрическую форму, в случае вращающейся машины с кольцеобразной активной поверхностью имеет круглую или кольцеобразную форму, в случае линейной машины имеет прямоугольную форму. Воспринимающая нагрузку часть особенно выгодно изготовлять из пластмассы, в особенности из пластмассы с волокнистым уплотнением. В случае вращающейся машины с наружным ротором выгодно предусмотреть в воспринимающей нагрузку части круглый бандаж или выполнить воспринимающую нагрузку часть целиком в виде кольцеобразного бандажа, который удерживает вместе конструктивные части возбуждающей системы, противодействуя центробежной силе. Воспринимающие нагрузки части могут быть изготовлены из современных пластмасс, в особенности из волокнистых материалов или пластмасс, армированных волокнами, и иметь очень высокую механическую прочность при небольшом объеме и весе.

Следует указать на то, что указанные в зависимых пунктах формулы изобретения признаки могут быть технически осуществлены, если даже не использовать одновременно все признаки пункта 1 формулы изобретения. Это в особенности справедливо для признаков пунктов 2, 5 и 12 формулы изобретения, которые имеют изобретательский характер без привлечения всех признаков пункта 1 формулы изобретения.

Изобретение и усовершенствования изобретения поясняются ниже на примерах выполнения чертежами, на которых показано:
фиг. 1 - схематически электрическая вращающаяся машина в разрезе под прямым углом к оси движения, при этом некоторые детали опущены,
фиг. 2 - часть электрической машины с линейным движением или вращательным движением, в разрезе под прямым углом к действующей поверхности машины, при сохранении направления относительного движения,
фиг. 3a, 3b - измененная относительно фиг. 2 электрическая машина в одинаковом разрезе,
фиг. 4 - графическое изображение изменения индуктивности машины согласно фиг. 3a , 3b, при изменении направления относительного движения первой и второй функциональных частей.

Показанные на фиг. 1-3 схематично машины могут быть или генератором тока или электродвигателем. Следующее ниже описание ориентируется в первую очередь на описание электродвигателя, однако на основании его средний специалист может составить себе понятие о том, как построен соответствующий генератор тока.

Показанный на фиг. 1 электродвигатель 2 является двигателем с наружным ротором, у которого трубчатый наружный ротор в качестве первой функциональной части 4 может вращаться вокруг внутренней по существу цилиндрической второй функциональной части 6, а именно статора электродвигателя 2. Статор 6 имеет распределенные по кольцу статорные полюса 8, которые, если смотреть по направлению окружности, чередуются по направлению окружности и являются северными и южными магнитными полюсами. Полюса 8 соответственно снабжены обмоткой 10 и обмотки 10 образуют систему проводников двигателя 2.

На роторе 8 с внутренней стороны предусмотрены постоянные магниты 12, которые в разрезе на фиг. 1 представляют собой треугольные выступы, выступающие вовнутрь, при этом соседние постоянные магниты 12 примыкают друг к другу снаружи в радиальном направлении. По направлению окружности между постоянными магнитами 12 расположены участки материала обладающего магнитной проницаемостью 14, которые в разрезе фиг. 1 представляют собой треугольные острые выступы, направленные наружу в радиальном направлении. Постоянные магниты 12 и зоны материала 14 в разрезе по фиг. 1 имеют в своей совокупности кольцеобразную форму и образуют систему возбуждения 16 двигателя 2. Снаружи в радиальном направлении постоянные магниты 12 и зоны материала 14 окружены однократным или многократным бандажем 18, который может состоять, например, из направленных в основном вдоль окружности стеклянных волокон, карбонизированных волокон, нитей из кефлара или пластмассы, усиленной подобными волокнами.

Между внутренней окружностью ротора 4 и наружной окружностью статора 6 находится в основном цилиндрическая активная поверхность с радиальной шириной а, которая обычно обозначается как ширина воздушного зазора. Строго говоря, активная поверхность не является поверхностью имеющей два измерения, а представляет собой "активный слой" с не везде одинаковой толщиной, измеренной перпендикулярно направлению относительного движения.

В окружном направлении отдельные полюса 8 имеют приблизительно одинаковую ширину, как ширина зон материала 14, замеренная в радиальном направлении по направлению вовнутрь.

Постоянные магниты 12 состоят сплошь или целиком и одного материала и намагничены в основном вдоль окружности ротора 4, как это показано стрелками, вследствие чего в окружном направлении последовательно за постоянным магнитом 12, северный полюс которого указывает по часовой стрелке следует постоянный магнит 12, северный полюс которого указывает на направление, противоположное движению часовой стрелки и т.д. Так как у каждой рассматриваемой зоны материала 14 сумма поверхностей поперечного сечения магнитного потока обоих расположенных рядом вдоль окружности постоянных магнитов 12 больше, чем ее поверхность 22, через которую магнитный поток входит в действующую поверхность 24, в действующей поверхности 24 возникает напряженность магнитного поля, значительно превышающая остаточную напряженность магнитного поля постоянного магнита 12.

Цифрами 26 обозначено сенсорное устройство, укрепленное на наружном периметре статора 6, которое реагирует на магнитные поля проходящих мимо постоянных магнитов 12, благодаря чему определяется относительное положение ротора и статора 6. Сигналы сенсорного устройства 26 подводятся к управляющему устройству 28, которое осуществляет переполюсовку постоянного питания проводниковой системы в тот момент времени, когда статорные полюса 8 находятся против зон 14, как это показано на фиг. 1. В качестве альтернативы можно предусмотреть вращающееся вместе с ротором 4 кольцо с управляющими постоянными магнитами, на которые реагирует сенсорное устройство 26.

Если машина сконструирована в виде генератора, не требуется никакого электронного управления для осуществления коммутации, необходимо только, чтобы осуществлялось выпрямление получаемого в генераторе тока.

На фиг. 2 и 3a, 3b показаны в увеличенном масштабе основные принципиальные отношения и поясняются дополнительные предпочитаемые детали. Показанное изображение первой функциональной части 4 в одной плоскости можно понимать или как обмотку ротационного электродвигателя согласно фиг. 1 или изображение линейного двигателя 2.

Показаны также линии магнитного потока 30, принадлежащие магнитной цепи двигателя 2, состоящей из постоянных магнитов 12, из половины зоны 14, расположенной слева, половины зоны 14, расположенной справа, и двух половинок электромагнитов 8, 10. Кроме того, у постоянных магнитов 12 указаны две поверхности поперечного сечения магнитного потока 21, расположенные перпендикулярно активной поверхности 24.

Поверхность поперечного сечения 21 можно представить как проекцию соответствующей примыкающей поверхности 20 на ограничивающую зону материала 14 по направлению относительного движения. Можно видеть концентрацию магнитного потока на поверхностях поперечного сечения 21 постоянных магнитов в соответствующей части активной поверхности 24.

Кроме того, видно, что постоянные магниты с обеих сторон имеют выступающие по направлению относительного движения выступы 34, с помощью которых они входят в зацепление в соответствующие пазы 30 зон материала 14. Для монтажа постоянные магниты 12 и зоны 14 сдвигают вместе перпендикулярно плоскости рисунка на фиг. 2. Таким образом возникает взаимное закрепление путем геометрического замыкания постоянных магнитов 12 и зон материала 14. Поэтому у слабо загруженных электродвигателей воспринимающая нагрузку часть 18, соответствующая бандажу по фиг. 1, может быть менее толстой или вообще может отсутствовать.

Кроме того, показана возможность, что зоны 14 в средней части состоят из материала 36 с очень высокой проницаемостью, а в левой и правой краевых зонах, показанных на фиг. 2, материал 38 может иметь меньшую магнитную проницаемость.

На фиг. 3 показана форма выполнения, у которой в отличие от описанных форм выполнения обращенная ко второй функциональной части 6 поверхность первой функциональной части 4 выполнена так, что ширина а воздушного зазора, смотря по обстоятельствам, в средней части зоны 14, меньше, чем в краевых частях зоны материала 14. Таким образом образуются выступающие зоны 40, которые ближе подходят ко второй функциональной части 6, чем зоны, расположенные между ними. Этим достигается то, что индуктивность двигателя в показанном на фиг. 3a положении особенно мала, что необходимо для быстрого установления в обмотках 10 после изменения полярности напряжения с помощью управляющего устройства 28.

Если в противоположность этому, как показано на фиг. 3b, полюс 8 своей серединой расположен напротив острого выступа постоянного магнита 12, обращенного к действующей поверхности 24, индуктивность двигателя выше, что особенно благоприятно для снабжения двигателя пульсирующим постоянным током. Процессы показаны графически на фиг. 4.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения электрических машин с возбуждением от постоянного магнита. Сущность изобретения состоит в том, что электрическая машина содержит статор с системой проводников и ротор с системой возбуждения из постоянных магнитов. Между статором и ротором имеется воздушный зазор - активная поверхность. При этом ротор выполнен наружным и имеет чередующиеся друг с другом по направлению вращения намагниченные постоянные магниты и участки из магнитопроводного материала, постоянные магниты выполнены из материала с магнитной проницаемостью, близкой к проницаемости воздуха, и имеют, если измерять в направлении вращения, увеличивающуюся с увеличением расстояния от активной поверхности ротора ширину, а магнитопроводные участки - уменьшающуюся ширину с увеличением расстояния от активной поверхности ротора, обращенной к воздушному зазору. При этом магнитопрозодные участки имеют поверхность, через которую выходит магнитный поток, обращенную к активной поверхности ротора, причем она меньше, чем сумма поверхностей поперечного сечения магнитного потока обоих примыкающих к ней постоянных магнитов, в результате чего их магнитный поток концентрируется к активной поверхности ротора. Полюса статора данной электрической машины, если измерять в направлении вращения, имеют почти такую же ширину, как поверхность магнитопроводных участков, через которую выходит магнитный поток. Изобретение обеспечивает технический результат, состоящий в повышении вращающего момента и мощности по отношению к весу и занимаемому объему электрической машины данного типа. 11 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Электрическая машина, содержащая a) статор (6) с системой проводников (10) и ротор (4) с системой возбуждения (12) из постоянных магнитов, причем между статором (6) и ротором (4) находится активная поверхность - воздушный зазор (24), b) ротор выполнен в виде наружного ротора с активной поверхностью (24) с внутренней стороны, c) ротор (4) имеет, если смотреть по направлению вращательного движения (32), чередующиеся друг с другом по направлению вращения (32) намагниченные постоянные магниты (12) и участки (14) из магнитопроводного материала, d) постоянные магниты (12) выполнены из материала с магнитной проницаемостью, близкой к проницаемости воздуха, e) постоянные магниты (12), если измерять в направлении вращения, имеют увеличивающуюся с увеличением расстояния от активной поверхности (24) ширину, а магнитопроводные участки (14) уменьшающуюся с увеличением расстояния от активной поверхности (24) ширину, f) магнитопроводные участки (14) имеют поверхность (22), через которую выходит магнитный поток и которая обращена к активной поверхности (24), причем она меньше, чем сумма поверхностей поперечного сечения магнитного потока (21) обоих примыкающих к ней постоянных магнитов (12), в результате чего магнитный поток постоянных магнитов (12) концентрируется к активной поверхности (24), g) полюса (8) статора (6), если измерять в направлении вращения, имеют почти такую же ширину, как поверхность (22) магнитопроводных участков (14), через которую выходит магнитный поток. 2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянные магниты (12) в поперечном сечении, если смотреть перпендикулярно к оси вращения ротора (4), имеют в основном треугольную форму. 3. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что магнитопроводные участки (14) в поперечном сечении, если смотреть перпендикулярно к оси вращения ротора (4), имеют, в основном, треугольную форму. 4. Электрическая машина по одному из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что постоянные магниты (12) выполнены сплошь из одинакового материала. 5. Электрическая машина по одному из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что магнитопроводные участки (14), если рассматривать их в направлении вращения (32), выполнены из материалов с различной магнитной проводимостью. 6. Электрическая машина по одному из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что в ней предусмотрена электронная коммутация. 7. Электрическая машина по одному из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что поверхность ротора (4), обращенная к статору (6), если рассматривать в направлении вращения (32), попеременно в большей или меньшей степени подходит к статору (6). 8. Электрическая машина по п.7, отличающаяся тем, что магнитопроводные участки (14) имеют в середине выступ (40), расположенный вблизи статора (6). 9. Электрическая машина по одному из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что постоянные магниты (14) и магнитопроводные участки (14) соединены друг с другом с геометрическим замыканием. 10. Электрическая машина по одному из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что на обратной стороне постоянных магнитов (12), обращенной в противоположную от активной поверхности (24) сторону, и на магнитопроводных участках (14) предусмотрена воспринимающая нагрузку часть (18) из не обладающего магнитной проводимостью материала. 11. Электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что воспринимающая нагрузку часть (18) выполнена преимущественно из упрочненной волокнами пластмассы. 12. Электрическая машина по п.10 или 11, отличающаяся тем, что воспринимающая нагрузку часть (18) имеет расположенный снаружи вокруг ротора (4) бандаж.