МНОГОФАЗНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОТОКОМ Российский патент 2002 года по МПК H02K21/12 H02K1/06 

Изобретение относится к многофазной электрической машине с поперечным потоком с односторонним статором и ротором, в которой в несущем электрические кольцевые обмотки статоре расположены друг за другом попеременно в соответствующей одной плоскости в основном U-образные, соответствующие фазам обмотки ярма и в основном I-образные ярма, а ротор на своей смежной с ярмами поверхности имеет закрепленные плоские постоянные магниты и кольцеобразное замыкание магнитного потока, при этом постоянные магниты расположены рядами, механически смещенными относительно друг друга, и через кольцевые обмотки протекают электрически соответственно сдвинутые токи. Такая машина с поперечным потоком известна из монографии М. Борка и Г. Хеннебергера "Новая концепция поперечного потока для систем электрического привода автомобилей", ICEM, 1996.

Такие машины можно создавать с очень высоким крутящим моментом. Машины используются в безрельсовых или рельсовых транспортных средствах предпочтительно в виде прямого привода, встроенного в ступицу колеса. При этом спектр применения распространяется от легковых автомобилей с индивидуальным приводом колес до локомотивов и большегрузных автомобилей. Другие возможности применения заключаются в применении для непосредственного привода с большим диапазоном постоянной мощности, как, например, в приводах лебедок и в текстильных машинах.

Машины с поперечным потоком в большинстве случаев выполняются в виде машин с двумя фазами обмотки, поскольку они имеют устройство с двойным статором, которые с технологической точки зрения не позволяют реализацию более чем с двумя фазами.

Известные варианты выполнения двусторонних электрических машин с поперечным потоком, например, согласно DE 4443999 А1 или DE 19522382 А1 имеют высокий крутящий момент, однако они очень сложны в изготовлении. Их противоположностью являются односторонние, также многофазные машины с поперечным потоком, которые просты в изготовлении, однако из-за высокого роторного рассеяния имеют значительно меньшую величину крутящего момента (DE 19532614 А1).

Из DE 3602268 А1 известна машина с поперечным потоком, в которой обозначен коленообразный изгиб стержня сердечника U-образного ярма, однако об этом признаке ничего не говорится в тексте.

Из ЕР 0243425 также известно соединение в геометрически по-другому сконструированной машине с поперечным потоком двух U-образных, установленных рядом друг с другом, ярм статора. При этом каждая половина среднего стержня пропускает свой поток. Возможности экономии не указаны.

Известно из указанной выше монографии выполнение машины с поперечным потоком с односторонним статором и тангенциальным обратным замыканием магнитного потока в роторе. Это решение также допускает выполнение машины с более чем двумя фазами обмотки, поскольку отдельные фазы обмотки можно располагать рядом друг с другом на определенном расстоянии.

В соответствии с этим на фиг.1 показана пара полюсов многополюсной машины. Пары полюсов р при расположении в ряд могут образовывать линейный электродвигатель, а в случае кольцеобразного изгиба обмотки - машину вращения. В последующем речь будет идти о машине вращения.

Активная часть статора машины состоит из кольцевой обмотки 1, содержащей р частично охватывающих ее, в основном U-образных магнитомягких ярм 2 и расположенных между ними I-образных магнитомягких ярм 3. U-образные ярма 2 и I-образные ярма 3 могут иметь различную ширину b_U и b_I для проводки различных по величине потоков. Активная часть ротора для каждой фазы обмотки состоит из двух кольцеобразных роторных ярм 4 из магнитомягкого материала, на которых установлены 2р постоянных магнитов 5 с чередующимся радиальным намагничиванием. Тангенциальное усилие этого устройства ограничено вследствие насыщения пути рассеяния.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании многофазной электрической машины с поперечным потоком с односторонним статором и ротором, в которой:
- уменьшены пути рассеяния, так что увеличивается тангенциальное усилие,
- уменьшена конструктивная длина и
- экономится магнитомягкий материал при выполнении полюсов.

Эта задача решена с помощью предложенной многофазной электрической машины с поперечным потоком с односторонним статором и ротором, в которой в несущем электрические кольцевые обмотки статоре расположены друг за другом попеременно в соответствующей одной плоскости в основном U-образные, соответствующие фазам обмотки ярма и в основном I-образные ярма, а ротор на своей смежной с ярмами поверхности имеет закрепленные плоские постоянные магниты и кольцеобразное замыкание магнитного потока, при этом постоянные магниты расположены рядами, механически смещенными относительно друг друга, и через кольцевые обмотки протекают электрически соответственно сдвинутые токи. Согласно изобретению стержни U-образных ярм каждой фазы обмотки в каждой плоскости коленообразно изогнуты навстречу друг другу, расположенные в одной плоскости смежные стержни фаз обмотки соединены друг с другом, по меньшей мере часть соединенных стержней используется несколькими фазами обмотки для прохождения потока и толщина соединенных, совместно используемых стержней уменьшена в соответствии с соотношениями потоков.

При этом в соответствии с изобретением высота полюса в неизогнутой зоне U-образных ярм по меньшей мере в зоне обмотки выполнена толще, чем высота полюса I-образных ярм (3).

Предпочтительно U-образные ярма и I-образные ярма выполнить в радиальном направлении из стальных листов.

Предпочтительно также, чтобы ярма были выполнены с возможностью разделения.

Целесообразно U-образные ярма и I-образные ярма выполнить в виде разрезанных ленточных сердечников.

Машина в соответствии с изобретением может иметь внутренний или наружный ротор или может быть выполнена в виде линейного электродвигателя.

Целесообразно в машине по изобретению сделать так, чтобы расположенная в площади окна для обмотки U-образных ярм направляющая для охлаждающей жидкости проходила в основном параллельно кольцевой обмотке и находилась в тесном тепловом контакте с ярмами и кольцевой обмоткой.

Целесообразно также по меньшей мере в зоне высокого рассеяния потока между U-образными ярмами и I-образными ярмами предусмотреть изолирующую несущую конструкцию.

Пути рассеяния в предложенной машине уменьшены предпочтительно вследствие коленообразного изгиба стержней U-образных ярм. За счет этого можно также располагать U-образные и I-образные ярма непосредственно рядом друг с другом без зазора, то есть без опасности короткого замыкания в месте коленообразного изгиба, что уменьшает конструктивную длину машины. Наконец, за счет многократного использования средних стержней U-образных ярм экономится материал для изготовления полюсов.

Ниже изобретение поясняется подробно на основе изображенного на фиг.2 примера выполнения. В качестве примера показан трехфазный вариант выполнения машины с поперечным потоком согласно изобретению.

Предпочтительное выполнение многофазной электрической машины с поперечным потоком обеспечивается за счет комбинирования нескольких однофазных исполнений в осевом направлении, однако согласно изобретению они, в противоположность известным расположениям, не требуют интервала между фазами обмотки. Предпочтительное число фаз составляет три, однако возможно также большее или меньшее количество фаз.

На фиг.2 показано в качестве примера трехфазное выполнение в радиальном разрезе. Статор электродвигателя имеет три кольцевые обмотки 1.1, 1.2 и 1.3, через которые протекают электрически соответственно сдвинутые токи. Кольцевые обмотки расположены тангенциально по отношению к действию силы. В этом статоре расположены друг за другом попеременно в соответствующей одной плоскости в основном U-образные, соответствующие фазам обмотки ярма 7 и в основном I-образные ярма 3. Ярма 7 и 3 могут быть выполнены в радиальном направлении из стальных листов либо в виде разрезанных ленточных сердечников. Кольцевые обмотки 1.1-1.3 частично окружены рядом U-образных ярм 7, при этом стержни 7.1-7.4 U-образных ярм 7 каждой фазы обмотки в каждой плоскости коленообразно изогнуты навстречу друг другу. Каждое ярмо 7 имеет в одной плоскости четыре стержня 7.1-7.4, средние из которых разделены на обращенной к ротору стороне. Стержни имеют общее магнитное замыкание. Соответствующие смежные стержни 7.2 и 7.3 трех фаз соединены друг с другом и используются соответствующими двумя фазами совместно для прохождения потока. Средние стержни 7.2 и 7.3 ярм статора в соответствии с общим магнитным потоком, образующимся вследствие наложения потоков фаз, выполнены тоньше, чем суммарная толщина наружных стержней 7.1 и 7.4.

Каждое ярмо статора снабжено тремя в основном I-образными ярмами 3, которые в разрезе находятся за ярмом 7. Высота полюса d_U в неизогнутой зоне U-образных ярм 7.1-7.4 выполнена в зоне обмотки 1.1-1.3 толще, чем высота полюса d_I I-образных ярм 3. Ротор на своей смежной с ярмами поверхности имеет закрепленные плоские постоянные магниты 5 и кольцеобразное замыкание магнитного потока. Эти магниты 5 могут быть расположены в шесть рядов, противоположных стержням ярм статора. Ряды магнитов сдвинуты относительно друг друга в соответствии с электрическим фазовым сдвигом фаз обмотки, так что стержни 7.1-7.4 в зависимости от положения ротора магнетизируются с различием между собой: каждый ряд магнитов имеет со стороны ротора магнитомягкое замыкание магнитного потока в тангенциальном направлении.

На фиг. 2 показано также предпочтительное выполнение жидкостного охлаждения машины с поперечным потоком согласно изобретению. Расположенная в площади окна для обмотки 1.1-1.3 U-образных ярм 7 направляющая 8 для охлаждающей жидкости проходит в основном параллельно кольцевой обмотке 1.1-1.3 и находится в тесном тепловом контакте с ярмами 7.1-7.4 и кольцевой обмоткой 1.1-1.3. Вследствие коленообразного изгиба U-образных ярм охлаждающая жидкость проходит кольцеобразно параллельно обмотке 1.1-1.3. За счет этого эффективно охлаждаются как кольцевая обмотка, так и термически нагружаемые зоны ярм статора. За счет этого возможно выполнять по меньшей мере части несущей конструкции статора из изолирующего материала. Это относится, прежде всего, к зоне высокого рассеяния потока между U-образными и I-образными ярмами. За счет этого можно значительно сократить потери на вихревые токи, которые возникают в металлической опоре в известных вариантах выполнения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к многофазным электрическим машинам с поперечным потоком. Технический результат, заключающийся в уменьшении пути рассеяния потока и размеров конструкции, достигается путем того, что в многофазную электрическую машину с односторонним статором и ротором, в которой в несущем электрические кольцевые обмотки статоре расположены друг за другом попеременно в соответствующей одной плоскости в основном U-образные, соответствующие фазам обмотки ярма и в основном I-образные ярма, ротор на своей смежной с ярмами поверхности имеет закрепленные плоские постоянные магниты и кольцеобразное замыкание магнитного потока, постоянные магниты расположены рядами, механически смещенными относительно друг друга, и через кольцевые обмотки протекают электрически соответственно сдвинутые токи, стержни U-образных ярм каждой фазы обмотки в каждой плоскости коленообразно изогнуты навстречу друг другу, расположенные в одной плоскости смежные стержни фаз обмотки соединены друг с другом. 7 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Многофазная электрическая машина с поперечным потоком с односторонним статором и ротором, в которой в несущем электрические кольцевые обмотки статоре расположены друг за другом попеременно в соответствующей одной плоскости в основном U-образные, соответствующие фазам обмотки ярма, и в основном I-образные ярма, ротор на своей смежной с ярмами поверхности имеет закрепленные плоские постоянные магниты и кольцеобразное замыкание магнитного потока, постоянные магниты расположены рядами, механически смещенными относительно друг друга, и через кольцевые обмотки протекают электрически соответственно сдвинутые токи, отличающаяся тем, что стержни (7.1-7.4) U-образных ярм каждой фазы обмотки в каждой плоскости коленообразно изогнуты навстречу друг другу, расположенные в одной плоскости смежные стержни (7.2, 7.3) фаз обмотки соединены друг с другом, по меньшей мере часть соединенных стержней (7.2, 7.3) используется несколькими фазами обмотки для прохождения потока и толщина соединенных совместно используемых стержней (7.2, 7.3) уменьшена в соответствии с соотношениями потоков. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что высота полюса (d_U) в неизогнутой зоне U-образных ярм (7.1-7.4) по меньшей мере в зоне обмотки (1.1-1.3) выполнена толще, чем высота полюса (d_I) I-образных ярм (3). 3. Машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что U-образные ярма (7.1-7.4) и I-образные ярма (3) выполнены в радиальном направлении из стальных листов. 4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что ярма выполнены с возможностью разделения. 5. Машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что U-образные ярма (7.1-7.4) и I-образные ярма (3) выполнены в виде разрезанных ленточных сердечников. 6. Машина по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что имеет внутренний или наружный ротор, или выполнена в виде линейного электродвигателя. 7. Машина по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что расположенная в площади окна для обмотки U-образных ярм (7.1-7.4) направляющая для охлаждающей жидкости проходит в основном параллельно кольцевой обмотке (1.1-1.3) и находится в тесном тепловом контакте с ярмами (7.1-7.4) и кольцевой обмоткой (1.1-1.3). 8. Машина по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что по меньшей мере в зоне высокого рассеяния потока между U-образными ярмами (7.1-7.4) и I-образными ярмами (3) предусмотрена изолирующая несущая конструкция.