ТОРЦЕВОЙ НАБОРНЫЙ ЭЛЕКТРОМОТОР Российский патент 2003 года по МПК H02K31/00 H02K1/06 H02K23/42 

Изобретение относится к области электротехники и представляет собой конструктивно новый электродвигатель.

Известны изобретения Н 02 К 23/42, РСТ WO 9810506 A1 и Н 02 К 37/12, JP 6083563 B4 электрических моторов, статор и ротор которых состоит из чередующихся соосных дисков. При этом на роторном диске установлены по окружности постоянные магниты, полюса которых на каждой стороне диска чередуются, а на статорных дисках также по окружности установлены катушки с магнитными осями, параллельными оси вращения ротора.

Основной недостаток этих конструкций состоит в очень больших электромагнитных потерях в постоянных магнитах ротора, сопровождающихся значительным тепловыделением. Поэтому для таких двигателей разрабатываются специальные системы охлаждения (см. изобретение Н 02 К 15/06, US 5767600 A). Для избежания "мертвых точек" - таких положений ротора, при которых подача тока в обмотки статора не приводит к появлению крутящего момента, число магнитов на диске ротора и катушек на диске статора различаются (см. изобретение Н 02 К 29/08, JP 6106018 B4). Это приводит к существенному снижению крутящего момента либо за счет неизбежного тормозящего момента со стороны некоторых катушек статора, либо за счет полного отключения этих катушек на время появления от них тормозящего момента.

Указанных недостатков лишен предлагаемый электромотор. Более того, он лишен обычного недостатка всех электродвигателей - потерь от вторичной индукции, а также зависимости крутящего момента от оборотов двигателя, затрудняющих их регулирование и ограничивающих возможность их использования.

Конструкция электромотора в разрезе схематически представлена на фиг.1. Электромотор состоит из статорных 1 и роторных 2 дисков, размещенных соосно в чередующемся порядке. Роторные диски жестко закреплены на валу 3, а статорные на корпусе 4. Роторные и статорные диски состоят из каркаса, выполненного из непроводящего, немагнитного материала, в который встроены размещенные секториально электрические катушки 5, намотанные на сердечниках 6, закрытых с обеих сторон полюсными пластинами 7. Сердечники и полюсные пластины выполнены из материала с высокой магнитной индукцией и низким полем насыщения. Конструкция катушек и их магнитопроводов-сердечников и полюсных пластин показана на фиг. 2. Там же показаны и магнитопроводы дисков в сборе 8 (без вмещающего каркаса, обмоток, вала и корпуса).

Пара из статорного и роторного дисков составляет управляемую секцию, показанную на фиг. 3 (также только магнитопроводами). Наименьшее количество дисков - 3, из них два торцевых статорных и один роторный, размещенный между ними. Торцевые статорные диски с наружной стороны закрыты дисками-замыкателями магнитопроводов 9, выполненными из ферромагнитного материала. Магнитопроводы торцевой управляемой секции показаны на фиг. 4 Роторные диски размещены на валу без углового смещения, а статорные каждый последующий по отношению к предыдущему, считая с некоторой стороны электромотора, повернуты на некоторый угол, не кратный углу между катушками дисков. Обмотки 10 катушек роторных и статорных дисков соединены последовательно и скоммутированы так, что их магнитные полюса на сторонах дисков чередуются. Число катушек во всех дисках одинаково и четно. Электрические выводы статорных дисков независимы, а роторных - соединены последовательно так, что магнитная полярность всех катушек, находящихся, на одной линии, параллельной оси вращения, на всех дисках одинакова. Аналогично статорные диски подключены к питанию так, что полярности всех катушек, находящихся на одной общей винтовой линии, образованной относительным угловым смещением дисков, - также одинакова.

Обмотки ротора питаются постоянным током, стабилизированным по величине, причем величина стабилизированного тока ротора - управляема. Обмотки статорных дисков питаются стабилизированным по величине переменным током прямоугольной формы, синхронным вращению ротора, со сдвигом по фазе соответственно угловому смещению дисков статора, так что переключение направления тока статорных дисков управляемых секций происходит в момент прохождения катушек роторного диска этой секции перед катушками статорного диска. Схема переключения тока статора управляемой секции в зависимости от положения ротора представлена на фиг. 5. Здесь номерами 16 и 17 обозначены обмотки катушек статорных и роторных дисков соответственно, 24 - направление движения роторных обмоток, 25 - зависимости тока в обмотках статорных дисках от времени, 26 - ток, 27 - фазовый сдвиг, 28 - время, 29 и 30 - магнитные полюса катушек управляемых секций.

Подвод питания к ротору осуществляется через вращающийся трансформатор с последующим выпрямлением и стабилизацией. Конструкция магнитопровода вращающегося трансформатора представлена на фиг. 6. Трансформатор намотан на броневом сердечнике, выполненном из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, одна половина которого 11 укреплена на корпусе и содержит первичную обмотку питания 12, а другая 13 - на валу, и содержит вторичную обмотку 14. Трансформатор одновременно с питанием ротора осуществляет функцию передачи сигнала, управляющего величиной тока ротора. Наконец, трансформатор может одновременно осуществлять и стабилизацию тока ротора в качестве феррорезонансного стабилизатора. Для этого на нем размещаются обмотки управления и подмагничивания.

Блок-схема питания и управления электромотором представлена на фиг. 7, где обозначены: 18 - выпрямитель питания обмоток ротора, 19 - обмотка подмагничивания, посредством которой стабилизируется ток ротора, 20 - управляющая обмотка вращающегося трансформатора, 21 и 22 - питание, 23 - блок управления статора и ротора электромотора.

Описываемый электромотор предназначен прежде всего для использования в качестве привода электрического транспорта. При этом в режиме рекуперативного торможения этот электромотор может работать в качестве весьма эффективного генератора (многополюсного, переменного тока). Для этого достаточно переключить обмотки статора с питания на нагрузку (магнитный тормоз). Для эффективного воздушного охлаждения вал электромотора выполнен полым и перфорированным по поверхности 15, также перфорирован и корпус. Через полость и перфорацию вала внешний воздух засасывается за счет вращения дисков ротора также как в центробежном насосе и выбрасывается нагретым через перфорацию корпуса.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электродвигателям. Технический результат изобретения, заключающийся в снижении электромагнитных потерь электромотора, достигается путем того, что в торцевом наборном электромоторе, состоящем из статора и ротора, выполненных в виде дисков, размещенных в корпусе на общей оси в чередующемся порядке, причем статорные диски жестко связаны с корпусом, а роторные закреплены на валу, каркас роторных и статорных дисков выполнен из непроводящего и немагнитного материала, в каркасах дисков размещено секториально одинаковое четное число катушек, намотанных на сердечниках, выполненных из материала с высокой магнитной индукцией и низким полем насыщения, закрытых с обеих сторон полюсными пластинами из того же материала, соединенных последовательно и так, что их магнитные полюса на сторонах дисков чередуются. 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Торцевой наборный электромотор, состоящий из статора и ротора, выполненных в виде дисков, размещенных в корпусе на общей оси в чередующемся порядке, причем статорные диски жестко связаны с корпусом, а роторные закреплены на валу, отличающийся тем, что каркас роторных и статорных дисков выполнен из непроводящего и немагнитного материала, в каркасах дисков размещено секториально одинаковое четное число катушек, намотанных на сердечниках, выполненных из материала с высокой магнитной индукцией и низким полем насыщения, закрытых с обеих сторон полюсными пластинами из того же материала, соединенных последовательно и так, что их магнитные полюса на сторонах дисков чередуются. 2. Электромотор по п. 1, отличающийся тем, что роторные диски размещены без углового смещения, а статорные повернуты последующий относительно предыдущего на одинаковый угол, не кратный углу между катушками дисков, причем направление магнитных полярностей катушек ротора, находящихся на общей прямой, и катушек статора, находящихся на общей винтовой линии, одинаково. 3. Электромотор по п. 2, отличающийся тем, что обмотки ротора питаются управляемым по величине, стабилизированным постоянным током, а каждый из статорных дисков питается стабилизированным переменным током прямоугольной формы, синхронизированным с вращением ротора относительно статора и сдвинутым по фазе соответственно угловому смещению дисков статора, причем перемена знака тока в каждом из статорных дисков происходит в момент прохождения катушек роторного диска перед катушками статорного. 4. Электромотор по п. 3, отличающийся тем, что ротор питается переменным током с последующим выпрямлением через вращающийся трансформатор на броневом сердечнике из материала с высокой магнитной проницаемостью, причем одна половина сердечника связана с корпусом и содержит первичную обмотку, а другая половина закреплена на валу и содержит вторичную обмотку, а ток, снимаемый с вторичной обмотки, управляется по сигналу, передаваемому по этому трансформатору. 5. Электромотор по п. 4, отличающийся тем, что вращающийся трансформатор осуществляет стабилизацию питающего тока ротора, для чего на нем размещены дополнительно обмотки управления и подмагничивания. 6. Электромотор по п. 3, отличающийся тем, что его вал выполнен полым, а поверхность вала и корпуса перфорированы.