ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2004 года по МПК H02K21/24 H02K21/12 

Изобретение относится к низкооборотной электрической машине, например к двигателю, генератору или к комбинированному двигателю-генератору, описанному во вводной части п.1 формулы изобретения.

Уровень техники

Низкооборотная электрическая машина может использоваться для различных целей, например для морских или наземных транспортных средств, для подъемников и лифтов, а в некоторых случаях также и для производства электроэнергии. Такие машины известны как синхронные машины с постоянной намагниченностью. Однако эти машины не всегда подходят для тех целей, где предъявляются требования к эффективности и габаритам.

В связи со стоимостью энергии и ее подачи растут требования к экономии энергии. Особенно это относится к двигателям-генераторам, предназначенным для транспортных средств и других целей и питаемых от батарей. Для уменьшения требуемой емкости батареи и расширения диапазона применений или для увеличения выходной мощности устройств, в которых питание осуществляется от батарей, необходима наибольшая возможная эффективность.

В некоторых ситуациях критическим фактором также является необходимость экономии места.

Цель изобретения

Главной целью изобретения является создание усовершенствованной электрической машины, в частности двигателя, который характеризуется большей экономичностью и меньшими габаритами, чем известные машины, предназначенные для аналогичных целей. В целом целью настоящего изобретения является создание электрической машины с большим КПД, которая может конкурировать с существующими синхронными машинами, предназначенными для промышленных целей, но в то же время способна работать от батарей и использоваться для приведения в движение транспортных средств и других устройств без необходимости постоянной подачи дополнительной энергии.

Особенно важно создать низкооборотную электрическую машину с электронным регулированием привода, с целью устранения потребности в зубчатой передаче. Кроме того, желательна возможность масштабирования машины в широких пределах в соответствии с ее назначением, а кроме того, возможность использования идентичных компонентов в машинах различных размеров.

Другие цели, связанные с конкретными областями использования, будут понятны из последующего описания вариантов выполнения настоящего изобретения.

Сущность изобретения

В соответствии с изобретением, предлагается низкооборотная электрическая машина, такая как двигатель, генератор или комбинированный двигатель-генератор, содержащая кольцеобразный ряд обмоток статора на железных сердечниках из листов или прессованного порошка железа, и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, в частности, синхронная машина с постоянной намагниченностью для синусоидального напряжения, в которой

- обмотки выполнены сосредоточенными, а не распределены в пазах,

- сердечники с обмотками чередуются с железными сердечниками без обмоток, так что на каждом втором железном сердечнике имеется обмотка,

число промежутков между сердечниками отличается от числа полюсов, при этом число промежутков между сердечниками s и число полюсов р следует выражениям

|s-p|=2·m и s=12·n·m,

где n и m - натуральные числа, причем машина рассчитана на трехфазное напряжение с последовательным соединением соседних катушек для получения 2·m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно.

Эта машина пригодна для работы в качестве двигателя, например для транспортных средств, толкающих винтов и лебедок. Ее размеры могут быть разными. В пределах одного диапазона размеров для разных машин могут использоваться одинаковые элементы, например порошковые сердечники, магниты, железные ярма для магнитов, катушки и пластмассовые каркасы для порошковых сердечников. Эта стандартизация элементов снижает стоимость изготовления.

Электрическая машина может быть выполнена в виде машины с осевым полем, в которой два или более ротора установлены рядом друг с другом с формированием множества воздушных зазоров.

Электрическая машина может быть выполнена в виде машины с неподвижными статорными обмотками, в которой

- статорные обмотки установлены на трубчатой опоре,

- статорные обмотки встроены в цилиндрический носитель из непроводящего материала,

- магнитные элементы размещены в виде двух симметрично расположенных кольцеобразных рядов.

При этом кольцеобразные ряды магнитных элементов могут быть прикреплены к паре кольцевых дисков, между которыми удерживается обод, а трубчатая опора статора может быть прикреплена к неподвижной несущей оси.

Электрическую машину, выполненную согласно изобретению (особенно в виде двигателя), можно приспособить для разных целей, например для привода кресел на колесах и других транспортных средств, подруливающих устройств на судах, лебедок и для технологических применений, в которых требуется медленное вращение. Исключается потребность в передаточных механизмах, а затраты становятся ниже, чем для известных устройств. Управление вращением и переходом от режима двигателя к режиму генератора могут быть осуществлены на основе известных принципов с помощью электронных средств управления, которые в большинстве случаев могут размещаться в корпусе машины.

При применении в качестве двигателя электрическая машина, выполненная согласно изобретению, обладает несколькими преимуществами:

- низкой вибрацией при работе и, как следствие, низким шумом,

- большим пусковым вращательным моментом,

- высокой эффективностью, особенно при использовании шихтованных сердечников,

- высокой гибкостью конструкции, особенно в отношении основных габаритов,

- возможностью установки двух и более статоров и, таким образом, возможностью масштабирования,

- использованием стандартных компонентов, в частности порошковых сердечников, магнитов, железных ярм, катушек и каркасов с катушками.

Наибольший эффект изобретение дает при его использовании в машинах с аксиальным полем, то есть аксиальным намагничиванием. Однако оно будет работать и с радиальным полем, когда легкость установки и демонтажа имеют особую важность.

Другие детали изобретения будут понятны из последующего описания вариантов его выполнения.

Примеры

Изобретение описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, где:

на фиг.1 показано осевое сечение варианта выполнения, предназначенного для использования в качестве интегрированного низкооборотного двигателя транспортного средства. Этот вариант выполнения настоящего изобретения может использоваться для привода кресел на колесах, автомобилей или других транспортных средств;

на фиг.2 схематично показано сечение статорных обмоток с сердечниками из порошка железа;

на фиг.3 схематично показана обмотка, изображенная на фиг.2.

Электрическая машина, изображенная на фиг.1, представляет собой двигатель, способный приводить в движение транспортное средство, например кресло на колесах, автомобиль или другие колесные транспортные средства. Периодически она может работать как генератор, например при торможении. Двигатель включает ось 11, которая с помощью внутреннего постепенно сужающегося конца 12 со шпоночной канавкой 13 и шпонки 14 прикреплена к несущему кронштейну 15 или соответствующей скобе на транспортном средстве. Фиксация осуществляется гайкой 16 с шайбой 17.

На оси 11 находятся статорная часть 18 и роторная часть, каждая из которых содержит множество компонентов. Статорная часть 18 включает втулку 19, плотно посаженную на ось, с внутренним радиальным центральным фланцем 20, несущим цилиндрическую статорную втулку 21, идущую по направлению к несущему кронштейну 15, но оканчивающуюся на некотором расстоянии в осевом направлении от этого элемента. Статорная втулка 21 имеет литой каркас 22 из пластмассы с вложенными в него обмотками 23, которые распределены по окружности. В иллюстрируемом варианте выполнения настоящего изобретения имеются восемнадцать отдельных статорных обмоток 23. Статорные катушки в радиальном сечении имеют прямоугольную форму, которая соответствует описанной ниже роторной части. Статорная обмотка также более подробно описана ниже.

В качестве носителя ротора и колеса используются внутренний кольцевой диск 24 и внешний кольцевой диск 25, причем внешний диск составляет одно целое с цилиндрическим, в целом, ободом 26, который также прикреплен к внутреннему диску.

Внутренний диск 24 установлен на корпусе 27 подшипника с подшипником 28, установленным на оси 11 вблизи несущего кронштейна 15. По периметру внутренний диск 24 соединен с фланцем 29 обода 26 с помощью винтов 30.

Внешний диск 25 установлен у конца втулки 19 и прикреплен винтами 31 к центральному корпусу 32, который также служит корпусом подшипника 33, установленного на конце оси 11. Внешний торец обода 26 имеет второй фланец 34, который, совместно с внутренним фланцем 29, обеспечивает посадочное место для шины (не показана) или другой насадки на колесо. Для ниппельной трубки в ободе 26 вблизи внешнего фланца 34 имеется отверстие 35.

Диски 24 и 25 исполняют роль корпуса двигателя и опорного элемента ротора, причем на каждом из дисков расположен набор сегментов ротора, или магнитов 36. Магниты 36, по тридцать восемь с каждой стороны в рассматриваемом варианте выполнения машины, могут быть изготовлены из какого-либо известного магнитного материала. Они установлены на железном кольце 37, прикрепленным к соответствующим дискам 24 и 25 винтами 38 с внешней стороны. Важно отметить, что число магнитов отличается от числа промежутков между железными элементами (сердечниками) обмоток.

Между магнитами 36 и каркасом 22 статора имеется воздушный зазор А. Этот воздушный зазор постоянен отчасти благодаря внешнему подшипнику 33, что обеспечивает высокую стабильность.

Для подвода силового кабеля (не показан) к обмоткам 23 в оси 11 имеется осевой канал 39, который через наклонный канал 40 сообщается с областью 41 внутри статорной втулки. Продолжение канала в оси сообщается с областью 42 у конца оси для размещения части электронных схем управления.

Область 41 внутри статорной втулки 21 также может служить для размещения компонентов схем управления. В свободном пространстве между дисками 24, 25 может быть установлено тормозное устройство, например при использовании этой машины в транспортных средствах.

На фиг.2 схематично показаны обмотки аксиальной машины, изображенной на фиг.1, с тремя двойными наборами статорных обмоток 23А, 23В, 23С и 23А′, 23В′, 23С′, соответственно, которые установлены на железных сердечниках 45, выполненных из листов или из порошка железа. Катушки распределены и не находятся в пазах. Каждый набор обмоток окружает три железных сердечника, между которыми расположен свободный железный сердечник 46. Таким образом, всего имеется тридцать шесть железных сердечников 45.

В общем случае, число промежутков между сердечниками s и число полюсов р определяются выражением

|s-р|=2·m и s=12·n·m,

где n и m - натуральные числа, причем на каждую фазу приходится 2·m групп, соединенных последовательно или параллельно.

Набор обмоток может быть соединен последовательно, как показано на чертеже, или параллельно, но в обоих случаях с расчетом на трехфазное питание (RST).

Вариант выполнения изобретения с сердечниками из порошка железа характеризуется меньшей эффективностью, чем вариант с сердечниками из листовых пластин, но это не является критичным для некоторых устройств с ограниченным сроком службы. С другой стороны, расходы существенно уменьшаются.

Обмотки статора 23 на железных сердечниках 45 залиты в пластмассовый элемент или каркас 23 статора (фиг.1).

На фиг.3 показана схема обмотки для обмотки, изображенной на фиг.2, с набором обмоток для каждой фазы и с их выводами, подготовленными для последовательного или параллельного соединения. На этом чертеже n=3 и m=1.

Модификации

Можно использовать обычные шихтованные железные сердечники. Это обеспечивает более высокую эффективность, но несколько повышает стоимость. Оптимальный выбор определяется назначением машины. Ее конструкция может быть изменена в зависимости от различных потребностей. В одном из вариантов выполнения машины диски 24, 25 с внешним ободом 26 могут быть соединены с какой-либо опорой, в то время как вал 11 может быть соединен с блоком, который требуется вращать.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим машинам, например двигателям, генераторам или комбинированным двигатель-генераторам, в частности к синхронным машинам с постоянной намагниченностью, рассчитанным на синусоидальное напряжение. Сущность изобретения состоит в том, что такая электрическая машина содержит кольцеобразный ряд обмоток (23) статора, размещенных на железных сердечниках (45) из листов или прессованного железного порошка, и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов (36) ротора. Обмотки сосредоточены, сердечники (45) с обмотками чередуются с железными сердечниками (46) без обмоток. На каждом втором железном сердечнике имеется обмотка; число промежутков между сердечниками s и число полюсов р не совпадает, причем данные число промежутков s и число полюсов р следует выражениям |s-p|=2·m и s=12·n·m, где n и m – натуральные числа. При этом электрическая машина рассчитана на трехфазное напряжение с последовательным соединением соседних катушек, так чтобы получить 2·m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Предлагаемая электрическая машина, как двигатель, может использоваться, в частности, для привода колес в транспортном средстве. Технический результат – повышение КПД, экономичности, снижение габаритов. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Низкооборотная электрическая машина, такая как двигатель, генератор или комбинированный двигатель-генератор, содержащая кольцеобразный ряд обмоток (23) статора на железных сердечниках (45) из листов или прессованного порошка железа, и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов (36) ротора, в частности, синхронная машина с постоянной намагниченностью для синусоидального напряжения, отличающаяся тем, что обмотки выполнены сосредоточенными, а не распределены в пазах, сердечники (45) с обмотками чередуются с железными сердечниками (46) без обмоток, так что на каждом втором железном сердечнике имеется обмотка, число промежутков между сердечниками отличается от числа полюсов, при этом число промежутков между сердечниками s и число полюсов р следует выражениям

|s-p|=2·m и s=12·n·m,

где n и m – натуральные числа,

причем машина рассчитана на трехфазное напряжение с последовательным соединением соседних катушек для получения 2·m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно.