МОДУЛЬНАЯ РАДИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОПЕРЕЧНЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ Российский патент 2008 года по МПК H02K19/00 H02K21/00 H02K1/06 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству электрических машин, работающих в генераторном или двигательном режиме. Известна синхронная машина (US 6492758 В1, опубликован 10.12.2002 United States Patent), содержащая статор из прессованных элементов с обмотками кольцевой формы. Указанная конструкция имеет следующие недостатки: необходимо много дополнительных компонентов для сборки, намотка катушек на сегменты, наличие лобовых частей обмоток, не задействованных в потоке, затрудненное крепление частей на общей станине, прессование элементов или литье сложной формы. Известна синхронная машина (WO 96/19861, опубликован 27.06.1996), состоящая из статора в форме поперечных пластин, расположенных по очередности вокруг обмотки кольцевой формы, или пластин, соединяемых в срединной части и разомкнутых по краям. Недостатком конструкции является то, что сборка указанной конструкции является сложной. Изогнутый пакет пластин, соединяемых в срединной части, не технологичен в изготовлении. Ротор выполнен со скошенными полюсами. Крышки для пакетов пластин выполняются с определенными размерами пазов под пакеты.

Наиболее близким аналогом является электрическая машина, предложенная (WO 00/60720, опубликован 12.10.2000). Статор выполнен из прессованных элементов когтеобразной формы, расположенных с внешних сторон обмотки статора. Обмотка выполнена тороидальной. Указанная конструкция имеет следующий недостаток: сложность сборки и изготовления статора, крепления на статорной опоре. Дополнительным недостатком является то, что определенные размеры сегментов могут применятся для конструкции машин с заранее заданной конфигурацией (диаметр, количество полюсов), что, как подчеркивалось, не приводит к универсальности применения элементов, образующих машину, для разных параметров и конфигурации. Указанные недостатки решаются в изобретении тем, что пластины 1 из магнитомягкого материала (электротехнической стали), образующие статор, собраны у основания (по внутреннему диаметру) плотно друг к другу кругом и впрессованы в паз кольцевой формы диска 2, являющегося основанием для крепления статора и подшипников. Форма элементов выполнена с одинаковым внешним и внутренним контуром с целью безотходной технологии их производства путем рубки полосы с определенным контуром. Диски с запрессованными элементами скрепляются между собой так, чтобы элементы были между собой плотно соединены по плоскости в средней части, образуя статорный модуль.

Элементы частей статора могут быть плотно соединены между собой не только прессованием в диск, но и быть залиты в собранном виде различными связующими (смолами, полимерами, компаундом...). Обмотка 3 выполнена тороидальной и может быть заизолирована отдельно от статора. Перед сборкой статора пластины на периферии (по наружному диаметру) сдвигаются в пакеты необходимого размера. Затем обе части соединяются друг с другом, входя пакетами в полости в противоположной части. При этом между ними располагается обмотка. Аналогично конструкции статора выполняется ротор. Сборка ротора производится несколько в иной последовательности, и ротор указанной конструкции всегда является внешним в силу геометрических особенностей конструкции. Внутренние диски 4 ротора крепятся на валу, образуя роторный модуль. В качестве источника магнитного поля ротора используется магнит тороидальной формы, намагниченный в осевом направлении, или обмотка возбуждения 5, или магниты сегментной формы, намагниченные в осевом направлении. Если машина используется в двигательном режиме, то в роторе может применяться короткозамкнутая обмотка без источника постоянного магнитного поля, делая тем самым машину асинхронной. Данная конструкция может применяться и в линейных электрических машинах. Изготовление пластин 1 с одинаковым внутренним и внешним контуром не допускает отходов, дополнительно у такой формы достигается скос полюсов, позволяющий минимизировать утечку магнитного потока рассеяния. Конструкция пластин позволяет их удобно крепить на станине или валу машины. С применением ротора аналогичной конструкции появляется возможность увеличивать величину магнитного потока с применением редкоземельных магнитов с высокой остаточной напряженностью магнитного поля путем введения в структуру ротора магнитомягких материалов большего сечения, которыми и являются пластины 1. Дополнительным преимуществом указанной конструкции является то, что количество и толщина пакетов, образованных из пластин 1, может быть изменена с сохранением диаметра машины с целью увеличения или уменьшения частоты при постоянных оборотах. Пластины 1 дополнительно выполняют функцию отвода тепла от обмотки во время работы. Конструкция машины является модульной, что позволяет без усилий заменить обмотку, при необходимости изменить частотные характеристики машины путем изменения количества чередующихся пакетов. В многорядном исполнении Фиг.3 может использоваться как электромеханический преобразователь частоты. Каждый статорный модуль, выполненный в указанном порядке, образует одну фазу в одном ряду Фиг.3. Машина может быть выполнена многофазной путем совмещения в единую конструкцию нескольких модулей, сдвинутых относительно друг друга на определенный угол, Фиг.3. В случае применения постоянного магнита концы по краям ротора не шунтируются. Если в качестве возбудителя применяется обмотка, с внешней стороны машины концы полюсов ротора могут шунтироваться с целью замыкания магнитного потока.

На Фиг.1 изображена однофазная электрическая машина по элементам, состоящая из пластин 1 с одинаковым внешним и внутренним контуром, собранных в пакеты и запрессованных в диски 2. Между двумя частями статора расположена обмотка 3. Ротор выполнен из элементов с другим одинаковым внешним и внутренним контуром, запрессованных в диски 4, составляющих две части ротора, между которыми расположен магнит (или обмотка) 5 тороидальной формы, намагниченный в осевом направлении. Магнит может быть собран из сегментов, составляющих кольцо, намагниченных в осевом направлении. На Фиг.2 изображен разрез собранной однофазной машины. Фиг.3 изображает конструкцию трехфазной машины, состоящую из трех статорных модулей, смещенных относительно друг друга на определенный угол.

На Фиг.4 изображен первый вариант расположения и совмещения пластин 1 вдоль оси машины, составляющих две части статора или ротора. Обе части сопрягаются в поперечной плоскости. На Фиг.5 изображен второй вариант исполнения частей машины из пластин 1 с размещением между ними разомкнутого кольца 6 из магнитомягкого материала. На Фиг.6 изображен третий вариант статора и ротора из пакетов пластин 1, перекрываемых (накладываемых) друг друга в основании по внутреннему диаметру.

Стрелками на Фиг.4, 5 и 6 изображено направление прохождения магнитного потока во время работы машины.

Электрическая машина работает следующим образом: в генераторном режиме источником магнитного поля может быть как постоянный магнит тороидальной формы (или магниты сегментной формы), расположенный между двумя частями ротора, намагниченный в одном осевом направлении, так и обмотка возбуждения кольцевой формы. Поскольку пластины на модулях расположены в чередующемся порядке, на их торцах, находящихся в одной плоскости, образуются разные магнитные полярности. При движении ротора пакеты пластин, находящиеся на внешней или внутренней части ротора, располагаются напротив пакетов пластин статора, соответственно, в определенный момент времени. Под действием МДС ротора в статоре создается магнитный поток определенного направления. В следующий момент времени относительное положение пакетов меняется и меняется направление магнитного потока в статоре. Все остальные случаи многофазных машин являются его различными комбинациями. При изменении направления магнитного потока в магнитопроводе статора в обмотке статора наводится знакопеременная ЭДС, что при подключении к нагрузке приводит к возникновению тока в цепи. В двигательном режиме обмотка статора подключается к внешней сети с переменным напряжением, что приводит к возникновению переменной МДС статора, которая, взаимодействуя с постоянным магнитным потоком ротора, приводит его в движение. При использовании короткозамкнутой обмотки на роторе машина работает в асинхронном режиме, т.е. становится асинхронным двигателем. Возможны промежуточные варианты с использованием короткозамкнутой демпферной обмотки на роторе, если машина является синхронной для асинхронного пуска, если она работает в двигательном режиме и для защиты обмотки ротора или постоянных магнитов от перегрузки, если машина работает в генераторном режиме. Изменение толщины пакетов и, следовательно, их количества при постоянном диаметре машины позволяет увеличить частоту индуктируемой ЭДС в генераторном режиме при постоянных оборотах и увеличить обороты машины, работающей в двигательном режиме, при увеличении толщины пакетов и уменьшении их количества.

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к электрическим машинам, работающим в генераторном или двигательном режиме. Технический результат - обеспечение максимального крутящего момента и больших частот при небольших оборотах, простоты укладки обмотки и безотходной технологии изготовления модульной электрической машины и улучшение ее охлаждения. Данный технический результат достигается тем, что в электрической машине, состоящей из статора, собранного из элементов когтеобразной формы в чередующейся последовательности разных осевых направлений, соединенных по плоскости в средней части статора по внутреннему диаметру между собой вокруг обмотки кольцевой формы, согласно изобретению статор выполнен из двух разъемных между собой одинаковых частей, каждая из которых собрана из элементов с одинаковым внутренним и внешним контуром, выполненных из листового магнитомягкого материала, собранных и скрепленных плотно друг к другу по внутреннему диаметру, а по наружному диаметру каждой части элементы сдвигаются в пакеты и входят в паз между пакетами противоположной части, образуя статорный модуль. Ротор выполнен аналогично, только элементы ориентированы контактной поверхностью во встречном направлении к статору и по внутреннему диаметру обоих частей собираются в пакеты на определенном расстоянии с возможностью вхождения противоположной части ротора пакетами в образованные пазы между пакетами другой части. В качестве источника магнитного поля ротора используется магнит тороидальной формы, или магниты сегментной формы, намагниченные в одном осевом направлении, или обмотка возбуждения, или короткозамкнутая обмотка. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электрическая машина, состоящая из статора, собранного из элементов когтеобразной формы в чередующейся последовательности разных осевых направлений, и соединенных по плоскости в средней части статора по внутреннему диаметру между собой вокруг обмотки кольцевой формы, отличающаяся тем, что статор выполнен из двух разъемных между собой одинаковых частей, каждая из которых собрана из элементов с одинаковым внутренним и внешним контуром, выполненных из листового магнитомягкого материала, собранных и скрепленных плотно друг к другу по внутреннему диаметру, по наружному диаметру каждой части элементы сдвигаются в пакеты и входят в паз, между пакетами противоположной части образуя статорный модуль, ротор выполняется аналогично, только элементы ориентированы контактной поверхностью во встречном направлении к статору и по внутреннему диаметру обоих частей собираются в пакеты на определенном расстоянии с возможностью вхождения противоположной части ротора пакетами в образованные пазы между пакетами другой части, в качестве источника магнитного поля ротора используется магнит тороидальной формы, или магниты сегментной формы, намагниченные в одном осевом направлении, или обмотка возбуждения, или короткозамкнутая обмотка, размещенные между двумя частями ротора.2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что между обеими частями статора расположено разомкнутое кольцо из магнитомягкого материала.3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что между обеими частями статора и обеими частями ротора расположено разомкнутое кольцо из магнитомягкого материала.4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что пакеты из пластин обеих частей статора по внутреннему диаметру, расположены на определенном расстоянии с возможностью вхождения пакетов противоположной части в пазы между пакетами другой части и создания плотного контакта по внутреннему диаметру.5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что элементы, выполненные из листового магнитомягкого материала, имеют не одинаковый внутренний и внешний контур.6. Электрическая машина по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что машина выполнена многофазной путем крепления статорных модулей в едином корпусе со смещением на определенный угол относительно друг друга.