ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ Российский патент 2008 года по МПК H02K21/12 H02K1/27 

Настоящее изобретение относится к электрической машине, такой, например, как электродвигатель или электрический генератор, содержащей ротор, статор и постоянный магнит.

Электрические машины такого типа хорошо известны из уровня техники, например из US 5345130 А или JP 09-056092 А1. При этом известны, например, электродвигатели, у которых постоянные магниты расположены либо на статоре, либо на роторе. Обычно постоянные магниты крепят к ротору, соответственно к статору клеем. У подобного рода электрических машин на пульсацию вращающего момента влияет воздушный зазор между ротором и статором. С увеличением воздушного зазора при этом увеличиваются магнитные потери, которые отрицательно влияют на эффективность передачи вращающего момента. Тем самым для снижения величины тормозящего момента, соответственно для уменьшения пульсации вращающего момента, необходимо увеличивать в окружном направлении воздушный зазор между постоянными магнитами и наружной стороной полюса. Вместе с тем учитывая разнообразие областей применения электродвигателей, в некоторых случаях требуется обеспечить высокий тормозящий момент, как, например, в серводвигателях привода дроссельной заслонки и т.д., а в некоторых случаях требуется обеспечить малую пульсацию вращающего момента, как, например, в электродвигателях, используемых в системах рулевого управления, соответственно усилителях рулевого привода. Однако из-за обусловленной этим необходимости соответствующего конструктивного исполнения электрической машины предпочтительно, чтобы ширина воздушного зазора между статором и ротором изменялась симметрично в зоне полюсов, что приводит к упомянутым выше потерям при передаче вращающего момента.

Объектом изобретения является электрическая машина, содержащая ротор, статор и постоянно намагниченный элемент, который закреплен на роторе или статоре и ограничивает между ротором и статором воздушный зазор, обращенная к которому поверхность постоянно намагниченного элемента имеет цилиндрическую форму, благодаря которой воздушный зазор имеет постоянную ширину, и обращенная от которого поверхность постоянно намагниченного элемента имеет отличную от цилиндрической форму и поэтому постоянно намагниченный элемент имеет изменяющуюся в его окружном направлении толщину. Достоинством такой электрической машины является то, что воздушный зазор между статором и ротором остается постоянным по всей своей осевой длине. Несмотря на это, в такой электрической машине можно изменять тормозящий момент, соответственно пульсацию вращающего момента. Еще одно преимущество, связанное с постоянной шириной воздушного зазора между статором и ротором, заключается в возможности отказаться от принятия мер по защите от осколков магнита. Для этого обращенную к воздушному зазору поверхность постоянно намагниченного элемента предлагается выполнять цилиндрической формы. За счет этого при условии, что поверхность расположенной по другую сторону воздушного зазора детали также имеет цилиндрическую форму, удается простым путем обеспечить постоянную ширину воздушного зазора. Обращенная же от воздушного зазора поверхность постоянно намагниченного элемента имеет форму, отличную от формы круглого цилиндра. Варьируя геометрические параметры этой нецилиндрической поверхности, можно уменьшать, соответственно увеличивать, тормозящий момент и/или пульсацию вращающего момента. В зависимости от назначения электрической машины ее постоянно намагниченный элемент можно располагать либо на роторе, либо на статоре. При установке постоянно намагниченного элемента на роторе отличную от формы круглого цилиндра форму будет иметь его внутренняя окружная поверхность. И наоборот, при установке постоянно намагниченного элемента на статоре отличную от формы круглого цилиндра форму будет иметь его наружная поверхность.

Однако в известных электрических машинах постоянно намагниченный элемент крепится к статору или ротору посредством клеевого соединения, которое может быть нарушено из-за различий в тепловом расширении отдельных деталей и промежуточного клеевого слоя.

Для устранения этой проблемы в изобретении предлагается устанавливать постоянно намагниченный элемент на статоре или роторе с упругой опорой на пружину. Соответственно, отличие предлагаемой в изобретении электрической машины заключается в том, что она имеет пружину, в частности, кольцевой формы, служащую упругой опорой для постоянно намагниченного элемента. Подобное крепление постоянно намагниченного элемента к статору или ротору позволяет избежать проблем, присущих обычно использовавшемуся ранее клеевому соединению между собой магнита и статора или ротора и обусловленных различиями в тепловом расширении отдельных деталей и промежуточного клеевого слоя, поскольку пружинный элемент выполняет функцию компенсатора таких различий, не допуская возникновения в деталях трещин или иных аналогичных повреждений. Применение пружины для создания упругой опоры позволяет компенсировать бóльшие различия в тепловом расширении отдельных деталей, а различные возможности формообразования пружины: в виде замкнутого или разомкнутого кольца либо отдельных пружинных элементов позволяют согласовать упругое крепление намагниченного элемента с соответствующими требованиями. При этом пружина может служить опорой, пружинящей как в радиальном направлении, так и в окружном и осевом направлениях.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения толщина постоянно намагниченного элемента, отсчитываемая с его обращенной от воздушного зазора стороны, изменяется непрерывно. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения толщина постоянно намагниченного элемента изменяется скачкообразно. Такое скачкообразное изменение толщины постоянно намагниченного элемента можно обеспечить, предусмотрев, например, на соответствующей его поверхности выемки в форме пазов П-образного в сечении профиля.

В предпочтительном варианте постоянно намагниченный элемент имеет по длине проходящего в его осевом направлении среднего участка постоянную ширину, а по длине каждого из проходящих в его осевом направлении концевых участков имеет с обращенной от воздушного зазора стороны поверхность нецилиндрической формы. В соответствии с этим магнитный поток распределяется неодинаково вдоль осевой протяженности постоянно намагниченного элемента, что позволяет выполнять электрическую машину в соответствии с самыми различными требованиями.

В особенно предпочтительном варианте участки, на которых постоянно намагниченный элемент имеет уменьшенную толщину, расположены примерно по середине его униполярных участков. Подобное расположение участков уменьшенной толщины позволяет получить электрическую машину с высоким тормозящим моментом, соответственно значительной пульсацией вращающего момента. Подобные участки уменьшенной толщины наиболее предпочтительно выполнять симметричными относительно середины соответствующих униполярных участков постоянно намагниченного элемента. Соблюдение этого условия позволяет изготавливать электрические машины с одинаковой характеристикой вращающего момента вне зависимости от того, вращается ли их ротор влево или вправо.

Для уменьшения же тормозящего момента, соответственно пульсации вращающего момента, предусматриваемые с обращенной от воздушного зазора стороны постоянно намагниченного элемента участки, на которых уменьшается его толщина, располагают на переходном участке между парами соседних полюсов. Для обеспечения одинаковой характеристики вращающего момента у электрических машин с левым и правым вращением ротора указанные участки, на которых уменьшается толщина постоянно намагниченного элемента, и в этом случае наиболее предпочтительно выполнять симметричной формы.

Пружину наиболее предпочтительно закреплять в выполненных в постоянно намагниченном элементе выемках, влияющих на пульсацию вращающего момента, соответственно на величину тормозящего момента.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - продольный разрез электрической машины, выполненной по первому варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.2 - схематичный вид в поперечном разрезе показанной на фиг.1 электрической машины,

на фиг.3 - увеличенный фрагмент электрической машины, обведенный окружностью на фиг.2,

на фиг.4 - схематичный вид в поперечном разрезе электрической машины, выполненной по второму варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.5 - увеличенный фрагмент показанной на фиг.4 электрической машины и

на фиг.6 - схематичный вид в поперечном разрезе электрической машины, выполненной по третьему варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1-3 показана электрическая машина 1, выполненная по первому варианту осуществления настоящего изобретения. Эта электрическая машина 1 имеет статор 4 и ротор 2, на валу которого установлены шихтованный сердечник 5 из листовой стали и постоянно намагниченный элемент 3. Постоянно намагниченный элемент 3 представляет собой шестиполюсный кольцевой магнит с фазовым углом α, равным 60°. Такой кольцевой магнит представляет собой недорогую деталь, изготовленную спеканием. Между постоянно намагниченным элементом 3 и статором 4 имеется воздушный зазор 7 постоянной ширины в направлении Х-Х оси электрической машины 1 и в ее окружном направлении. Постоянная ширина воздушного зазора обеспечивается за счет выполнения наружной боковой поверхности постоянно намагниченного элемента 3 цилиндрической формы. Постоянная ширина воздушного зазора 7 по всей окружности ротора обеспечивается за счет выполнения цилиндрической формы и внутренней боковой поверхности статора 4.

Как показано прежде всего на фиг.2 и 3, постоянно намагниченный элемент 3 соединен с шихтованным сердечником 5 ротора, а тем самым и с самим ротором 2 пружиной 6. Эта пружина 6 выполнена в виде кольцевой пружины и обладает упругими свойствами не только в радиальном направлении, но и в окружном и осевом направлениях ротора. Для этого пружина 6 имеет выступающие участки 10, которые закреплены в выполненных на внутренней окружной стенке кольцевого магнита выемках 8. Как показано на фиг.2 и 3, каждая из этих выемок 8 расположена на соответствующем переходном участке 9 между соседними полюсами кольцевого магнита. Выемки 8 имеют при этом в основном П-образную в сечении форму и для более надежного закрепления в них пружины 6 могут иметь поднутрения. Помимо этого, выемки 8 выполнены симметрично относительно переходного участка 9 между полюсами.

Обращенная от воздушного зазора 7 поверхность кольцевого магнита 3 из-за наличия на ней выемок 8 имеет отличную от цилиндрической форму. В соответствии с этим постоянно намагниченный элемент 3 имеет в определенных местах уменьшенную толщину d. Тем самым варьируя размеры и геометрическую форму выемок 8, можно влиять на тормозящий момент, соответственно на пульсацию вращающего момента, и, несмотря на это сохранять постоянную ширину воздушного зазора 7. При этом воздушный зазор можно простым путем выполнить минимальной ширины. Помимо этого, пружины 6 обеспечивают радиальное центрирование постоянно намагниченного элемента 3.

В показанном на фиг.1-3 варианте выемка 8 выполнена не по всей осевой длине постоянно намагниченного элемента 3, а только на каждом из его концов (см. фиг.1). Подобное выполнение выемок 8 позволяет минимизировать оказываемое ими влияние на магнитный поток. Однако, в принципе, выемки на обращенной от воздушного зазора 7 поверхности постоянно намагниченного элемента можно выполнять и по всей его осевой длине. Помимо этого, необходимо отметить, что пружина 6 не обязательно должна быть выполнена в виде полностью замкнутого кольца, а может состоять из множества отдельных пружинных элементов или может представлять собой разомкнутое пружинное кольцо. Кроме того, такая пружина позволяет компенсировать различия в обусловленных варьированием температуры изменениях длины отдельных частей ротора.

Ниже со ссылкой на фиг.4 и 5 рассмотрена электрическая машина, выполненная по второму варианту осуществления настоящего изобретения. В отличие от первого варианта во втором варианте на обращенной от воздушного зазора 7 поверхности постоянно намагниченного элемента 3 вместо выемок П-образной в сечении формы предусмотрены утоняющиеся участки 11. Эти утоняющиеся участки 11, которые более детально видны на фиг.5, расположены по середине каждого униполярного участка полюсов кольцевого магнита 3. В соответствии с этим постоянно намагниченный элемент имеет уменьшенную толщину d по середине каждого униполярного участка N, S. При этом толщина кольцевого магнита на каждом из этих утоняющихся участков 11 симметрично уменьшается, начиная от внутреннего диаметра D_i на переходном участке между соседними полюсами кольцевого магнита (см. фиг.5, где постоянный внутренний диаметр D_i обозначен штрихпунктирной линией) по направлению к середине соответствующего униполярного участка. Тем самым постоянно намагниченный элемент 3 со своей обращенной от воздушного зазора 7 стороны ограничен поверхностью отличной от цилиндрической формы, что, с одной стороны, позволяет влиять на тормозящий момент, соответственно на пульсацию вращающего момента, а с другой стороны, поддерживать на низком уровне магнитные потери благодаря постоянной малой ширине воздушного зазора 7.

На фиг.6 схематично показана электрическая машина, выполненная по третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Этот третий вариант в основном соответствует второму варианту, однако в отличие от него утоняющиеся участки 11 расположены не по середине каждого униполярного участка магнита, а на переходном участке 9 между соседними разноименными магнитными полюсами N, S. В остальном третий вариант осуществления изобретения соответствует второму варианту и поэтому не требует повторного описания.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, таким как двигатели или генераторы, и касается особенностей конструктивного выполнения их статоров или роторов. Сущность изобретения состоит в следующем. Электрическая машина содержит ротор (2), статор (4) и постоянно намагниченный элемент (3), который закреплен на роторе (2) или статоре (4) и ограничивает между ротором (2) и статором (4) воздушный зазор (7), обращенная к которому поверхность постоянно намагниченного элемента (3) имеет цилиндрическую форму, благодаря которой воздушный зазор (7) имеет постоянную ширину, и обращенная от которого поверхность постоянно намагниченного элемента (3) имеет отличную от цилиндрической форму, в связи с чем постоянно намагниченный элемент (3) имеет изменяющуюся в его окружном направлении толщину. При этом согласно данному изобретению электрическая машина имеет пружину (6), служащую упругой опорой для постоянно намагниченного элемента (3). Технический результат - уменьшение тормозящего момента и, соответственно, обеспечение стабильной характеристики вращающего момента электрической машины вне зависимости от направления вращения ротора, повышение качества и прочности ротора путем исключения возникновения трещин и других повреждений конструктивных элементов ротора, а также обеспечение упругого крепления упомянутого постоянно намагниченного элемента с соблюдением соответствующих требований. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электрическая машина, содержащая ротор (2), статор (4) и постоянно намагниченный элемент (3), который закреплен на роторе (2) или статоре (4) и ограничивает между ротором (2) и статором (4) воздушный зазор (7), обращенная к которому поверхность постоянно намагниченного элемента (3) имеет цилиндрическую форму, благодаря которой воздушный зазор (7) имеет постоянную ширину, и обращенная от которого поверхность постоянно намагниченного элемента (3) имеет отличную от цилиндрической форму, и поэтому постоянно намагниченный элемент (3) имеет изменяющуюся в его окружном направлении толщину, отличающаяся тем, что она имеет пружину (6), служащую упругой опорой для постоянно намагниченного элемента (3).2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что толщина постоянно намагниченного элемента (3), отсчитываемая с его обращенной от воздушного зазора (7) стороны, изменяется непрерывно.3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что толщина постоянно намагниченного элемента (3), отсчитываемая с его обращенной от воздушного зазора (7) стороны, изменяется скачкообразно.4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянно намагниченный элемент (3) имеет уменьшенную толщину (d) по середине каждого из его униполярных участков.5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянно намагниченный элемент (3) имеет уменьшенную толщину (d) на переходных участках (9) между его соседними полюсами.6. Электрическая машина по п.5, отличающаяся тем, что толщина (d) постоянно намагниченного элемента (3) изменяется симметрично относительно середины его униполярных участков, соответственно относительно переходного участка (9) между его соседними полюсами.7. Электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что уменьшение толщины (d) постоянно намагниченного элемента обеспечивается выемкой (8), прежде всего выемкой П-образного в сечении профиля.8. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что пружина (6) выполнена кольцевой.9. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что пружина (6) закреплена в выполненных в постоянно намагниченном элементе (3) выемках (8).10. Электрическая машина по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что постоянно намагниченный элемент (3) имеет по длине проходящего в его осевом направлении (X-X) среднего участка постоянную ширину в окружном направлении, а по длине каждого из проходящих в его осевом направлении (X-X) концевых участков имеет непостоянную толщину в окружном направлении.