ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ДИСКОВЫМ РОТОРОМ Российский патент 2008 года по МПК H02K29/06 H02K29/00 H02K21/24 

Изобретение относится к бесконтактным моментным электрическим машинам, предпочтительно к электрическим генераторам с постоянными магнитами для мобильных ветроэнергетических установок МВЭУ. Особенностью МВЭУ является разборность конструкции и наличие несущей вертикальной оси, проходящей через центр электрического генератора, что накладывает на последний определенные требования, а именно:

- простота сборки/разборки МВЭУ;

- наличие полой оси ротора с отверстием для несущей вертикальной оси МВЭУ;

- плоская (торцевая) конструкция электрического генератора с элементами крепления к основанию МВЭУ.

Известен вентильный электродвигатель (см. а.с. СССР №1603494 А, М. Кл. Н02К 29/06, 1990 г.), содержащий вал с тарельчатым ротором, на котором закреплен кольцевой постоянный магнит и магнитопровод статора с обмотками и подшипником вала ротора. Аналог имеет малый аксиальный размер и массу, однако не пригоден в качестве электрического генератора МВЭУ, поскольку открытая конструкция ротора не пригодна для работы при минусовых температурах из-за обледенения.

Наиболее близким техническим решением является бесконтактная электрическая машина торцового типа (см. а.с. СССР №1539914 А1, М. Кл. Н02К 29/06, 1990 г.), которая могла бы быть конструктивно размещена в МВЭУ с определенными доработками. Аналог содержит статор с тороидальным магнитопроводом и кольцевой якорной обмоткой, двойной зубчатый ротор дискового типа с кольцевыми магнитопроводами обмотки возбуждения, П-образный кольцевой магнитопровод с обмотками, немагнитный корпус в составе двух половин тарельчатой формы и цилиндрической части между ними.

Аналог обеспечивает повышенный коэффициент преобразования энергии вращения момента ротора в электрическую энергию и наоборот, в то же время обладает существенными ограничениями его применения в составе МВЭУ:

- сложное конструктивное и техническое решение, удорожающее устройство;

- значительные габариты и масса устройства;

- непригодность для работы в широком диапазоне климатических параметров из-за сложной конструкции.

Техническим результатом изобретения является обеспечение требований к электрическим генераторам для МВЭУ, а также упрощение конструкции и технологии сборки устройства. Для достижения технического результата магнитопроводы статора выполнены О-образными, состоящими из двух П-образных частей каждый, с рабочими зазорами для кольцевого магнитопровода ротора, П-образные части О-образных магнитопроводов размещены в первой и второй чашеобразных половинах статора, а кольцевые магнитопроводы дискового ротора выполнены из четного числа секторов магнитотвердого материала с взаимно противоположными векторами намагниченности по короткой оси, причем число О-образных магнитопроводов статора выбрано четным, а вал ротора выполнен полым.

Структура электрической машины приведена на фиг.1 (неполный разрез по центральной оси), на фиг.2 показано размещение дискового ротора.

Устройство содержит немагнитный корпус статора из первой 1 и второй 2 половин, в которых размещены П-образные части 3 и 4 О-образных магнитопроводов с обмотками статора 5 и 6, причем О-образные магнитопроводы размещены попарно по диаметру половин 3 и 4 корпуса статора. В рабочих зазорах О-образных магнитопроводов находится магнитный дисковый ротор 7 с размещенным по кольцу магнитопроводом, образованным секторными постоянными магнитами с взаимно противоположными векторами намагниченности. Дисковый ротор 7 жестко закреплен на полом валу 9 с помощью крепежных элементов 10 и 11 (например, резьбовых втулок). В свою очередь, полый вал 9 размещен в подшипниковых узлах 12 и 13 половин 1 и 2 корпуса таким образом, чтобы постоянные магниты 8 дискового ротора находились в середине рабочих зазоров O-образных магнитопроводов статора. На полом валу 9 закреплена муфта 14 для соединения с ротором МВЭУ. По меньшей мере на одной половине 1 корпуса выполнены элементы 15 (например, проушины) для крепления устройства к внешнему основанию. Число проушин может быть от 2 до 12 в зависимости от мощности и габаритов электрической машины. Места размещения подшипников 12 и 13 в получашах 1 и 2 закрыты заглушками 16 и 17.

При вращении вала 9 постоянные магниты 8, перемещаясь в рабочих зазорах О-образных магнитопроводов статора, наводят в обмотках 5 и 6 ЭДС, величина которой определяется величиной и знаком намагниченности магнитов 8, значением воздушного зазора между торцами магнита 8 и О-образных магнитопроводов, числом витков в обмотках 5 и 6 и скоростью перемещения. Короткая магнитная цепь О-образных магнитопроводов и малый воздушный зазор между элементами 3, 8 и 4 позволяют получать высокий КПД преобразования устройством механической энергии в электрическую и обратно. Высокая намагниченность постоянных магнитов 8 по короткой оси позволяет получать высокие значения ЭДС даже при малой скорости перемещения магнитов 8 в рабочих зазорах. Предложенная конструкция устройства максимально проста и высокотехнична при серийном изготовлении. Постоянные магниты 8 из редкоземельных металлов имеют остаточную намагниченность на короткой оси при толщине постоянных магнитов от 5 мм. Н_с=(500÷700) кА/м. Как следствие, общая высота устройства может быть обеспечена небольшой (от 75 мм при номинальной мощности от 0,63 кВт). В зависимости от номинальной мощности электрической машины следует выбирать высоту (толщину) магнитных секторов магнитопровода, размещенного по кольцу ротора, в пределах от 2 мм до 36 мм.

Полый вал 9 ротора в верхней части снабжен муфтой для разъемного соединения с внешними приводом или нагрузкой.

Число пар О-образных магнитопроводов статора может быть выбрано от двух (для однофазного варианта) до любого числа N_c=2ⁿ, где n - необходимое число фаз выходного напряжения. Фазовый сдвиг ϕ_с между соседними обмотками можно задать любым за счет соответствующего выбора угла α₀ между диаметрами, на которых размещены соседние обмотки, в соответствии с формулой: α₀=(360+ϕ_с)/N_n, где N_n - число пар постоянных магнитов 8 ротора 7. Например, при числе пар постоянных магнитов 8 ротора 7 N_n=8 и требуемом сдвиге фаз ϕ_с=120° получим

При постоянной скорости вращения дискового ротора 7 напряжение на обмотках 5 и 6 имеет синусоидальную форму. Частота f_в выходного напряжения обмоток 5 и 6 зависит от угловой скорости вращения вала 9 и числа пар постоянных магнитов 8 ротора N_n:

Например, при N_n=24, f_в=48 Гц.

Предложенная электрическая машина может быть использована как высокомоментный шаговый двигатель при подаче в обмотки 5 и 6 внешних управляющих электрических импульсов. При использовании предложенного устройства в качестве шагового привода угол α₀ между управляющими обмотками можно выбирать исходя из требуемого углового шага ϕ_ш по формуле: .

По сравнению с известными техническими решениями технический результат предложенного устройства заключается в обеспечении более высокого коэффициента преобразования механической энергии вращения ротора в электрическую и наоборот, а также в максимальных простоте и технологичности конструкции при обеспечении работоспособности в жестких климатических условиях. Половины 1 и 2 статора могут быть изготовлены из алюминиевого сплава литьем под давлением с последующей запрессовкой или вклеиванием П-образных частей 3 и 4 О-образных магнитопроводов в ниши половин 1 и 2 корпуса статора. Постоянные магниты 8 могут быть закреплены в дисковом роторе 7 с помощью компаунда, например. Конструкция устройства в целом может быть выполнена пылевлагонепроницаемой и пригодной для работы в широком диапазоне климатических параметров.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ

к заявке «Электрическая машина с дисковым ротором»

1, 2 - первая и вторая половины корпуса статора

3, 4 - П-образные части О-образного магнитопровода статора

5, 6 - обмотки статора

7 - дисковый якорь

8 - секторные постоянные магниты

9 - полый вал ротора

10, 11 - крепежные элементы ротора

12, 13 - подшипниковые узлы

14 - муфта вала ротора

15 - элементы для крепления к внешнему основанию

16, 17 - торцевые заглушки

Изобретение относится к области электротехники, а именно к бесконтактным моментным электрическим машинам, предпочтительно к электрическим генераторам с постоянными магнитами для мобильных ветроэнергетических установок (МВЭУ). Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в обеспечении требований, предъявляемых, в частности, к характеристикам электрических генераторов для МВЭУ, а также в упрощении конструкции и технологии сборки данных электрических машин. Указанный технический результат достигается тем, что согласно настоящему изобретению магнитопроводы статора выполнены О-образными, состоящими из двух П-образных частей каждый, с рабочими зазорами для кольцевого магнитопровода ротора. П-образные части O-образных магнитопроводов размещены соответственно в первой и второй чашеобразных половинах статора, а размещенный по кольцу ротора магнитопровод дискового ротора выполнен из секторов магнитотвердого материала с взаимно противоположными векторами намагниченности по короткой оси. Конструкция предложенной электрической машины максимально проста, высокотехнологична и может быть выполнена пылевлагонепроницаемой и пригодной для работы в широком диапазоне климатических параметров, в частности как высокомоментный шаговый двигатель при подаче в обмотки О-образных магнитопроводов статора внешних управляющих электрических импульсов. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрическая машина с дисковым ротором, содержащая немагнитный корпус из двух половин с подшипниковыми узлами для вала ротора, магнитопроводами и обмотками статора, ротор дискового типа с размещенными по кольцу магнитопроводами, немагнитным валом, отличающаяся тем, что магнитопроводы статора выполнены О-образными с рабочим зазором для магнитопроводов дискового ротора и состоящими каждый из двух П-образных частей с обмотками статора каждая, причем одна и вторая части каждого О-образного магнитопровода размещены соответственно в первой и второй половинах корпуса ротора, а размещенный по кольцу ротора магнитопровод выполнен из секторов магнитотвердого материала с взаимно-противоположным вектором намагниченности по короткой оси.2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что размещенные по кольцу магнитопроводы ротора содержат четное число секторов с взаимно-противоположными векторами намагниченности.3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что секторы размещенных по кольцу магнитопроводов ротора размещены друг от друга с зазором, равным (0,5-1,25) от ширины сектора.4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что вал ротора выполнен полым и снабжен муфтой для разъемного соединения с приводом или нагрузкой.5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна половина корпуса статора снабжена проушинами для крепления к внешнему основанию.6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что число О-образных магнитопроводов статора выполнено четным.7. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что высота секторов размещенного по кольцу ротора магнитопровода выбрана в пределах от 2 до 36 мм.8. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что угол α₀ между соседними О-образными магнитопроводами статора задан в соответствии с формулой α₀=(360+ϕ_c)/N_n, где N_n - число пар постоянных магнитов ротора, ϕ_с - требуемый фазовый сдвиг между напряжениями в соседних обмотках статора.9. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что при использовании предложенного устройства в качестве шагового привода угол α₀ между управляющими обмотками можно выбирать, исходя из требуемого углового шага ϕ_ш по формуле α₀=180/N_n+2ϕ_ш/N_n, где N_n - число пар постоянных магнитов магнитопровода ротора.