БЕСКОНТАКТНАЯ РЕДУКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2010 года по МПК H02K21/12 H02K21/02 H02K19/10 H02K19/24 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных электрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в системах автоматики, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, электроприводов большой и средней мощности судов, троллейбусов, трамваев, метро, бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами вращения вала, а также, в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и синхронных генераторов преобразователей частоты.

Известна индукторная электрическая машина (патент RU 2009599 С1, МПК 5 H02K 19/06, H02K 19/24, авторы: Жуловян В.В., Новокрещенов О.И., Шаншуров Г.А.), содержащая явнополюсный с числом полюсов Z₀ зубчатый статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой размещена на одном полюсе статора, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор и преобразователь, к которому подключена обмотка статора, статор и ротор выполнены с четными и не равными друг другу числами зубцов и каждая фаза обмотки выполнена из р встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2·τ, где 2·τ=Z₀/p, р - число четное.

Известен синхронный редукторный двигатель (патент RU 2054220 С1, МПК 6 H02K 37/00, H02K 19/06, авторы: Шевченко А.Ф., Калужский Д.Л.), содержащий ротор с Z_p зубцами и статор с 4·р полюсами (р=1, 2, 3, …), на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы по Z_s зубцов на каждом полюсе, причем Z_r=4·p·(Z_s+K)±р (где К=0, 1, 2, … - целое число), в большие пазы между полюсами уложены катушки однофазной обмотки по одной на каждом полюсе, катушки, расположенные на одноименных полюсах с номерами, различающимися на 4, соединены последовательно “конец” с “началом” и образуют четыре ветви, “конец” первой ветви, образованной 1, 5, …, 1+4·(p-1) катушками, соединен с “началом” третьей ветви, образованной 3, 7, …, 3+4·(p-1) катушками, и точка соединения этих ветвей подключена к первому выводу обмотки, “конец” второй ветви, образованной 2, 6, …, 2+4·(p-1) катушками, соединен с "началом" четвертой ветви, образованной 4, 8, …, 4+4·(р-1) катушками и точка соединения этих ветвей через последовательно включенный конденсатор также подключена к первому выводу, а ко второму выводу подключены два диода таким образом, что с анодом первого из них соединены первая и четвертая ветви, а с катодом второго диода - вторая и третья ветви.

Недостатком описанных индукторной электрической машины и синхронного редукторного двигателя являются невысокие энергетические показатели. Кроме этого, указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.

Известен бесконтактный моментный электродвигатель (патент RU 2285322 С1, МПК H02K 21/00, автор Епифанов O.K.), содержащий магнитомягкий кольцевой пазовый статор с Р явно выраженными зубчатыми полюсами и с сосредоточенной m-фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса статора, и ротор, выполненный в виде двух соосно расположенных кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора, развернутых относительно друг друга на половину своего зубцового деления, между которыми размещен кольцевой слой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, причем зубчатые полюса статора и зубчатые магнитопроводы ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором δ, а зубцы на магнитопроводах ротора и на полюсах статора выполнены с равномерными и равными друг другу зубцовыми делениями T_Z, ротор снабжен немагнитной втулкой толщиной большей половины толщины b_M слоя постоянных магнитов, на которой установлены и закреплены неподвижно относительно друг друга зубчатые магнитопроводы ротора равной друг другу активной осевой длиной L_p и кольцевой слой постоянных магнитов, при этом число m фаз m-фазной обмотки якоря выполнено кратным трем, определяемым как m=2^f±1, где f равно 1, 2, 3, а явно выраженные зубчатые полюса на пазовом статоре расположены равномерно, при этом их число определяется как Р=2m·2^S, где s равно 0, 1, 2, …, а на каждом зубчатом полюсе статора симметрично относительно его оси размещено нечетное число зубцов Z_C толщиной b_ZC, при этом оси зубцов соседних зубчатых полюсов статора смещены относительно друг друга на величину, пропорциональную отношению ±T_Z к m, причем соседние полюса статора разделены шлицом шириной b_Ш не менее десятикратной величины воздушного зазора, определяемой из соотношения b_Ш=T_Z·[(1±1/m)-b_ZC/T_Z], а число зубцов Z_R на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора выполнено кратным 2ⁿ при n, равном 2, 3, 4, …, определяемым как Z_R=P·(Z_C±1/m), при этом толщина зубцов b_ZP каждого из зубчатых магнитопроводов ротора выполнена равной половине его зубцового деления T_Z и связана с толщиной зубцов зубчатых полюсов статора b_ZC соотношением 2/3≤b_ZC/b_ZP≤1, а катушки обмотки якоря одной фазы, отстоящие друг от друга на число полюсных делений статора, равное числу m фаз, соединены последовательно-согласно, при этом активная осевая длина L_C кольцевого пазового статора с зубчатыми полюсами определяется из соотношения L_C=(2L_P+b_M), причем кольцевые зубчатые магнитопроводы ротора расположены относительно кольцевого пазового статора аксиально симметрично. Недостатком аналога является выполнение числа m фаз m-фазной обмотки якоря только кратным трем, числа явно выраженных зубчатых полюсов статора только четным, числа зубцов на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора только кратным 2ⁿ при n, равном 2, 3, 4, числа зубцов, размещенных на каждом полюсе статора, только нечетным, толщины зубцов b_ZP каждого из зубчатых магнитопроводов ротора, равной только половине его зубцового деления T_Z, при этом питание m-фазной обмотки якоря осуществляется только от источника напряжения с таким же числом m фаз, что и у обмотки якоря. Это снижает возможные конструктивные исполнения данного технического устройства и возможности его использования.

Известна, принятая за прототип, бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением (патент RU 2277284 С2, МПК H02K 19/10, H02K 29/00, авторы: Демьяненко А.В., Жердев И.А., Козаченко В.Ф., Русаков A.M., Остриров В.Н.), содержащая корпус с установленными в нем шихтованными из листов электротехнической стали пакетами статора, число которых кратно двум, с пазами в них для укладки фазных обмоток, фазные обмотки, уложенные в пазы пакетов статора так, что их витки в пазовых частях обмотки параллельны продольной оси машины и один виток охватывает все зубцы пакетов статора, находящиеся против друг друга, обмотку возбуждения с продольной осью, параллельной продольной оси машины, расположенную на статоре между пакетами статора, металлический немагнитный вал с втулкой из магнитомягкого металла на нем, на которой установлены зубчатые пакеты ротора, шихтованные из пластин магнитомягкой стали, число которых равно числу пакетов статора, две крышки с подшипниками, общее число фазных обмоток больше трех и их число кратно трем, причем каждые три фазные обмотки имеют свою независимую нулевую точку и между соседними фазами различных триад имеется угол фазового сдвига, при том, что отношение числа зубцов статора Z_ст к числу зубцов ротора Z_р выражается дробью, в которой число зубцов ротора является простым числом, начиная с пяти (5, 7, 11, 13, 17, …), либо представляет собой произведение простого числа на два, начиная с шести. Недостатком прототипа является выполнение числа пакетов статора только кратным двум, фазных обмоток больше трех и только кратных трем, а числа зубцов ротора являются только простыми числами, начиная с пяти, либо представляют собой произведение простых чисел на два, начиная с шести. Это снижает возможные конструктивные исполнения данного технического устройства и возможности его использования. Кроме того, прототип имеет меньший по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу, меньший КПД и большую длину при прочих равных условиях.

Целью настоящего изобретения является создание новой конструкции бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением с большим удельным вращающим моментом на валу при высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя и при большой удельной мощности и высокой электромагнитной редукции частоты ЭДС в режиме электрического генератора, обладающей высокой технологичностью выполнения обмоток и высокой надежностью.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа зубчатых явно выраженных полюсов каждого пакета статора, числа зубцов каждого пакета статора и числа зубцов каждого пакета ротора при выполнении сосредоточенной на зубчатых явно выраженных полюсах пакетов статора катушечной m-фазной обмотки якоря, кольцеобразной обмотки возбуждения индуктора, расположенной между пакетами статора, и расположенными между магнитопроводами ротора кольцевыми слоями аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение высоких эксплуатационных характеристик бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением с возможностью глубокого регулирования ее выходными параметрами.

С целью достижения поставленной задачи и технического результата бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением содержит корпус, выполненный из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющийся магнитопроводом статора, четные и нечетные пакеты статора и ротора, шихтованные из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, причем число пакетов статора не менее двух, число пакетов ротора равно числу пакетов статора, пакеты статора и ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, активная длина крайних пакетов статора и ротора в аксиальном направлении одинакова, при наличии пакетов статора и, соответственно, ротора более двух, активная длина пакетов статора и ротора в аксиальном направлении, находящихся между крайними пакетами, в два раза больше активной длины крайних пакетов, пакеты статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, число явно выраженных полюсов на каждом пакете статора одинаково, число элементарных зубцов на каждом явно выраженном полюсе пакета статора одинаково, пакеты статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов всех четных и нечетных пакетов статора совпадают, пакеты ротора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы, число которых на каждом пакете ротора одинаково, четные пакеты ротора смещены относительно нечетных пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора, пакеты ротора напрессованы на соответствующие втулки, выполненные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющиеся магнитопроводами ротора, которые, в свою очередь, насажены на немагнитную втулку, установленную на валу, между магнитопроводами ротора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, число кольцевых слоев постоянных магнитов на один меньше числа пакетов ротора, на явно выраженных полюсах пакетов статора сосредоточена катушечная m-фазная обмотка якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие (находящиеся друг против друга) явно выраженные полюса четных и нечетных пакетов статора по одному явно выраженному полюсу каждого пакета, между пакетами статора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде охватывающих ротор кольцеобразных катушек с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины, число кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора на одну меньше числа пакетов статора и равно числу кольцевых слоев постоянных магнитов, возбуждение индуктора осуществляется комбинированным способом: от постоянных магнитов и при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) электрическим током, ширина коронок зубцов пакетов ротора в угловом измерении определяется выражением b_Z2=k·t_Z2, а ширина коронок элементарных зубцов, расположенных на явно выраженных полюсах статора, в угловом измерении может определяться выражением b_Z1=k·t_Z1, а также, выражением b_Z1=k·t_Z2, при этом t_Z1 и t_Z2 представляют собой зубцовые деления в угловом измерении явно выраженных полюсов статора и пакетов ротора соответственно, k=0,38÷0,5 является коэффициентом пропорциональности и выбирается в зависимости от формы переменного тока якоря при работе машины в режиме электрического двигателя и от формы переменной ЭДС якоря при работе машины в режиме электрического генератора.

При применении бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется:

- от источника трехфазного переменного напряжения,

- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,

- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,

- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

При применении бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением в качестве двигателя постоянного тока питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной формы без постоянной составляющей.

Обмотка возбуждения индуктора бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением может подключаться к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения непосредственно, а также, может подключаться к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря. При выполнении второго варианта в режиме электрического двигателя при питании обмотки якоря прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора выходные параметры машины будут соответствовать выходным параметрам двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением.

В настоящем изобретении катушечная m-фазная обмотка якоря и обмотка возбуждения индуктора располагаются на статоре, а ферромагнитный зубчатый ротор выполнен с постоянными магнитами и безобмоточным. Возможны исполнения бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением с внешним статором и внутренним ротором, с внутренним статором и внешним ротором.

В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением число явно выраженных полюсов каждого пакета статора Z_1p, число элементарных зубцов на каждом явно выраженном полюсе пакета статора Z_1s=1, 2, 3, 4 …, число фаз w-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6 …, число явно выраженных полюсов каждого пакета статора в фазе Z_1m=1, 2, 3, 4 число зубцов каждого пакета статора Z₁ число зубцов каждого пакета ротора Z₂ связаны равенствами (1), (2), (3):

Катушки m-фазной обмотки якоря в фазе должны быть соединены между собой таким образом (согласно или встречно), чтобы векторы наведенных в них ЭДС, геометрически складываясь, образовывали максимальную суммарную ЭДС фазы якоря бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением.

Аксиально намагниченные в одном направлении постоянные магниты в кольцевых слоях прилегают к магнитопроводам ротора и расположены между ними таким образом, чтобы созданный ими постоянный магнитный поток замыкался униполярно через магнитопроводы и пакеты ротора и статора, а также воздушный зазор между ними. При этом зубцы нечетных пакетов ротора намагничены в радиальном направлении как магнитные полюса одной полярности, например, как южные полюса «S», а зубцы четных пакетов ротора намагничены в радиальном направлении как магнитные полюса другой полярности, например, как северные полюса «N».

Кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора должны быть подключены к источнику постоянного (выпрямленного) напряжения таким образом, чтобы созданный при протекании по ним постоянного (выпрямленного) электрического тока постоянный магнитный поток замыкался униполярно через магнитопроводы и пакеты ротора и статора, а также воздушный зазор между ними, и совпадал по направлению с постоянным магнитным потоком, созданным постоянными магнитами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 - общий вид бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением с внешним статором и внутренним ротором,

на фиг.2÷11 - примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений нечетных и четного пакетов статора и нечетных и четного пакетов активного ротора, схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря и включение m-фазных обмоток якоря на источники переменных напряжений с различным числом фаз и в виде векторных диаграмм электрических токов (МДС).

На фиг.3 представлена схема соединений катушек 3^x-фазной обмотки якоря с подключением на 3^x-фазный источник напряжения.

На фиг.5 представлена схема соединений катушек 4^x-фазной обмотки якоря с подключением на 4^x-фазный источник напряжения и с подключением двух кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора через 4^x-фазный диодный мост D1÷D8 к выходным концам обмотки якоря. Направление намотки кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора в аксиальном направлении одинаковое, начало н1 первой кольцеобразной катушки соединено с «минусовым» выходом диодного моста, конец к1 первой кольцеобразной катушки соединен с концом к2 второй кольцеобразной катушки, начало н2 второй кольцеобразной катушки соединено с «плюсовым» выходом диодного моста.

На фиг.7 представлена схема соединений катушек 5^и-фазной обмотки якоря с подключением на 5^и-фазный источник напряжения.

На фиг.9 представлена схема соединений катушек 6^и-фазной обмотки якоря с подключением на 6^и-фазный источник напряжения.

На фиг.11 представлена схема соединений катушек 6^и-фазной обмотки якоря с подключением на 3^х-фазный источник напряжения.

На фиг.2÷11 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3). Соответствие фигур чертежей поперечных сечений нечетных и четного пакетов статора и нечетных и четного пакетов ротора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице.

Таблица Соответствие фигур чертежей поперечных сечений нечетных и четного пакетов статора, нечетных и четного пакетов ротора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря Фигура m Z_1m Z_1p Z_1s Z₁ Z₂ m_ист чертежа поперечного сечения схемы обмотки и диаграмма токов (МДС) 2 3 3 5 15 3 45 50 3 4 5 4 2 8 4 32 30 4 6 7 5 3 15 3 45 48 5 8 9 6 2 12 4 48 50 6 10 11 6 3 18 4 72 75 3

Буква m в таблице обозначает количество фаз m-фазной обмотки якоря бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением, а m_ист. - количество фаз переменного источника напряжения. Положение нечетных и четного пакетов ротора относительно нечетных и четного пакетов статора на чертеже в двигательном режиме соответствует моменту времени, при котором показано положение векторов электрических токов на соответствующем чертеже схемы соединения катушек m-фазной обмотки якоря бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением.

Рассмотрим конструкцию бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением с внешним статором и внутренним ротором (фиг.1, 2, 4, 6, 8, 10). Перемагничиваемые с высокой частотой нечетные 1 и четный 2 пакеты статора выполнены шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и закреплены в магнитопроводе 4 статора, выполненного из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющегося корпусом. Пакеты 1 и пакет 2 статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса 13, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы 14. Число явно выраженных полюсов 13 на каждом пакете статора одинаково, число элементарных зубцов 14 на каждом явно выраженном полюсе 13 пакетов статора одинаково. Пакеты 1 и пакет 2 статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси их находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов 13 совпадают. На явно выраженных полюсах 13 пакетов статора размещена катушечная m-фазная обмотка 12 якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие явно выраженные полюса нечетных 1 и четного 2 пакетов статора по одному полюсу каждого пакета. Катушки m-фазной обмотки 12 якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Ротор при помощи подшипников 11, вала 5 и подшипниковых щитов 3 позиционирован относительно статора. Вал 5 выполнен немагнитным, например, из немагнитной стали или титана. На валу 5 установлена немагнитная втулка 6, которая может быть выполнена из сплавов алюминия, немагнитной стали или титана. На втулку 6 насажены нечетные 7 и четный 8 магнитопроводы ротора, выполненные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью, на которых напрессованы соответствующие нечетные 9 и четный 10 пакеты ротора. Нечетные 7 и четный 8 магнитопроводы с нечетными 9 и четным 10 пакетами ротора позиционированы относительно нечетных 1 и четного 2 пакетов статора соответственно. Пакеты 9 и 10 ротора выполнены шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы 15, число которых на каждом пакете ротора одинаково. Четный 10 пакет ротора смещен относительно нечетных 9 пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора t_Z2. С целью удешевления конструкции пакеты 9 и 10 ротора могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью заедино с магнитопроводами 7 и 8 ротора соответственно. При выполнении машин с малыми диаметрами немагнитная втулка 6 может не устанавливаться. Между магнитопроводами ротора расположены два кольцевых слоя аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов. При выполнении машин со средними и большими диаметрами кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов могут быть выполнены из сегментарных постоянных магнитов, а при выполнении машин с малыми диаметрами - из цельных цилиндрических. Постоянные магниты в слоях расположены таким образом, что к нечетным магнитопроводам они прилегают своими полюсами одной полярности, например, «S», а к четным магнитопроводам - другой полярности, например, «N» (фиг.1). Между нечетными пакетами 1 и четным пакетом 2 статора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде двух охватывающих ротор кольцеобразных катушек 16 и 77 с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины. Кольцеобразные катушки 16 и 17 могут быть выполнены из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины и могут быть соединены между собой последовательно или параллельно. Концы обмотки возбуждения индуктора соединяются с источником постоянного (выпрямленного) напряжения.

Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением работает в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, 2, 4, 6, 8, 10). На обмотку возбуждения индуктора подают постоянное (выпрямленное) напряжение, по обмотке возбуждения протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток, создавая постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным магнитным потоком индуктора, совпадающим по направлению с постоянным магнитным потоком, созданным постоянными магнитами. Суммарный постоянный магнитный поток индуктора униполярно замыкается через кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, нечетные 7 и четный 8 магнитопроводы ротора, нечетные 9 и четный 10 пакеты ротора, воздушный зазор между ротором и статором, нечетные 1 и четный 2 пакеты статора и магнитопровод 4 статора. Под действием суммарного постоянного магнитного потока индуктора зубцы 15 нечетных 9 пакетов ротора намагничиваются и образуют полюса одной полярности, например южные полюса «S», а зубцы 15 четного пакета 10 ротора намагничиваются и образуют полюса другой полярности, например северные полюса «N». На фазы m-фазной обмотки 12 якоря подают переменное напряжение, по m-фазной обмотке 12 якоря протекает переменный электрический ток, создающий переменное вращающееся магнитное поле якоря. При этом образуется переменная во времени МДС якоря и переменный во времени магнитный поток якоря. На фиг.3, 5, 7, 9, 11 представлены векторные диаграммы электрических токов 18 для соответствующих m-фазных обмоток 12 якоря, представленных на этих же чертежах. Симметричные m-фазные напряжения, поданные на зажимы m-фазных обмоток 12 якоря, изменяются во времени, и векторы электрических токов 18 поворачиваются в осях координат xy против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда электрические токи проецируются на ось ординат. Катушки m-фазной обмотки 12 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер соответствующих явно выраженных полюсов 13 пакетов 1 и 2 статора. Например, катушка В2 - катушка фазы В, расположенная на вторых явно выраженных полюсах 13 пакетов 1 и 2 статора. На фиг.3, 5, 7, 9, 11 обозначены направления электрических токов в катушках m-фазной обмотки якоря в соответствии с проекцией векторов электрических токов на ось y. При этом элементарные зубцы 14, расположенные на соответствующих явно выраженных полюсах 13 пакетов статора, на которых расположены катушки m-фазной обмотки 12 якоря, образуют южные полюса «S» и северные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменного магнитного поля якоря с постоянным магнитным полем индуктора, созданным постоянными магнитами и протекающим по кольцеобразной обмотке возбуждения индуктора постоянным (выпрямленным) электрическим током, к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент, т.е. при изменении питающих m-фазных напряжений, поданных на m-фазную обмотку якоря с частотой f (Гц), синхронная частота вращения ротора определяется выражением n=60·f/Z₂ (об./мин). Направление вращения ротора на чертежах показано стрелкой с буквой «n». Следует отметить, что при Z₁<Z₂ направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля якоря, а при Z₁>Z₂ направление вращения ротора противоположно направлению вращения магнитного поля якоря.

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, 2, 4, 6, 8, 10). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n суммарный постоянный магнитный поток индуктора, созданный постоянными магнитами и протекающим по кольцеобразной обмотке возбуждения индуктора постоянным (выпрямленным) электрическим током, пронизывая воздушный зазор и явно выраженные полюса 13 пакетов статора то со стороны ротора, то со стороны статора, создает в явно выраженных полюсах 13 пакетов статора переменный магнитный поток, наводящий в катушках m-фазной обмотки 12 якоря переменную ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по m-фазной обмотке 12 якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.

Фазы m-фазной обмотки якоря могут быть соединены в звезду, а также в многоугольник.

При выполнении статора с числом пакетов более двух, кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора могут быть соединены между собой последовательно, а также параллельно. При выполнении статора с нечетным числом пакетов, начиная с пяти, кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора могут быть соединены между собой смешанно. Изменяя величину постоянного (выпрямленного) электрического тока обмотки возбуждения индуктора можно влиять на выходные параметры бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается особенностей конструктивного исполнения бесконтактных электрических машин с электромагнитной редукцией, и может быть использовано в системах автоматики, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, электроприводов большой и средней мощности судов, транспортных средств, бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами его вращения, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и синхронных генераторов преобразователей частоты. Предлагаемая бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением содержит зубчатый статор с нечетными и четными шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакетами с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, причем пакеты статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси их находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов всех пакетов статора совпадают, а между нечетными и четными пакетами статора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде кольцеобразных катушек с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины, катушечную m-фазную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующих явно выраженных полюсах пакетов статора и охватывает по одному явно выраженному полюсу каждого пакета, и безобмоточный ферромагнитный ротор с немагнитным валом и расположенной на нем немагнитной втулкой, на которой насажены нечетные и четные магнитопроводы ротора с запрессованными на них соответствующими шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью четными и нечетными пакетами ротора, число которых равно числу пакетов статора, с одинаковым числом зубцов на каждом пакете ротора, причем четные пакеты ротора смещены относительно нечетных в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора, а между четными и нечетными магнитопроводами ротора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов. При этом выполняются определенные соотношения между числом явно выраженных полюсов каждого пакета статора, числом элементарных зубцов на каждом явно выраженном полюсе пакета статора, числом явно выраженных полюсов каждого пакета статора в фазе, числом зубцов каждого пакета статора, числом зубцов каждого пакета ротора и числом фаз m-фазной обмотки якоря бесконтактной редукторной электрической машины с комбинированным возбуждением. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в обеспечении высоких энергетических и эксплуатационных показателей, большого удельного вращающего момента на валу и высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя, а также большой удельной мощности при высоких частотах ЭДС в режиме электрического генератора. 17 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

1. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением, содержащая статор с корпусом из магнитомягкого материала с закрепленными в нем шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакетами статора, катушечную m-фазную обмотку якоря, обмотку возбуждения индуктора, расположенную между пакетами статора, немагнитный вал с втулкой, шихтованные из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакеты ротора, число которых равно числу пакетов статора, отличающаяся тем, что пакеты статора и ротора разделены на четные и нечетные, число пакетов статора не менее двух, активная длина крайних пакетов статора и ротора в аксиальном направлении одинакова, пакеты статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, число явно выраженных полюсов на каждом пакете статора одинаково, число элементарных зубцов на каждом явно выраженном полюсе пакета статора одинаково, пакеты статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси их находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов совпадают, нечетные и четные пакеты ротора напрессованы на соответствующие нечетные и четные магнитопроводы ротора, которые насажены на немагнитную втулку, установленную на валу, пакеты ротора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы, число которых на каждом пакете ротора одинаково, четные пакеты ротора смещены относительно нечетных пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора t_Z2, между магнитопроводами ротора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, число кольцевых слоев постоянных магнитов на один меньше числа пакетов ротора, на явно выраженных полюсах пакетов статора сосредоточена катушечная m-фазная обмотка якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие явно выраженные полюса четных и нечетных пакетов статора по одному явно выраженному полюсу каждого пакета, причем число фаз катушечной m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6 …, обмотка возбуждения индуктора выполнена в виде кольцеобразных катушек с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины, число кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора на одну меньше числа пакетов статора, ширина коронок зубцов пакетов ротора в угловом измерении определяется выражением
b_Z2=k·t_Z2, а ширина коронок элементарных зубцов, расположенных на явно выраженных полюсах статора, в угловом измерении определяется выражением b_Z1=k·t_Z1, при этом
t_Z1 представляет собой зубцовое деление явно выраженных полюсов статора, k=0,38÷0,5 является коэффициентом пропорциональности, число явно выраженных полюсов каждого пакета статора определяется равенством Z_1p=m·Z_1m, где Z_1m=1, 2, 3, 4 … - число явно выраженных полюсов каждого пакета статора в фазе, число зубцов каждого пакета статора определяется равенством Z₁=Z_1p·Z_ls, где Z_ls=1, 2, 3, 4 … - число элементарных зубцов на каждом явно выраженном полюсе пакета статора, число зубцов каждого пакета ротора определяется равенством Z₂=Z₁±Z_1m.

2. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что ширина коронок элементарных зубцов, расположенных на явно выраженных полюсах статора, в угловом измерении определяется выражением b_z1=k·t_Z2.

3. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при наличии пакетов статора более двух активная длина пакетов статора и ротора в аксиальном направлении, находящихся между крайними пакетами, в два раза больше активной длины крайних пакетов.

4. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов выполнены из сегментарных постоянных магнитов.

5. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов выполнены из цельных цилиндрических постоянных магнитов.

6. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что статор расположен снаружи, ротор - внутри.

7. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ротор расположен снаружи, статор - внутри.

8. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты.

9. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты.

10. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя питание обмотки якоря осуществляется от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

11. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве двигателя постоянного тока питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

12. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что питание обмотки возбуждения индуктора осуществляется непосредственно от независимого источника постоянного (выпрямленного) напряжения.

13. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что питание обмотки возбуждения индуктора осуществляется через диодный m-фазный мост от выходных концов фаз m-фазной обмотки якоря.

14. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в звезду.

15. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.1 или 2, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в многоугольник.

16. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.3, отличающаяся тем, что кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой последовательно.

17. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.3, отличающаяся тем, что кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой параллельно.

18. Бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением по п.3, отличающаяся тем, что при нечетном числе пакетов статора, начиная с пяти, кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой смешанно.