РЕДУКТОРНАЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОЛЮСНЫМ ЗУБЧАТЫМ ИНДУКТОРОМ Российский патент 2013 года по МПК H02K21/12 H02K1/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных магнитоэлектрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в прямых приводах, в системах автоматики, в механизмах с высокими моментами на валу и низкими частотами вращения вала, а также в качестве высокочастотных электрических генераторов и синхронных 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 p встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2·τ, где p - число четное, 2·τ=Z₀/p.

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·p 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)±p (где K=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·(p-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 описанной 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 принятый за прототип синхронный электродвигатель (Патент RU, 2059994 C1, МПК 6 H02K 19/12, автор: Шевченко А.Ф.), содержащий статор с явно выраженными полюсами, на которых расположена m-фазная обмотка, выполненная в виде катушек, расположенных в 2·m·k равных чередующихся зонах по одной катушке на полюс, где k=1, 2, 3, …, а в каждой фазной зоне размещены n катушек, где n=2, 3, 4, …, принадлежащих одной фазе, катушки в фазных зонах, расположенные на соседних полюсах, соединены встречно, катушки в фазных зонах, расположенные через 180°/k при n - нечетном, соединены согласно, при n - четном, соединены встречно, а числа полюсов статора и ротора отличаются на 2·k, и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов. Недостатком описанного синхронного электродвигателя является отличие числа полюсов статора и ротора только на 2·k, что уменьшает возможные применения данного устройства. Кроме того, прототип имеет меньший по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу.

Целью настоящего изобретения является создание новой, технологичной, надежной в эксплуатации, высокоремонтопригодной конструкции бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором.

Задачей настоящего изобретения является установление связи, необходимой для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей, между числом явно выраженных зубчатых полюсов якоря, числом зубчатых полюсов индуктора, общим числом зубцов якоря, общим числом зубцов индуктора, числом элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря и числом элементарных зубцов на зубчатом полюсе индуктора при выполнении сосредоточенной на явно выраженных полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря и индуктора с постоянными магнитами, расположенными тангенциально (ротор коллекторного типа), редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение высоких энергетических показателей и большого удельного вращающего момента 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, а также высоких эксплуатационных характеристик редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором.

Отличительной особенностью данного изобретения от большинства используемых бесконтактных индукторных электрических машин с высокой электромагнитной редукцией является конструктивное исполнение активной части индуктора, так как он имеет полюсную систему, содержащую зубчатую структуру полюсов, т.е. полюса индуктора так же, как и полюса якоря, имеют элементарные зубцы на поверхности, обращенной к рабочему воздушному зазору.

С целью достижения задачи и технического результата изобретения статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, катушечную m-фазную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, ротор содержит индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности зубчатыми полюсами с одинаковым числом элементарных зубцов на каждом полюсе, между зубчатыми полюсами индуктора располагаются постоянные магниты для возбуждения индуктора, постоянные магниты намагничены в тангенциальном направлении и прилегают своими полюсами к полюсам индуктора таким образом, что с одним и тем же полюсом индуктора соприкасаются постоянные магниты полюсами одной и той же магнитной полярности, при этом все элементарные зубцы одного полюса индуктора имеют в радиальном направлении в сторону воздушного зазора одну магнитную полярность, а все элементарные зубцы соседнего полюса индуктора имеют в радиальном направлении в сторону воздушного зазора другую магнитную полярность. Зубчатые полюса индуктора и постоянные магниты крепятся к немагнитной втулке или немагнитному валу (при малых диаметрах ротора).

При применении редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря может осуществляться:

- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,

- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,

- от однофазного источника переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,

- 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 редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором в качестве двигателя постоянного тока с независимым возбуждением 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.

Редукторная магнитоэлектрическая машина с полюсным зубчатым индуктором может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидального напряжения.

В соответствии с настоящим изобретением для работоспособности редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу между числом явно выраженных полюсов якоря Z_1P, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m, числом элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря Z_1S, общим числом зубцов якоря Z₁, числом зубчатых полюсов индуктора Z_2P, числом элементарных зубцов на зубчатом полюсе индуктора Z_2S, общим числом зубцов индуктора Z₂ установлена связь, которая выражается равенствами (1), (2), (3), (4), (5):

причем число элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря равно четному натуральному числу, т.е. Z_1S=2, 4, 6, 8, …, при m - нечетном, т.е. при m=3, 5, 7, 9, …, число элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря равно натуральному числу, т.е. Z_1S=1, 2, 3, 4, …, при m - четном, т.е. при m=4, 6, 8, 10, …, ширина коронок элементарных зубцов полюсов индуктора определяется выражением: b_Z2≤0,5·t_Z2, где t_Z2 представляет собой зубцовое деление зубчатого полюса индуктора в угловом измерении и определяется равенством: t_Z2=360°/(Z₂+Z_1m), ширина коронок элементарных зубцов явно выраженных полюсов якоря определяется выражением: b_Z1≤0,5·t_Z1, где t_Z1 представляет собой зубцовое деление явно выраженного полюса якоря в угловом измерении и определяется равенством: t_Z1=360/Z₁.

Согласно изобретению за один период изменения магнитного поля якоря ротор перемещается в угловом измерении на одно зубцовое деление зубчатого полюса индуктора. Этим и достигается большая электромагнитная редукция.

Алгоритм построения схемы соединений обмотки якоря прост: катушки в фазе могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, либо смешанно, но в магнитном отношении должны быть соединены встречно по порядку, начиная с той катушки фазы, которой принадлежит начало фазы, начала фаз обмотки якоря могут принадлежать любым катушкам в соответствующей фазе, фазы обмотки якоря могут быть соединены между собой «в звезду», либо «в многоугольник».

В настоящем изобретении возможны различные исполнения редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором:

- с внешним статором и внутренним ротором;

- с внутренним статором и внешним ротором.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1, фиг.3 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором;

фиг.2 - пример реализации схемы соединений катушек 4-фазной обмотки якоря редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором, фазы которой соединены «в многоугольник»;

фиг.4 - пример реализации схемы соединений катушек 5-фазной обмотки якоря редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором, фазы которой соединены «в звезду»;

фиг.5 - общий вид с продольным разрезом редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором с внешним якорем и внутренним индуктором.

На фиг.1÷4 буквой и цифрой обозначены катушки многофазной обмотки якоря, расположенные на соответствующих явно выраженных полюсах якоря. Например, С3 - это катушка фазы «С», расположенная на третьем полюсе якоря. Нумерация полюсов якоря на фиг.1 и фиг.3 осуществлена в направлении движения против часовой стрелки.

Рассмотрим конструкцию редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 2 якоря выполнен шихтованным пакетом из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в корпусе 1, материалом которого служит сталь или сплав алюминия. На каждом явно выраженном полюсе 3 якоря выполнены элементарные зубцы 4. На явно выраженных полюсах 3 якоря размещена катушечная m-фазная обмотка якоря, состоящая из катушек 5, сосредоточенных на соответствующих полюсах якоря по одной на каждом полюсе. Катушки m-фазной обмотки якоря выполняются из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины. Катушки 5 в фазе могут быть соединены последовательно, если их количество не менее двух, параллельно, если их количество четное, и смешанно, если их количество четное и не менее четырех. Фазы m-фазной обмотки якоря могут быть соединены «в звезду», а также «в многоугольник». Индуктор при помощи подшипников 12, вала 6 и подшипниковых щитов 11 позиционирован относительно якоря. Вал 6 выполняется из магнитной или немагнитной стали или из титана. Если вал 6 магнитный, то на нем закреплена немагнитная втулка 7, толщина которой значительно превышает величину рабочего воздушного зазора, необходимая для того, чтобы постоянный магнитный поток, созданный постоянными магнитами, не замыкался сам на себя через полюса индуктора и вал. Немагнитная втулка 7 может быть выполнена из сплавов алюминия, из меди, из титана, из нержавеющей стали. Если вал 6 выполнен из немагнитной стали или титана, то немагнитная втулка 7 может не устанавливаться. К немагнитной втулке 7 крепятся зубчатые полюса 8 индуктора, выполненные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью или из шихтованных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, скрепленных между собой в аксиальном направлении. На каждом зубчатом полюсе 8 индуктора выполнены элементарные зубцы 9. Между зубчатыми полюсами 8 индуктора расположены постоянные магниты 10, намагниченные в тангенциальном направлении. Постоянные магниты 10 прилегают своими полюсами к полюсам 8 индуктора таким образом, что с одним и тем же полюсом 8 индуктора соприкасаются постоянные магниты полюсами одной и той же полярности, при этом все элементарные зубцы одного полюса индуктора имеют в радиальном направлении в сторону воздушного зазора одну магнитную полярность, а все элементарные зубцы соседнего полюса индуктора имеют в радиальном направлении в сторону воздушного зазора другую магнитную полярность.

Редукторная магнитоэлектрическая машина с полюсным зубчатым индуктором работает в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Возбуждение индуктора создается постоянными магнитами 10. При этом образуется постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным магнитным потоком индуктора. Постоянный магнитный поток выходит из северных «N» полюсов постоянных магнитов, проходит через полюса 8 и элементарные зубцы 9 полюсов 8 индуктора в радиальном направлении, рабочий воздушный зазор между индуктором и якорем, элементарные зубцы 4 и полюса 3 якоря, расположенные напротив северных «N» полюсов 8 индуктора, сердечник 2 якоря в тангенциальном направлении, полюса 3 якоря, расположенные напротив южных «S» полюсов 8 индуктора, и элементарные зубцы 4 полюсов 3 якоря в радиальном направлении, рабочий воздушный зазор между якорем и индуктором, элементарные зубцы 9 южных «S» полюсов 8 индуктора и южные «S» полюса 8 индуктора и замыкается через южные «S» полюса постоянных магнитов. Зубцы 9 полюсов 8 индуктора, через которые проходит постоянный магнитный поток в сторону от полюса индуктора к полюсу якоря через воздушный зазор, намагничиваются и образуют северные «N» элементарные магнитные полюса, а зубцы 9 полюсов 8 индуктора, через которые проходит постоянный магнитный поток в сторону от полюса якоря к полюсу индуктора через воздушный зазор, намагничиваются и образуют южные «S» элементарные магнитные полюса. На фазы m-фазной обмотки якоря подают переменное напряжение, по обмотке 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, намагничивая элементарные зубцы 4 соответствующих явно выраженных полюсов 3 якоря, на которых расположены катушки 5 обмотки якоря, и образуя южные «S» элементарные магнитные полюса и северные «N» элементарные магнитные полюса, которые меняют свою магнитную полярность в зависимости от направления фазных токов, протекающих по катушкам 5. Вследствие взаимодействия переменного магнитного поля якоря с постоянным магнитным полем индуктора к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент. Так как, согласно изобретению, одному периоду изменения магнитного поля якоря соответствует перемещение ротора на одно зубцовое деление зубчатого полюса индуктора, то при изменении питающих m-фазных напряжений, поданных на m-фазную обмотку якоря с частотой f (Гц), ротор вращается с синхронной частотой вращения n=60·f/(Z₂+Z_1m) об/мин.

Направление вращения ротора на чертежах показано стрелкой с буквой «n». Ротор вращается в сторону, противоположную вращению магнитного поля якоря. Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить направление чередования фаз обмотки якоря в противоположную сторону относительно какой-либо из фаз.

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный постоянными магнитами, пронизывает воздушный зазор и явно выраженные полюса 3 якоря, при этом за счет того, что полюса 8 индуктора и полюса 3 якоря выполнены зубчатыми, в полюсах 3 якоря происходит пульсация магнитного потока от его максимального значения до минимального. Пульсирующий с высокой частотой в полюсах 3 якоря магнитный поток является переменным, он наводит в катушках m-фазной обмотки якоря переменную во времени ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то под действием этой ЭДС по m-фазной обмотке якоря будет протекать переменный электрический ток, электрическая мощность будет отдаваться потребителю.

Следует отметить, что чем выше глубина пульсации магнитного потока в полюсах якоря при прочих равных условиях, тем выше энергетические показатели электрической машины. Глубина пульсации магнитного потока зависит от отношения ширины элементарных зубцов полюсов индуктора и якоря к величине рабочего воздушного зазора. Чем выше эти показатели, тем выше глубина пульсации проводимости рабочего воздушного зазора, а следовательно, и магнитного потока.

За счет того, что явно выраженные полюса якоря и полюса индуктора выполнены зубчатыми, можно получать переменную ЭДС высокой частоты при сравнительно небольших частотах вращения ротора в генераторном режиме и очень низкие частоты вращения ротора (до нескольких оборотов в минуту и ниже) с очень высокими показателями вращающего момента в двигательном режиме редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных магнитоэлектрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в прямых приводах, в системах автоматики, в механизмах с высокими моментами на валу и низкими частотами вращения вала, а также в качестве высокочастотных электрических генераторов и синхронных преобразователей частоты. Предлагаемая редукторная магнитоэлектрическая машина с полюсным зубчатым индуктором содержит статор, сердечник якоря которого выполнен шихтованным и имеет явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, катушечную m-фазную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на каждом полюсе, и ротор, содержащий индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности зубчатыми полюсами с одинаковым числом элементарных зубцов на каждом полюсе, между зубчатыми полюсами индуктора располагаются постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении. При выполнении определенных соотношений между числом явно выраженных полюсов якоря, числом элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе, общим числом зубцов якоря, числом зубчатых полюсов индуктора, общим числом зубцов индуктора, числом элементарных зубцов на зубчатом полюсе индуктора и числом фаз m-фазной обмотки якоря редукторной магнитоэлектрической машины с полюсным зубчатым индуктором достигаются технический результат, состоящий 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. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Редукторная магнитоэлектрическая машина с полюсным зубчатым индуктором, содержащая статор с явно выраженными полюсами и с сосредоточенной m-фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса якоря по одной катушке на полюс, и ротор с чередующейся полярностью полюсов, отличающаяся тем, что статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых расположены элементарные зубцы по Z_1S зубцов на каждом полюсе, ротор содержит индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности зубчатыми полюсами с одинаковым числом элементарных зубцов Z_2S на каждом полюсе, между зубчатыми полюсами индуктора располагаются постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, постоянные магниты и зубчатые полюса индуктора крепятся к немагнитной втулке, толщина которой в радиальном направлении значительно превышает величину рабочего воздушного зазора, между числом явно выраженных полюсов якоря Z_1P, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m, числом элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря Z_1S, общим числом зубцов якоря Z₁, числом зубчатых полюсов индуктора Z_2P, числом элементарных зубцов на зубчатом полюсе индуктора Z_2S, общим числом зубцов индуктора Z₂ установлена связь, которая выражается равенствами (1), (2), (3), (4), (5):





причем число элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря равно четному натуральному числу, т.е. Z_1S=2, 4, 6, 8, … при m - нечетном, т.е. при m=3, 5, 7, 9, …, число элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря равно натуральному числу, т.е. Z_1S=1, 2, 3, 4, … при m - четном, т.е. при m=4, 6, 8, 10, …, ширина коронок элементарных зубцов полюсов индуктора определяется выражением: b_Z2≤0,5·t_Z2, где t_Z2 представляет собой зубцовое деление зубчатого полюса индуктора в угловом измерении и определяется равенством: t_Z2=360°/(Z₂+Z_1m), ширина коронок элементарных зубцов явно выраженных полюсов якоря определяется выражением: b_Z1≤0,5·t_Z1, где t_Z1 представляет собой зубцовое деление явно выраженного полюса якоря в угловом измерении и определяется равенством: t_Z1=360/Z₁.

2. Редукторная магнитоэлектрическая машина с полюсным зубчатым индуктором по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи, индуктор - внутри.

3. Редукторная магнитоэлектрическая машина с полюсным зубчатым индуктором по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь - внутри.

4. Редукторная магнитоэлектрическая машина с полюсным зубчатым индуктором по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены «в звезду».

5. Редукторная магнитоэлектрическая машина с полюсным зубчатым индуктором по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены «в многоугольник».