ТОРЦЕВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК H02K21/24 H02K19/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в специальных электроприводах в качестве низкооборотных электродвигателей и электрогенераторов.

Известен Электромеханический преобразователь (Патент RU 2441308 C1, автор Захаренко А.Б. МПК H02K 19/10), содержащий по меньшей мере одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов - магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах напротив друг друга, согласная, отличающийся тем, что число пар полюсов p, число сердечников статора Z связаны соотношениями:

- для двухфазной обмотки (m=2):

для Z=y·m·k p=(y-1)·k, (y+1)·k, где y - четное число, y≥4; k - целое положительное число;

- для трехфазной обмотки (m=3) для Z=y·m·k:

p=y·k, (y+1)·k, где y=1;

p=(y+1)·k, (y+2)·k, где y=3, 4;

p=(y+2)·k, (y+3)·k, где y=5;

p=(y+3)·k, (y+4)·k, где y=7, 8*;

p=(y+4)·k, (y+5)·k, где y=9;

p=(y+5)·k, (y+6)·k, где y=11,

при этом y, k - целые положительные числа.

Недостатком аналога Электромеханический преобразователь является консольное крепление индукторов ротора, которое вследствие наличия силы магнитного притяжения между статором и ротором не позволяет увеличить диаметр машины. А увеличение диаметра благотворно сказалось бы на увеличении электромагнитной мощности. Кроме того, исходя из выбора в качестве основной гармоники МДС с максимальной амплитудой, наилучшим для m=3, Z=24, y=8, k=1 являются варианты с 2p=22, и 2p=24. Совпадение Z и 2p недопустимо из-за получения нежелательно устойчивого положения зубцов статора напротив магнитов ротора. Таким образом, соотношение, отмеченное «*» не является верным, его следует уточнить.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является торцевая магнитоэлектрическая машина (варианты) (Патент RU 2337458 C1, авторы Захаренко А.Б., Чернухин В.М., МПК H02K 26/00), содержащая статор с тороидальным магнитопроводом и катушечной обмоткой, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, подшипники и вал, отличающаяся тем, что статор жестко закреплен на валу, а ротор вращается в подшипниках относительно оси вала, число катушек в катушечной группе статора b=2, 3, 4, 5 … - целое положительное число большее или равное 2, и число d катушечных групп в фазе, число Z зубцов статора и число p пар полюсов ротора связаны соотношениями:

1<Z / p<4,

при этом Z/p ≠ 2, и

p / d=k,

где k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 … - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно.

Недостатком прототипа является то, что предложенные в нем зависимости не дают в точности наилучших соотношений между числом z зубцов статора и числом 2p полюсов ротора. Так, например, в таблице 1 патента RU 2337458 C1 приведены следующие лучшие соотношения для m=3, Z=24, 2р=16, 20, 22, 26, 28, 32. При этом неясно, какое (или какие) из соотношений является наилучшим, исходя из выбора в качестве основной гармоники МДС с максимальной амплитудой (высших гармоник с максимальными амплитудами обычно бывает две). Кроме того, в прототипе не рассмотрена возможность получения торцевой электрической машины без постоянных магнитов.

Целью настоящего изобретения (по варианту 1) является уточнение наиболее оптимальных соотношений между числом Z зубцов статора и числом 2p полюсов ротора для торцевой электрической машины, а также получение торцевой электрической машины с наилучшими свойствами без постоянных магнитов (по варианту 2).

Техническим результатом настоящего изобретения (по обоим вариантам) является получение низкооборотной торцевой электрической машины, обладающей максимальной мощностью при заданных габаритах.

Исходя из максимизации амплитуд двух высших гармоник МДС для m=3, z=24, у=8, k=1 необходимы следующие соотношения для р=(у+3)·k, (у+5)·k, то есть 2р=22, и 2р=26, иными словами р=(у+3)·k, (у+5)·k, где у=8. Прочие соотношения, по мнению авторов, верные и должны быть оставлены как в аналоге, без изменений. То есть число пар полюсов ротора р, число зубцов Ζ статора должны быть связаны соотношениями:

- для двухфазной обмотки (m=2):

для Z=y·m·k p=(у-1)·k, (у+1)·k, где у - четное число, у·4; k - целое положительное число;

- для трехфазной обмотки (m=3) для Z=y·m·k: р=у·k, (у+1)·k, где у=1;

p=(у+1)·k, (у+2)·k, где у=3, 4;

р=(у+2)·k, (у+3)·k, где у=5;

р=(у+3)·k, (у+4)·k, где у=7;

р=(у+3)·k, (у+5)·k, где y=8;

p=(у+4)·k, (у+5)·k, где у=9;

p=(у+5)·k, (у+6)·k, где у=11,

при этом у, k - целые положительные числа.

Оба варианта настоящего изобретения поясняются фигурами 1 и 2.

Фиг. 1. Конструкция торцевой электрической машины.

Фиг. 2. Схема обмотки статора торцевой электрической машины с m=3, Ζ=12, k=1. Точками обозначены начала катушек.

Конструкция торцевой электрической машины (по варианту 1)

Зубцы 1 статора (якоря) прикреплены к корпусу 2 статора. Зубцы 1 и корпус 2 выполнены из магнитомягкого материала. Зубцы 1 статора могут быть шихтованы их электротехнической стали, корпус 2 статора может быть выполнен из конструкционной стали с высокой магнитной проницаемостью. На зубцах 1 статора размещена трехфазная (m=3) обмотка 3, где буквами А, В, С обозначены начала соответствующих фаз, Χ, Υ, Ζ - их концы. Обмотка также может иметь другое число фаз, например m=2. Катушки обмотки 3 статора наматываются из обмоточного провода, например медного эмаль-провода. Катушки обмотки 3 статора соединяются в катушечные группы (на фиг. 2 вкатушечной группе каждой фазы по 4 катушки). Для увеличения надежности катушечная группа, либо фаза в целом, может наматываться непрерывным проводом. Следует отметить, что между собой катушечные группы могут соединяться не только последовательно, но и параллельно (при k≥1), а также образовывать параллельные ветви (соединяться последовательно-параллельно) по нескольку последовательно соединенных катушечных групп в случае, если k=4, 6, 8, 10 четное число больше двух. Трехфазная обмотка 3 статора (m=3) может быть соединена в звезду, а также в треугольник. На немагнитном основании 4 ротора закрепляются постоянные магниты 5, намагниченные в осевом направлении, полярность магнитов в тангенциальном направлении чередуется. Ротор (основание 4 с закрепленными на нем постоянными магнитами 5) жестко закреплен на валу 6 и вращается благодаря подшипнику 7 относительно корпуса 2 статора. Подшипник 7 может быть выполнен, например, шариковым насыпным для уменьшения осевой длины машины.

Принцип действия торцевой электрической машины (по варианту 1)

Магнитный поток каждого постоянного магнита 5 проходит через воздушные зазоры между статором и ротором, зубцы 1 и корпус 2 статора.

В двигательном режиме на зажимы каждой фазы обмотки 3 статора синхронной электрической машины подается переменное напряжение, по обмотке протекает ток, вызывая вращающуюся МДС статора. Обычно две гармоники МДС статора имеют наибольшую амплитуду. Ротор выполнен с числом полюсов, равным числу полюсов одной из этих гармоник. При протекании электрического тока в обмотке 3 статора происходит силовое взаимодействие магнитного потока обмотки 3 с магнитным потоком постоянных магнитов 5. Перемещаясь, волна МДС статора создает вращающий момент, действующий на ротор, магнитный поток постоянных магнитов 5 перемещается от одной катушки к следующей, при этом наводит электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке 3. Величина ЭДС обусловлена величиной магнитного потока полюсов и частотой вращения ротора. При вращении ротора торцевая электрическая машина будет отдавать механическую мощность в нагрузку.

Питание обмотки 3 статора осуществляется от сети переменного тока, либо от инвертора. В случае питания от инвертора для наиболее эффективной работы машины в двигательном режиме вводится обратная связь по положению ротора. Положение ротора определяется по показаниям датчика положения. В качестве датчика положения может использоваться синусно-косинусный вращающийся трансформатор или датчик на основе эффекта Холла (датчик Холла). При использовании датчика Холла в качестве чувствительного элемента датчика положения ротора он может быть размещен между статором и ротором на стороне статора, обращенной к постоянным магнитам ротора, непосредственно в основном рабочем воздушном зазоре.

В режиме генератора ротор торцевой электрической машины приводится во вращение сторонним источником механической энергии (двигателем), при этом вращающий момент прикладывают к ротору. Поле постоянных магнитов 5, перемещаясь вместе с ротором, пересекает обмотку 3 статора, в которой наводится ЭДС. Если цепь нагрузки замкнута, по обмотке 3 протекает ток. Получаемая при этом электрическая энергия передается в нагрузку.

Конструкция торцевой электрической машины (по варианту 2)

Зубцы 1 статора (якоря) прикреплены к корпусу 2 статора. Зубцы 1 и корпус 2 выполнены из магнитомягкого материала. На зубцах 1 статора (якоря) размещена трехфазная (m=3) обмотка 3, где буквами А, В, С обозначены начала соответствующих фаз, Χ, Υ, Ζ - их концы. Обмотка также может иметь другое число фаз, например, m=2. Катушки обмотки 3 статора наматываются из обмоточного провода, например медного эмаль-провода. Катушки соединяются в катушечные группы. Для увеличения надежности катушечная группа, либо фаза в целом, может наматываться непрерывным проводом. Следует отметить, что между собой катушечные группы могут соединяться не только последовательно, но и параллельно (при k≥1), а также образовывать параллельные ветви (соединяться последовательно-параллельно) по нескольку последовательно соединенных катушечных групп в случае, если k=4, 6, 8, 10 четное число больше двух. Трехфазная обмотка 3 статора (m=3) может быть соединена в звезду, а также в треугольник. На немагнитном основании 4 ротора закрепляются ферромагнитные сердечники 5, выполненные в форме параллелепипедов из магнитомягкого материала, например шихтованы из электротехнической стали. Ротор (основание 4 с сердечниками 5) жестко закреплен на валу 6 и вращается благодаря подшипнику 7 относительно корпуса 2 статора. Подшипник 7 может быть выполнен, например, шариковым насыпным для уменьшения осевой длины машины.

Принцип действия торцевой электрической машины (по варианту 2) Магнитный поток, созванный обмоткой статора 3, проходит через воздушные зазоры между статором и ротором, зубцы 1 и сердечники 5 и корпус 2 статора.

Торцевая электрическая машина по варианту 2 является по своей сути синхронной реактивной и работает только в двигательном режиме. При этом на зажимы каждой фазы обмотки 3 статора синхронной электрической машины подается переменное напряжение, по обмотке протекает ток, вызывая вращающуюся МДС статора. Обычно две гармоники МДС статора имеют наибольшую амплитуду. Ротор выполнен с числом полюсов, равным числу полюсов одной из этих гармоник. При протекании электрического тока в обмотке 3 статора происходит силовое взаимодействие магнитного потока обмотки 3 с ферромагнитными сердечниками 5 ротора. Перемещаясь, волна МДС статора создает вращающий момент, действующий на ротор, При вращении ротора торцевая электрическая машина будет отдавать механическую мощность в нагрузку.

Питание обмотки 3 статора осуществляется от сети переменного тока, либо от инвертора. В случае питания от инвертора для наиболее эффективной работы машины вводится обратная связь по положению ротора. Положение ротора определяется по показаниям датчика положения. В качестве датчика положения может использоваться синусно-косинусный вращающийся трансформатор.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в качестве низкооборотного электродвигателя или генератора. Техническим результатом настоящего изобретения является получение низкооборотной торцевой электрической машины, обладающей максимальной мощностью при заданных габаритах. Торцевая электрическая машина содержит статор с тороидальным магнитопроводом и катушечной обмоткой, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью (либо ферромагнитные сердечники ротора), подшипники и вал. Ротор жестко закреплен на валу и вращается благодаря подшипнику относительно статора. Число пар полюсов ротора р, число зубцов статора Ζ связаны соотношениями для трехфазной обмотки (m=3) для Z=y·m·k:

р=у·k, (у+1)·k, где у=1;

p=(у+1)·k, (у+2)·k, где у=3, 4;

р=(у+2)·k, (у+3)·k, где у=5;

р=(у+3)·k, (у+4)·k, где у=7;

р=(у+3)·k, (у+5)·k, где y=8;

p=(у+4)·k, (у+5)·k, где у=9;

p=(у+5)·k, (у+6)·k, где у=11,

при этом у, k - целые положительные числа. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Торцевая электрическая машина (вариант 1), содержащая статор с тороидальным магнитопроводом и катушечной обмоткой, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, подшипники и вал, отличающаяся тем, что ротор жестко закреплен на валу и вращается благодаря подшипнику относительно статора, число пар полюсов ротора р, число зубцов Z статора связаны соотношениями для трехфазной обмотки (m=3) для Z=y·m·k:
р=у·k, (у+1)·k, где у=1;
p=(y+1)·k, (у+2)·k, где у=3, 4;
р=(y+2)·k, (у+3)·k, где у=5;
р=(у+3)·k, (у+4)·k, где у=7;
р=(у+3)·k, (у+5)·k, где y=8;
p=(у+4)·k, (у+5)·k, где у=9;
p=(у+5)·k, (у+6)·k, где у=11,
при этом у, k - целые положительные числа.

2. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что k≥1.

3. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что при четном k катушечные группы одной и той же фазы обмотки статора соединены параллельно.

4. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что катушечные группы одной и той же фазы обмотки статора соединены последовательно.

5. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что при четном k>2 катушечные группы одной и той же фазы обмотки статора соединены последовательно-параллельно.

6. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что диск ротора выполнен из немагнитного материала.

7. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка статора питается от сети переменного тока.

8. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка статора питается от управляемого инвертора, допускающего работу синхронной электрической машины в двигательном и генераторном режимах.

9. Торцевая электрическая машина по п.1, отличающаяся наличием датчика углового положения ротора.

10. Торцевая электрическая машина (вариант 2), содержащая статор с тороидальным магнитопроводом и катушечной обмоткой, дисковый ротор, подшипники и вал, отличающаяся тем, что ротор жестко закреплен на валу и вращается благодаря подшипнику относительно статора, на дисковом роторе размещены ферромагнитные сердечники, число пар полюсов ротора p, число зубцов Z статора связаны соотношениями для трехфазной обмотки (m=3) для Z=y·m·k:
р=у·k, (у+1)·k, где у=1;
p=(у+1)·k, (у+2)·k, где у=3, 4;
р=(у+2)·k, (у+3)·k, где у=5;
р=(у+3)·k, (у+4)·k, где у=7;
р=(у+3)·k, (у+5)·k, где y=8;
p=(у+4)·k, (у+5)·k, где у=9;
p=(у+5)·k, (у+6)·k, где у=11,
при этом у, k - целые положительные числа.

11. Торцевая электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что k≥1.

12. Торцевая электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что при четном k катушечные группы одной и той же фазы обмотки статора соединены параллельно.

13. Торцевая электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что катушечные группы одной и той же фазы обмотки статора соединены последовательно.

14. Торцевая электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что при четном k>2 катушечные группы одной и той же фазы обмотки статора соединены последовательно-параллельно.

15. Торцевая электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что диск ротора выполнен из немагнитного материала.

16. Торцевая электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что обмотка статора питается от сети переменного тока.

17. Торцевая электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что обмотка статора питается от управляемого инвертора, допускающего работу синхронной электрической машины в двигательном режиме.

18. Торцевая электрическая машина по п. 10, отличающаяся наличием датчика углового положения ротора.

19. Торцевая электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что ферромагнитные сердечники ротора выполнены в форме параллелепипедов из магнитомягкого материала.