СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ РЕДУКЦИЕЙ Российский патент 2016 года по МПК H02K19/06 H02K49/06 

Изобретение относится к электрическим машинам, конкретно - к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата "двигатель-редуктор" в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, для применения, например, в качестве мотор-колеса экологически чистых автомобилей.

Известно техническое решение по патенту РФ №2375806, сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель, имеющий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, вал, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с ротором, а цилиндры статора - с корпусом, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения, отличающееся тем, что введены второй пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней поверхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быстрого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, расположенные между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмоткой, имеющим обращенную конструкцию.

Недостатком является сложность конструкции и ограниченная скорость вращения из-за консольного расположения полых цилиндров, а также низкая надежность работы на подвижном основании.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по наибольшему количеству совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, выбранному заявителем в качестве прототипа, является изобретение по патенту РФ №2544835, сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами на валу с подшипниками и многослойный ротор медленного вращения на валу с подшипниками, отличающееся тем, что ротор медленного вращения и статор имеют чередующиеся диски, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности другого кольца имеются клиновидные выступы, имеющие свои одинаковые угловые размеры и положения с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2p, где p - число пар полюсов ротора быстрого вращения и статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны.

Недостатком является наличие ферромагнитных и немагнитных элементов дисков ротора, что усложняет технологию изготовления ротора медленного вращения и уменьшает энергетические показатели электродвигателя из-за реактивной природы момента магнитного редуктора.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в улучшении технологичности изготовления ротора медленного и энергетических показателей.

Технический результат достигается тем, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами на валу с подшипниками, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности другого кольца имеются клиновидные выступы, имеющие свои одинаковые угловые размеры и положения с ферромагнитными элементами дисков статора, отличается тем, что диски ротора медленного вращения выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующейся полярности, при этом намагниченные сектора дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества элементов на диске статора z_c и намагниченных секторов на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2p, где p - число пар полюсов ротора быстрого вращения и статора.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами (Фиг. 1-Фиг. 8).

На Фиг. 1 показано продольное сечение синхронного электродвигателя с магнитной редукцией;

на Фиг. 2 показан ротор быстрого вращения;

на Фиг. 3 показан диск статора;

на Фиг. 4 показан диск ротора медленного вращения;

на Фиг. 5 показаны направления сил, действующих на эквивалентные токи;

на Фиг. 6 показан вид зубцов с катушками;

на Фиг. 7 показаны пути прохождения магнитного потока в предлагаемом электродвигателе;

на Фиг. 8 показана форма листов шихтованного сектора (статора).

Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах.

На Фиг. 1 представлен синхронный электродвигатель, где:

1 - корпус;

2, 3 - подшипниковые щиты;

4, 5 - кольца пакета статора;

6 - зубец;

7 - катушка;

8 - постоянные магниты;

9 - втулка ротора быстрого вращения;

10 - диски статора;

11 - втулка статора;

12 - диски ротора медленного вращения;

13 - втулка ротора медленного вращения;

14 - вал быстрого вращения;

15 - вал медленного вращения;

16-19 - подшипники;

20 - втулка подшипников;

21 - выступы;

22, 23 - втулки;

24, 25 - хомуты.

Заявленная конструкция собрана следующим образом: корпус 1 жестко связан с подшипниковыми щитами 2, 3. На них установлены кольца 4, 5 пакета статора. На кольце 4 имеются шесть зубцов 6 с катушками 7.

Четыре постоянных магнита 8 установлены на втулке 9 ротора быстрого вращения. Диски 10 статора закреплены на втулке 11 статора, установленные на корпусе 1. Диски 12 ротора медленного вращения установлены на втулке 13 ротора медленного вращения. Вал 14 быстрого вращения опирается на подшипники 16, 18, а вал 15 медленного вращения опирается на подшипники 17, 19. Подшипники 16, 17 установлены в подшипниковых щитах 2, 3. Подшипники 18, 19 установлены во втулке 20 подшипников, жестко связанной с диском 10 статора, расположенным рядом с ротором быстрого вращения.

Кольца 4, 5 пакета статора и зубцы 6 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. Зубцы 6 с коронками имеют вид секторов. Они установлены на кольце 4 пакета статора. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С. На торцевой поверхности кольца 5 пакета статора имеются клиновидные выступы 21. Кольца 4, 5 пакета статора намотаны на втулки 22, 23 и охвачены снаружи хомутами 24, 25. Втулки 22, 23 и хомуты 24, 25 являются конструктивными элементами и могут отсутствовать при другом способе крепления, например, путем точечной сварки.

Диски 10 статора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 3 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 3 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.

Ротор быстрого вращения имеет четыре постоянных магнита 8 из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, имеющих вид секторов (на фиг. 2 показаны закрашенными), и немагнитные сектора (на фиг. 2 не закрашены). Сектора намагничены по оси вращения и образуют на торцевых поверхностях чередующиеся полюса.

Диски 12 ротора медленного вращения выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующейся полярности, имеющие с одной стороны северные полюса (на фиг. 4 темные) и южные полюса (на фиг. 4 светлые).

Количество элементов дисков статора z_c и намагниченных секторов ротора z_p, приходящихся на одно полюсное деление, отличается на единицу.

На фиг. 3, 4 показан случай, когда число пар полюсов p=2, z_c=48, z_p=44.

Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией работает следующим образом. При подаче на обмотку статора трехфазной системы напряжений возникает вращающееся магнитное поле с четырьмя полюсами. Оно увлекает за собой ротор быстрого вращения. Вместе с ним вращаются области большой магнитной индукции в дисках статора и ротора медленного вращения. В результате ротор медленного вращения поворачивается так, что места совпадения положений ферромагнитных элементов дисков статора и соответствующих намагниченных секторов дисков ротора медленного вращения находятся в зонах максимума модуля магнитной индукции.

За половину периода напряжения питания T/2=π/ω ротор быстрого вращения повернется на угол π/2, а места максимума модуля магнитной индукции повторятся. При этом ротор медленного вращения должен повернуться на один сектор, т.е. на угол 2π/Z_p. Следовательно, магнитный редуктор имеет передаточное отношение z_p/4. Поэтому скорость вращения ротора медленного вращения будет ω_м=2ω/z_ρ. Здесь ω - угловая частота напряжения питания. Момент на валу медленного вращения М_м=z_pM_б/2.

Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.

На торцевой поверхности магнитопровода 5 статора, обращенной к активной зоне, имеются клиновидные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.

На фиг. 5 показано взаимное положение роторов быстрого и медленного вращения в случае максимального момента. Показаны токи, эквивалентные магнитодвижущим силам намагниченных секторов ротора, и силы Ампера, действующие на эти токи со стороны магнитного поля, созданного обмоткой статора. Видно, что они максимальны в зоне максимума модуля магнитной индукции обмотки статора и имеют одинаковые направления.

На фиг. 7 показаны пути прохождения магнитного потока в данной конструкции, где внешний магнитопровод отсутствует, а объем и масса малы.

Ферромагнитные элементы дисков статора выполнены из электротехнической стали, шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется.

На фиг. 8 показана форма листов шихтованного ферромагнитного элемента, выполненного из электротехнической стали.

Передача момента от ротора быстрого вращения к ротору медленного вращения является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на валу медленного вращения он отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.

Электродвигатель не имеет механических контактов между подвижными активными частями, бесшумен в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между роторами осуществляется через магнитное поле.

Благодаря выполнению дисков ротора медленного вращения из магнитотвердого материала он имеет однородную структуру и более технологичен в изготовлении, т.к. его не требуется изготавливать из отдельных секторов. Диски ротора медленного вращения имеют собственное магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянных магнитов и создающее активный электромагнитный момент. За счет этого заявленный электродвигатель имеет повышенные энергетические показатели.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. из исследованного уровня техники заявителем не выявлена заявленная совокупность признаков, обеспечивающая достижение заявленных целей.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т.к. не является очевидным для специалистов в данной области техники.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, т.к. может быть изготовлено на известном оборудовании, с применением известных материалов и технологий.

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата "двигатель-редуктор" в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, например в качестве мотора-колеса экологически чистых автомобилей. Технический результат заключается в создании синхронного электродвигателя с более технологичной конструкцией и улучшенными энергетическими показателями. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит корпус 1 и подшипниковые щиты 2, 3. На них установлены кольца 4, 5 пакета статора. На кольце 4 имеются шесть зубцов 6 с коронками и с катушками 7, а на кольце 5 имеются клиновидные выступы 21. Четыре постоянных магнита 8 установлены на втулке 9 ротора быстрого вращения. Диски 10 статора закреплены на втулке 11 статора. Диски 12 ротора медленного вращения установлены на втулке 13. Вал 14 быстрого вращения опирается на подшипники 16, 18, а вал 15 медленного вращения опирается на подшипники 17, 19. Подшипники 16, 17 установлены в подшипниковых щитах 2, 3, а подшипники 18, 19 во втулке 20 подшипников, связанной с диском 10 статора. 8 ил.

Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами на валу с подшипниками, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности другого кольца имеются клиновидные выступы, имеющие свои одинаковые угловые размеры и положения с ферромагнитными элементами дисков статора, отличающийся тем, что диски ротора медленного вращения выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующейся полярности, при этом намагниченные сектора дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества элементов на диске статора z_c и намагниченных секторов на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2p, где p - число пар полюсов ротора быстрого вращения и статора.