ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОПЕРЕЧНЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2019 года по МПК H02K21/14 H02K1/06 H02K1/27 H02K1/32 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к синхронным электрическим двигателям и генераторам, применяемым в электромеханических трансмиссиях автомобилей, строительно-дорожных машин, тракторов, сельскохозяйственных машин, вездеходов и других гусеничных и колесных самоходных машин.

Известна вентильная реактивно-индукторная электрическая машина, именуемая в англоязычной литературе машиной (электродвигателем) с переменным магнитным сопротивлением - Switched Reluctance Motor (SRM), содержащая зубчатый безобмоточный ротор и статор, зубцы (полюса) которого охвачены катушками обмотки статора, соединенными между собой с возможностью образования N-фазной системы (US 5717269 А, 10.02.1998; RU 2399142 С1, 10.09.2010).

Эта электрическая машина имеет сложную конструкцию и относительно невысокий удельный вращающий момент, что обусловлено необходимостью применения множества катушек, размещенных на каждом зубце (полюсе) статора, а также наличием у этих катушек лобовых частей, которые увеличивают габаритные размеры электрической машины и потери в ней.

Известен также N-фазный (N≥3) реактивный индукторный электродвигатель с поперечным магнитным потоком, именуемый в англоязычной литературе - Transverse Flux Reluctance Motor (TFRM). Его ротор выполнен зубчатым и не содержит обмоток и постоянных магнитов. Статор состоит из N тороидальных фазных обмоток, установленных концентрично оси вращения ротора и охваченныхкольцевыми или составными П-образными сердечниками, выполняющими роль магнитопроводов. Статоры отдельных фаз расположены относительно друг друга таким образом, что когда зубцы статора и ротора одной фазы совпадают, зубцы статора и ротора каждой из других фаз смещены друг относительно друга на 1/N шага зубьев статора или ротора (US 20060091755 А1, 04.05.2006).

В этом электродвигателе, в отличии от указанного выше, магнитный поток в каждом сердечнике статора перпендикулярен к проводникам фазных обмоток и направлению вращения ротора, а электромагнитный вектор силы перпендикулярен линии магнитного потока.

Статический электромагнитный момент рассматриваемого электродвигателя обусловлен неравенством магнитных проводимостей воздушного зазора по продольной и поперечной осям ротора и возникает в результате стремления ротора ориентироваться по оси результирующего поля.

В TFRM, в отличие от классических индукторных электрических машин с продольным распространением магнитного потока (SRM), достигается более высокий удельный вращающий момент за счет обеспечения возможности значительного увеличения числа пар полюсов, а также за счет того, что пути замыкания магнитного потока и тока в фазных обмотках условно не зависят друг от друга и могут быть оптимизированы по отдельности. У TFRM отсутствуют лобовые части фазных обмоток, что, по сравнению с SRM, дополнительно приводит к уменьшению их массы, габаритных размеров и потерь.

К недостаткам известного TFRM относится более низкий удельный вращающий момент по сравнению с электрическими машинами с постоянными магнитами в роторе. Это обусловлено тем, что реактивный момент, если отсутствует насыщение магнитопровода, пропорционален квадрату тока в фазных обмотках, т.е. эффективная работа этой электрической машины возможна только при повышенных значениях тока в его обмотках. Однако увеличению тока в фазных обмотках и, соответственно, электромагнитного момента электрической машины, препятствует перегрев этих обмоток. К другим недостаткам TFRM, аналогичным недостаткам SRM, относятся повышенные вибрации и пульсации крутящего момента, повышенное количество проводов, необходимых для соединения электродвигателя с силовым преобразователем, а также невозможность применения в преобразователе стандартных мостовых и полумостовых силовых транзисторных модулей, разработанных для наиболее распространенных в настоящее время асинхронных электродвигателей.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) предложенного устройства выбрана электрическая машина с поперечным магнитным потоком и возбуждением от постоянных магнитов, именуемая в англоязычной литературе - Transverse Flux Machine (TFM) или Flux Concentrated Permanent Magnet (FCPM-TFM). Она содержит безобмоточный ротор с постоянными магнитами, закрепленный на оси вращения, и неподвижный статор с кольцевой N-фазной обмоткой, расположенной концентрично оси вращения ротора и охваченной сердечниками статора, полюса которых обращены к ротору и отделены от него воздушным зазором (CN 103795158 А, 14.05.2014; US 8760023 В2, 24.06.2014; RU 2557562 С2, 27.07.2015).

К недостаткам устройства-прототипа относится относительно невысокий удельный вращающий момент. Это обусловлено тем, что этот момент создается, главным образом, за счет сил взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с магнитным полем, обусловленным током фазной обмотки. При этом не используется возможность существенного увеличения среднего вращающего момента за счет ее реактивной составляющей этого момента, поскольку конструкция ротора в этом устройстве не предусматривает специальных мер по увеличению его магнитной асимметрии.

К снижению удельного вращающего момента устройства-прототипа, как и предыдущей электрической машины, приводит также невысокая прочность статора, выполненного из магнитомягкого композиционного материала, недостаточно высокая эффективность охлаждения сердечника статора и фазных обмоток, повышенная длина пути распространения магнитного потока в сердечнике статора, высокие потери на вихревые токи в постоянных магнитах, повышенная индуктивность рассеяния фазных обмоток, а также невозможность эффективной реализации реактивного вращающего момента при работе электрической машины совместно с широко распространенным мостовым электронным силовым преобразователем.

Задачей изобретения является повышение удельного вращающего момента электрической машины с поперечным магнитным потоком, под которым подразумевается отношение вращающего момента к массе электрической машины при скорости вращения ее ротора, не превышающей номинальную.

При этом, в силу обратимости электрической машины, предполагается, что повышение удельного вращающего момента электрической машины при ее работе в режиме электродвигателя автоматически приводит к увеличению ее удельной выходной мощности при работе в режиме электрического генератора.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в электрической машине с поперечным магнитным потоком, содержащей безобмоточный явнополюсной ротор, закрепленный на оси вращения, и статор с кольцевой фазной обмоткой, расположенной концентрично оси вращения ротора и охваченной по меньшей мере одним сердечником статора, полюса которого обращены к ротору и отделены от него воздушным зазором, предусмотрено по меньшей мере одно из следующих отличий:

- ротор выполнен с явно выраженной магнитной несимметрией по его продольной и поперечной осям, причем его полюса сформированы постоянными магнитами и магнитными концентраторами таким образом, что средний электромагнитный момент образуется за счет суммирования момента от сил взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с магнитным полем, обусловленным током фазной обмотки, и момента, возникающего вследствие магнитной несимметрии ротора;

- сердечник статора выполнен из магнитомягкого композиционного материала - Soft Magnetic Composite (SMC) с применением армирования;

- сердечник статора выполнен из SMC и имеет каналы жидкостного охлаждения внутри него;

- сердечник статора отформован из SMC с установленной внутри него фазной обмоткой;

- часть поверхности сердечника статора имеет форму, образованную криволинейной направляющей и образующей, параллельной оси ротора, причем форма направляющей выбрана из условия сокращения длины и/или увеличения площади сечения магнитопровода статора на пути распространения магнитного потока в нем при обеспечении необходимой площади окна сердечника, в котором размешена фазная обмотка;

- постоянные магниты ротора выполнены шихтованными на основе сплава редкоземельных металлов химического состава Неодим-Железо-Бор (NdFeB), причем слои этих магнитов ориентированы вдоль направления их намагничивания;

- параллельно фазной обмотке или последовательно с ней включен конденсатор, емкость которого выбрана из условия компенсации ее индуктивности рассеяния;

- электрическая машина выполнена с числом фаз N=3, а ее фазные обмотки соединены по схеме треугольника с включением диодов последовательно согласованно в каждую из этих обмоток.

Кроме того, предложенная электрическая машина с поперечным магнитным потоком имеет, в частности, следующие отличия.

Каждая кольцевая фазная обмотка охвачена сплошным или составным кольцевым U-, или П-, или С-образным сердечником, имеющим ярмо и зубцы, обращенные к воздушному зазору и являющиеся полюсами статора. Количество полюсов с каждой стороны сердечника равно p, а их общее количество составляет 2p и равно количеству полюсов ротора.

Ротор содержит 2p постоянных магнитов, которые имеют чередующуюся намагниченность и разделены между собой в направлении движения магнитными концентраторами. Эти концентраторы выполнены с увеличением, а постоянные магниты с уменьшением их сечения по мере приближения к воздушному зазору, причем поверхности постоянных магнитов, обращенные к воздушному зазору, удалены от него.

Сердечник ротора имеет кольцевую форму с чередующимися пазами V-образной формы, частично заполненными постоянными магнитами с чередующейся намагниченностью.

Магнитопровод статора отформован из SMC с установленной внутри него фазной обмоткой, причем это формование осуществлено с давлением, обеспечивающим деформацию проводников фазной обмотки и достижение за счет этого коэффициента заполнения сечения обмотки медью более 0,8.

Для внутреннего армирующего каркаса сердечника статора, выполненного из SMC, использована сталь, пара-арамид (его другие наименования - кевлар, тварон), зайлон, высокопрочное углеволокно, спектра (другое наименование - дайнема), или цетран, или текнора блэк, или вектран.

Часть поверхности сердечника статора, обращенная к фазной обмотке, имеет цилиндрическую форму, причем ее кривизна (в частности, радиус) выбрана из условия сокращения длины и/или увеличения площади магнитопровода статора на пути распространения магнитного потока в нем при обеспечении необходимой площади окна сердечника, в котором размешена фазная обмотка.

Между совокупностью существенных признаков заявляемой электрической машины и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.

В том числе, реализация первого отличительного признака, а именно, выполнение ротора с явно выраженной магнитной несимметрией по его продольной и поперечной осям при формировании его полюсов с помощью постоянных магнитов и магнитных концентраторов позволяет добиться существенного повышения вращающего момента электрической машины без увеличения ее массы (т.е. увеличения удельного момента) за счет того, что ее средний электромагнитный момент в этом случае образуется не только от сил взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с магнитным полем, обусловленным током фазной обмотки, а за счет суммирования этого момента с моментом, возникающим вследствие магнитной несимметрии ротора. Причем магнитная не симметрия реализуется именно явной с той целью, чтобы вторая составляющая электромагнитного момента была существенной.

В частных случаях эта несимметрия реализована явной за счет того, что магнитные концентраторы (полюса) ротора выполнены с увеличением, а постоянные магниты с уменьшением их сечения по мере приближения этих сечений к воздушному зазору, за счет удаления поверхностей постоянных магнитов от воздушного зазора, либо путем реализации кольцевого сердечника ротора с чередующимися пазами V-образной формы, которые частично заполнены постоянными магнитами.

Реализация второго альтернативного отличительного признака - выполнения сердечника статора из магнитомягкого композиционного материала с применением армирования позволяет повысить вращающий момент электрической машины без увеличения ее массы (удельный момент) за счет того, что применение армирования позволяет компенсировать недостаток SMC, заключающийся в том, что этот материал кромке неоспоримых преимуществ, имеет, по сравнению с электротехнической сталью, более низкую прочность. Армирование сердечника из SMC дает возможность повысить вращающий момент за счет увеличения количества полюсов, поскольку по мере увеличения количества полюсов статора уменьшаются их размеры и, соответственно, требования к их прочности. Применение армирования, при котором для реализации внутреннего армирующего каркаса используется высокопрочный материал - сталь, пара-арамид (кевлар, тварон), зайлон, высокопрочное углеволокно, спектра (дайнема), цетран, текнора блэк или вектран, позволяет снять указанное ограничение.

Кроме того, применение армирования позволяет электрической машине работать с более высокой токовой и, соответственно, силовой напряженностью, что также повышает ее удельный вращающий момент.

Третий альтернативный отличительный признака изобретения предусматривает реализацию сердечника статора из SMC с каналами жидкостного охлаждения внутри этого сердечника. В электрических машинах рассматриваемого типа, ввиду наличия одной кольцевой фазной обмотки без лобовых частей, потери в обмотках имеют относительно небольшую величину. Преобладают потери в сердечнике (магнитопроводе). Поэтому реализация каналов жидкостного охлаждения непосредственно внутри этого сердечника позволяет обеспечить его наиболее эффективное охлаждение. Это, в свою очередь, позволяет работать с более высокими значениями индукции и частоты перемагничивания в этом сердечнике, что также обеспечивает повышение вращающего момента электрической машины без увеличения ее массы.

Формование (прессование) сердечника статора из SMC с установленной внутри него катушкой фазной обмотки, предусмотренное четвертым альтернативным отличительным признаком изобретения, позволяет уплотнить фазные обмотки давлением прессования и увеличить коэффициент заполнения окна медью до 0,8 и более. Это дает возможность либо уменьшить площадь фазной обмотки при сохранении диаметра обмоточного провода и плотности тока в ней, либо сократить потери в фазной обмотке при сохранении площади, занимаемой этой обмоткой (площади окна в сердечнике) за счет увеличения сечения провода в этой обмотке при сохранении количества витков в ней.

Сокращение площади фазной обмотки, в свою очередь, позволяет сократить длину пути распространения магнитного потока в сердечнике статора и, соответственно, величину этого магнитного потока, при одновременном сокращении размеров и массы сердечника статора и самой электрической машины. Концентрация потока вместе со сжатой обмоткой и хороший тепловой контакт между катушкой фазной обмотки и сердечником приводит к более эффективной электромагнитной связи и улучшению тепловых характеристик. Это приводит к увеличению удельного вращающего момента за счет как повышения величины вращающего момента, так и снижения массы электрической машины. Во втором случае (при сохранении площади обмотки и увеличении сечения провода в ней) обеспечивается работа электрической машины при более высоких значениях тока в фазных обмотках без увеличения плотности тока и перегрева этой обмотки, что также приводит к увеличению крутящего момента электрической машины при сохранении ее массы.

К этому же результату приводит реализация пятого отличительного признака изобретения, в соответствии с которым часть поверхности по меньшей мере одного сердечника статора имеет форму, образованную криволинейной направляющей и образующей, параллельной оси ротора, в частности, цилиндрическую форму. Указанная направляющая может быть частью окружности, эллипса и т.д. Ее форма выбрана из условия сокращения длины и/или увеличения площади сечения сердечника статора на пути распространения магнитного потока в нем при обеспечении необходимой площади окна сердечника, в котором размешена фазная обмотка. Сердечник статора, с частности, может иметь форму, близкую к тороиду (за исключением стороны с полюсами, обращенной к ротору).

Благодаря этому обеспечивается снижение магнитного сопротивления магнитопровода статора при сохранении площади окна, занятого фазной обмоткой, причем без увеличения объема и массы этого сердечника и всей электрической машины, что приводит увеличению магнитного потока в магнитопроводах (сердечниках), охватывающих катушки фазных обмоток и к соответствующему повышению удельного вращающего момента электрической машины.

Ротор электрической машины, реализованной в соответствии с шестым отличительным признаком изобретения, содержит постоянные магниты, которые выполнены шихтованными на основе сплава NdFeB, причем слои этих магнитов ориентированы вдоль направления их намагничивания, что значительно снижает потери на вихревые токи в этих магнитах без ухудшения их характеристик. Это дает возможность значительно увеличить количество пар полюсов 2p статора и, соответственно, частоту перемагничивания магнитопроводов электрической машины без риска перегрева постоянных магнитов. Увеличение числа полюсов приводит к увеличению вращающего момента электрической машин без увеличения ее массы, т.е. обеспечивает увеличение удельного вращающего момента.

Седьмой отличительный признак электрической машины предусматривает установку конденсаторов параллельно фазным обмоткам или последовательно с ними. Конденсаторы обеспечивают компенсацию индуктивности рассеяния обмоток. Благодаря этому при одной и той же установленной мощности силового преобразователя обеспечивается увеличение активной составляющей тока в фазных обмотках, что приводит к увеличению вращающего момента электрической машины без увеличения ее массы. Кроме того, компенсация индуктивности рассеяния позволяет применить сердечники статора с когтеобразными полюсами, что также обеспечивает повышение удельного вращающего момента электрической машины.

В электрической машине, реализованной в соответствии с последним отличительным признаком изобретения, число фаз выбрано равным N=3, причем фазные обмотки соединены по схеме треугольника, а последовательно согласованно с каждой из этих обмоток включены диоды. При такой схеме соединения обмоток электрической машины с одной стороны достигается возможность независимой коммутации каждой фазной обмотки при работе электрической машины совместно с симметричным трехфазным преобразователем. С другой стороны, благодаря диодам открывается возможность упорядоченного протекания тока по общему контуру из 2-х или 3-х фазных обмоток. Этот ток создает дополнительный вращающий момент при работе электрической машины в режиме электродвигателя и дополнительный ток возбуждения при работе в режиме генератора. Поэтому этот отличительный признак также обеспечивает повышение удельного вращающего момента электрической машины.

Указанные отличительные признаки могут быть реализованы в электрической машине с любым числом фаз: N=1, 2, 3 …, работающей совместно с одним или несколькими выпрямителями, симметричными или несимметричными мостовыми преобразователями и т.д. Причем различное конструктивное исполнение электрической машины - с внутренним статором и внешним ротором, с внешним статором и внутренним ротором или с дисковым ротором (торцевой), не влияет на возможность, а также на эффективность или целесообразность реализации этих отличительных признаков.

В предложенной электрической машине, как следует из приведенных далее по тексту примеров ее осуществления, может быть реализован как один (любой) указанный отличительный признак, так и одновременно несколько отличительных признаков в их любом сочетании. При этом степень достижения указанного технического результата - повышения удельного вращающего момента электрической машины возрастает по мере увеличения количества одновременно реализованных отличительных признаков.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами.

На фиг. 1 показана двухфазная электрическая машина с поперечным магнитным потоком. На фиг. 2 и фиг. 3 - варианты исполнения отдельных фаз ее статора с когтеобразными и прямыми полюсами. На фиг. 4 - вид сердечника статора с когтеобразными полюсами в осевом направлении. На фиг. 5 - вариант исполнения ротора, с постоянными магнитами и магнитными концентраторами (полюсами), на фиг. 6 - без постоянных магнитов. На фиг. 7 и фиг. 8 - электрическая схема однофазного и двухфазного генератора с конденсаторами, компенсирующими индуктивность рассеяния фазных обмоток. На фиг. 9 - электрическая схема электрической машины с диодами в фазных обмотках, приспособленная для работы совместно с силовым трехфазным симметричным мостовым преобразователем.

Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующими примерами.

Электрическая машина с поперечным магнитным потоком (фиг. 1) содержит безобмоточный явнополюсной внешний ротор 1, закрепленный на оси вращения 2, и статор с подшипниковым щитом 3 и кольцевыми фазными обмотками (катушками) 4, расположенными концентрично оси вращения 2 ротора 1 и охваченные сердечниками 5 статора, являющимися его магнитопроводами. Полюса статора обращены к ротору 1 и отделены от него воздушным зазором 6.

В этой электрической машине силовые линии магнитных потоков полюсов ротора замыкаются перпендикулярно (поперек) направлению вращения ротора, а обмотки статора, которые могут именоваться также фазными обмотками или катушками, выполнены в виде колец, соосных с ротором.

Одна центральная обмотка 4 каждой фазы статора этой электрической машины намагничивает множество зубьев, выполненных из магнитомягкого материала. Т.е. магнитомягкий сердечник сформирован вокруг фазной обмотки в отличие от SRM и других электрических машин, в которых обмотку устанавливают вокруг зубчатого сердечника.

Такая электрическая машина может иметь ротор как с постоянными магнитами, так и без них. Конструктивно она может быть выполнена с внутренним статором и внешним ротором, с внешним статором и внутренним ротором, или торцевой (с дисковым ротором). Она может называться: машина с поперечным магнитным потоком, именуемая в англоязычной литературе - Transverse Flux Machine (TFM) или Flux Concentrated Permanent Magnet (FCPM-TFM); машина с коммутируемым магнитным потоком; модулируемая полюсная машина, реактивный индукторный двигатели с аксиальным магнитным потоком; реактивная машина с поперечным магнитным потоком, именуемая в англоязычной литературе - Transverse Flux Reluctance Motor (TFRM), Transverse Flux Switched Reluctance Motor (TFSRM) и т.д.

Сердечники статора 5 могут быть сплошным или составным. На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 они показаны состоящими из двух кольцевых чашек U-, или П-, или С-образной формы, наружные части которых, обращенные к воздушному зазору, имеют прямые или когтеобразные зубцы (полюса) 7, а внутренние образуют ярмо 8. Когти полюса иногда называют индукторами.

Если сердечник выполнен сплошным или состоит из двух соосно расположенных половин (чашек), то количество полюсов с каждой стороны сердечника, как правило, равно p, а их общее количество составляет 2p и равно количеству полюсов ротора.

Количество полюсов или пар полюсов статора и ротора может не совпадать. Например, число пар полюсов ротора мажет быть в К раз больше, чем статора. В этом случае электрическая машина работает с коэффициентом электромагнитной редукции, равном К.

Сердечник статора может также состоять из отдельных U-, или П-, или С-образных частей, каждая из которых имеет ярмо 8 и два зубца 7. Количество таких частей равно р.

Сердечник статора каждой фазы может быть выполнен из изолированных листов электротехнической стали. Однако, в связи с изменением направления распространения магнитного потока в этом сердечнике, его целесообразно изготавливать из магнитомягкого композиционного материала - Soft Magnetic Composite (SMC) путем его прессования и последующей термообработки.

SMC может именоваться также магнитно-мягким композиционным материалом; магнитно-мягким или магнитомягким железным порошком; порошком, содержащим кобальт, никель или сплавы, содержащие части этих металлов. Он состоит, как правило, из порошка частиц чистого или губчатого железа сферической или неправильной формы, электрически изолированных тонким неорганическим поверхностным покрытием. Этот порошок смешан со смазкой (лубрикантом) и иногда со связующим. Примерами таких материалов является Somaloy® компании АВ, Швеция, SIRON® компании PMG GmbH, Германия и АТОМЕТ ЕМ-1 компании Quebec Metal Powders Ltd., Канада.

Ротор 1 выполнен с явно выраженной магнитной несимметрией по его продольной и поперечной осям. Его полюса сформированы постоянными магнитами 9, выполненными, в частности, из сплава редкоземельных металлов химического состава NdFeB, и магнитными концентраторами 10, выполненными из SMC. Ротор содержит четное число 2p постоянных магнитов, которые имеют чередующуюся намагниченность и разделены между собой в направлении движения магнитными концентраторами, которые могут именоваться также полюсами ротора, магнитными вставками и т.д. (фиг. 5).

На фиг. 1 в качестве примера показана двухфазная машины. Однако она может иметь любое количество фаз: N=1, 2, 3 …. В этом случае статор состоит из N тороидальных фазных обмоток 4, установленных концентрично оси вращения ротора 2 и охваченных кольцевыми или составными сердечниками, выполняющими роль магнитопроводов. Если ротор выполнен симметричным в аксиальном направлении, то сердечники статора отдельных фаз расположены относительно друг друга таким образом, что когда зубцы статора и ротора одной фазы совпадают, зубцы статора и ротора каждой из других фаз смещены друг относительно друга на 1/N шага зубьев статора.

Если предложенная электрическая машина выполнена без постоянных магнитов (TFRM, TFSRM), то на роторе 1 закрепляются только магнитные концентраторы (полюса) 10 (фиг. 6). Их количество p равно числу пар полюсов статора, которые в этом случае расположены на его сердечнике друг напротив друга. Это обеспечивает возможности одновременного замыкания и размыкания 2p полюсов магнитопровода статора р магнитными концентраторами (полюсами) ротора. Т.е. в данном примере, как и в предыдущем, все пары полюсов статора и полюса ротора работают одновременно.

Ротор 1, независимо от наличия постоянных магнитов, выполнен с явно выраженной магнитной несимметрией (асимметрией, анизотропией). В частности, магнитные концентраторы (полюса) 10 выполнены с увеличением, а постоянные магниты 9 с уменьшением их сечения по мере приближения этих сечений к воздушному зазору. Кроме того, поверхности постоянных магнитов 9, обращенные к воздушному зазору 6, удалены от него с целью снижения магнитного потока через эти магниты в обход магнитных концентраторов.

Магнитная асимметрия ротора может быть реализована также путем устройства в сердечнике ротора 1 кольцевой формы чередующихся пазов V-образной формы, которые частично заполнены постоянными магнитами с чередующейся намагниченностью. В этом случае магнитную несимметрию ротора создают воздушные зазоры.

Постоянные магниты 9, с целью уменьшения потерь на вихревые токи, могут быть выполнены шихтованными (пластинчатым, слоистыми). Слои этих магнитов ориентированы вдоль направления их намагничивания.

Сердечник статора выполнен, как правило, из SMC. С целью повышения его прочности он может иметь армирование. Для внутреннего армирующего каркаса может использоваться сталь, с том числе электротехническая, а также пара-арамид (кевлар, тварон), зайлон, высокопрочное углеволокно, спектра (дайнема), цетран, текнора блэк или вектран. В этом случае армирующий материал в виде сетки, пластин, нитей или прутков укладывается в пресс-форму внутрь пресс-готовой смеси (премикса) материала SMC в тело сердечника, после чего осуществляется прессование смеси и последующая термообработка сердечника. Материал для армирования, а также форма и расположение армирующего каркаса, определяются при проектировании сердечника исходя из требований к его прочности. Основные элементы этого каркаса должны быть ориентированы, очевидно, параллельно или под небольшими углами относительно направлений сил, приложенных к сердечнику.

В случае, если в качестве армирующего материала выбрана динамная стать, армирующий каркас проводит часть магнитного потока, что улучшает характеристики электрической машины.

Аналогичным образом внутри сердечника статора, выполненного из SMC, формируются каналы жидкостного охлаждения 11. В этом случае в пресс-форму перед прессованием пресс-готовой смеси (премикса) SMC укладываются закладные элементы из несжимаемого легкоплавкого материала, выполненные по форме этих каналов. После прессования, извлечения сердечника статора из пресс-формы и термообработки эти элементы расплавляются и удаляются. В результате этого внутри тела сердечника статора образуются каналы для жидкостного охлаждения 11, которые соединяются между собой параллельно или последовательно и подключаются к внешнему циркуляционному насосу и внешнему теплообменнику.

Диаметр, расположение и схема соединения каналов жидкостного охлаждения определяются при проведении теплового и электромагнитного расчетов электрической машины. При этом, с целью снижения их влияния на работу электрической машины, предпочтительным является радиальное положение каналов в боковых стенках сердечника с изгибами в областях с наименьшими значениями магнитной индукции, либо аксиальное расположение этих каналов 11 в ярме сердечника статора (фиг. 3).

На фиг 1, фиг. 2 и фиг. 3 показано, что сердечники каждой фазы, с целью повышения технологичности изготовления электрической машины, выполнены их двух половин, между которыми в процессе сборки электрической машины устанавливаются катушки фазных обмоток.

Сердечники статора могут быть также сплошными. В этом случае каждый сердечник формуется (т.е. ему придается необходимая форма в процессе прессования) с установленной внутри него катушкой фазной обмотки 4. В этом случае в пресс-форму перед прессованием пресс-готовой смеси SMC укладывается катушка фазной обмотки. При этом со стороны полюсов (зубцов) статора устанавливаются несжимаемые вставки. После приложения давления одновременно с формованием сердечника (магнитопровода) статора из SMC происходит всестороннее сжатие фазной обмотки и деформация ее проводников (обмоточного провода). В результате этого промежутки между отдельными проводниками катушек (обмоток) уменьшаются и коэффициент заполнения их сечения медью увеличивается до 0,8 и более. Далее указанные вставки удаляются и сердечник статора с обмоткой принимает вид, показанный на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. Это техническое решение позволяет максимально увеличить сечение провода в обмотке статора и улучшить ее охлаждение, что обеспечивает повышение удельного вращающего момента электрической машины.

Части поверхности 12 сердечника статора, обращенные к фазной обмотке 4, показанный на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, могут иметь цилиндрическую форму. Эта форма образована криволинейной направляющей и образующей, параллельной оси ротора. Причем эта направляющая может быть частью окружности, эллипса и т.д. Ее кривизна выбрана из условия сокращения длины и/или увеличения площади магнитопровода статора на пути распространения магнитного потока в нем, причем таким образом, чтобы при этом сохранялась площадь окна, необходимого для размещения фазной обмотки при сохранении заданной плотности тока в ней. Сердечник статора в этом случае может иметь форму, близкую к тороиду за исключением стороны, обращенной к ротору, на которой расположены полюса. При этом отдельные части поверхности сердечника статора, с целью упрощения его крепления в электрической машине, могут быть плоскими 13, иметь выемки и т.д.

Электрические выводы электрической машины, а именно, концы катушек каждой фазной обмотки 4 (по два вывода на каждую фазу) могут быть выведены между зубцами сердечника статора или через радиальные отверстия в ярме 8 сердечника каждой из N фаз и далее на подшипниковый щит 3 (на чертеже условно не показаны).

Если электрическая машина выполнена с возбуждением от постоянных магнитов 9, то в режиме генератора она может работать без силового преобразователя совместно с выпрямителем при любом количестве фаз: N≥1. На фиг. 7 и фиг. 8 в качестве примеров показаны электрические схемы, соответственно, однофазной и двухфазной электрических машин, приспособленных для работы совместно с одним и двумя мостовыми выпрямителями 14 на нагрузку Zн 15.

Если необходима работа в режиме электродвигателя, то у электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов число фаз должно быть N≥2, поскольку для получения непрерывного вращающего момента одной фазы недостаточно. После перехода полюсов ротора и статора первой фазы в согласованное положение, для создания последующего вращения необходима по меньшей мере еще одна аналогичная магнитная система (фаза), расположенная в аксиальном направлении по отношению к исходной. При этом если полюса ротора (его постоянные магниты и магнитные концентраторы) всех фаз не имеют смещения друг относительно друга, то полюса статора второй фазы должны быть смещены на некоторый угол по отношению к полюсам первой фазы, то есть должна быть создана такая ситуация, при которой часть полюсов статора всегда находятся между разнополярными полюсами ротора. Таким образом, при наличии токов в обоих фазных обмотках статора, на общий ротор будет постоянно действовать тангенциальная сила, создающая вращающий момент.

Для обеспечения работы электрической машины в этих режимах необходим силовой электронный преобразователь (двухканальный мостовой при N=2, трехфазный мостовой при N=3 и т.д.). Этот преобразователь может именоваться также силовым коммутатором, инвертором и т.д.

Если предложенная электрическая машина выполнена без постоянных магнитов (TFRM, TFSRM), то в качестве генератора она может работать при любом количестве фаз, но только совместно с N-канальным силовым несимметричным мостовым преобразователем (коммутатором, инвертором).

Электрическая машина TFRM, TFSRM при ее работе в режиме электродвигателя обеспечивает получение непрерывного вращающего момента при и числе фаз N≥3. При этом каждая фаза подключается, как правило, к отдельному несимметричному мостовому преобразователю.

При N=3 имеется возможность обеспечить работу электрической машины TFRM, TFSRM в режиме электродвигателя и генератора совместно с симметричным мостовым преобразователем 16 (фиг. 9). В этом случае фазные обмотки соединены по схеме треугольника, а последовательно согласованно с каждой из этих обмоток включены диоды 17.

Преобразователь 16 содержит транзисторные силовые силовые ключи 18 и обратные диоды 19. Управление силовыми ключами осуществляется, как правило, от электронного микропроцессорного контроллера.

Дополнительно, с целью улучшения характеристик электрической машины, параллельно каждой фазной обмотке, либо последовательно с ней, может быть включен конденсатор 18. Его емкость выбирается из условия компенсации индуктивности рассеяния фазной обмотки. Благодаря этим конденсаторам возможно получение cos(p электрической машины, близкого к единице, что приводит как к увеличению ее крутящего момента, так и к снижению установленной мощности силового преобразователя.

В состав электрической машины может входить также датчик положения ротора 1, датчики тока в фазных обмотках и датчики их температуры, соединенные с микропроцессорным контроллером, формирующим сигналы управления силовым электронным преобразователем (инвертором, коммутатором) 16, а также другие составные части электрической машины, условно не показанные на чертежах.

Электрическая машина с поперечным магнитным потоком работает следующим образом.

У электрической машины с поперечным магнитным потоком и возбуждением от постоянных магнитов источником магнитного поля в генераторном режиме являются постоянные магниты 9. Поскольку эти магниты имеют чередующуюся намагниченность и расположены с магнитными концентраторами (полюсами ротора) 10 в чередующемся порядке, а зубцы (полюса) статора сдвинуты друг относительно друга на половину шага, при вращении ротора на полюсах статора образуются разные магнитные полярности. Под действием МДС ротора в сердечнике (магнитопроводе) каждой фазы статора создается магнитный поток чередующегося направления, охватывающий фазную обмотку 4. При изменении направления магнитного потока в магнитопроводе статора в фазной обмотке наводится знакопеременная ЭДС, которая через выпрямитель 14 поступает на нагрузку Zн 15.

В двигательном режиме фазная обмотка статора через силовой электронный преобразователь (коммутатор, инвертор и т.п.) подключается к внешней сети. Переменное выходное напряжение преобразователя, синхронизированное по своей частоте и фазе со скоростью вращения и положением ротора, создает в фазной обмотке переменный ток и, соответственно, приводит к возникновению переменной МДС статора, которая взаимодействуя с постоянным магнитным потоком ротора приводит его в движение. Эта составляющая вращающего момента пропорциональна току в фазной обмотке двигателя (если нет насыщения магнитопровода).

Одновременно, ввиду явно выраженной магнитной несимметрии ротора по его продольной и поперечной осям, при вращении ротора меняется активная площадь полюсов, что приводит к изменению магнитной проводимости воздушного зазора. В результате стремления ротора ориентироваться по оси результирующего поля возникает реактивный вращающий момент. Его величина, если нет насыщения магнитопровода, пропорциональна квадрату тока в фазных обмотках двигателя.

В результате этого средний электромагнитный момент электрической машины образуется за счет суммирования момента от сил взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с магнитным полем, обусловленным током фазной обмотки, и момента, возникающего вследствие магнитной несимметрии ротора.

При этом, в отличие от стандартных двигателей, в которых вектор силы параллелен магнитному потоку, в предложенной электрической машине электромагнитный вектор силы перпендикулярен линии магнитного потока.

Электрическая машина без постоянных магнитов (TFRM, TFSRM) может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах, только совместно с силовым электронным преобразователем (коммутатором, инвертором и т.п.). Он поочередно подключает фазные обмотки (катушки 4) к источнику постоянного напряжения (к силовой шине). Ток, протекающий по обмоткам, создает в магнитопроводах статора и ротора магнитный поток. В результате взаимного притяжения зубцов статора и ротора возникает реактивный вращающий момент, приводящий во вращение вал 2 электрической машины.

При работе этой машины в генераторном режиме силовой преобразователь 21 с помощью ключей 18 подает на фазные обмотки 4 импульсы тока возбуждения в те интервалы времени, когда происходит удаление полюсов (зубцов) ротора из полюсов (зубцов) статора. В сердечнике (магнитопроводе) каждой фазы статора создается магнитный поток. Далее, по мере перемещения ротора, электрическая машина переходит в генераторный режим и ее выходной ток через обратные диоды 19 силового преобразователя поступает в источник питания (+U, -U), осуществляя заряд накопителя энергии 21, либо на нагрузку, подключенную к этому источнику питания (условно не показана). Среднее значение вращающего момента электрической машины в этом режиме имеет отрицательную величину, т.е. этот момент является тормозным.

Для специалистов в данной области техники также понятно, что кроме описанных вариантов электрической машины с поперечным магнитным потоком возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к синхронным электрическим двигателям и генераторам, применяемым в трансмиссиях самоходных машин различного назначения. Технический результат состоит в повышении удельного вращающего момента электрической машины. Электрическая машина содержит безобмоточный явнополюсной ротор и статор с кольцевыми фазными обмотками, расположенными концентрично оси вращения ротора и охваченными сердечниками статора, полюса которого обращены к ротору и отделены от него воздушным зазором. В электрической машине ротор содержит магнитные концентраторы (полюса) и постоянные магниты, которые могут быть шихтованными из сплава NdFeB, и выполнен с явно выраженной магнитной несимметрией по его продольной и поперечной осям. Сердечник статора выполнен из магнитомягкого композиционного материала - Soft Magnetic Composite (SMC) и может быть отформован одновременно с уплотнением фазной обмотки. Часть поверхности сердечника статора может имеет цилиндрическую форму, выбранную из условия сокращения длины и/или увеличения площади магнитопровода статора на пути распространения магнитного потока в нем при обеспечении необходимой площади окна сердечника, в котором размещена фазная обмотка. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Электрическая машина с поперечным магнитным потоком, содержащая безобмоточный явнополюсный ротор, закрепленный на оси вращения, и статор по меньшей мере с одной кольцевой фазной обмоткой, расположенной концентрично оси вращения ротора и охваченной по меньшей мере одним сердечником статора, полюса которого обращены к ротору и отделены от него воздушным зазором, отличающаяся тем, что ротор выполнен с явно выраженной магнитной несимметрией по его продольной и поперечной осям, а его полюса сформированы постоянными магнитами и магнитными концентраторами таким образом, что средний электромагнитный момент электрической машины образуется за счет суммирования момента от сил взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с магнитным полем, обусловленным током фазной обмотки, и момента, возникающего вследствие магнитной несимметрии ротора.

2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна кольцевая фазная обмотка охвачена сплошным или составным кольцевым U-, или П-, или С-образным сердечником, имеющим ярмо и зубцы, обращенные к воздушному зазору и являющиеся полюсами статора, причем количество полюсов с каждой стороны этого сердечника равно р, а их общее количество составляет 2р и равно количеству полюсов ротора.

3. Электрическая машина по п. 2, отличающаяся тем, что ротор содержит 2р постоянных магнитов, которые имеют чередующуюся намагниченность и разделены между собой в направлении движения ротора магнитными концентраторами, которые выполнены с увеличением, а постоянные магниты с уменьшением их сечения по мере приближения этих сечений к воздушному зазору, при этом поверхности постоянных магнитов, обращенные к воздушному зазору, удалены от него.

4. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что ротор имеет сердечник кольцевой формы с чередующимися пазами V-образной формы, которые частично заполнены постоянными магнитами с чередующейся намагниченностью.

5. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что в боковых стенках сердечника статора, выполненных из магнитомягкого композиционного материала, или в его ярме, выполненном из магнитомягкого композиционного материала, выполнены каналы жидкостного охлаждения.

6. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что сердечник статора образован путем его формования из магнитомягкого композиционного материала с установленной внутри него фазной обмоткой, причем формование осуществлено с давлением, обеспечивающим деформацию проводников фазной обмотки и уплотнение этой обмотки.

7. Электрическая машина по п. 6, отличающаяся тем, что формование сердечника статора осуществлено с давлением, обеспечивающим деформацию проводников фазной обмотки и уплотнение этой обмотки до обеспечения коэффициента заполнения ее сечения медью более 0,8.

8. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что часть поверхности по меньшей мере одного сердечника статора имеет форму, выбранную из условия сокращения длины и/или увеличения площади сердечника статора на пути распространения магнитного потока в нем при обеспечении необходимой площади окна сердечника, в котором размещена фазная обмотка.

9. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что ротор содержит постоянные магниты, которые выполнены шихтованными на основе сплава на основе редкоземельных металлов химического состава Неодим-Железо-Бор, причем слои этих магнитов ориентированы вдоль направления их намагничивания.

10. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что параллельно фазной обмотке или последовательно с ней включен конденсатор, емкость которого выбрана из условия компенсации ее индуктивности рассеяния.

11. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена с числом фаз N=3, причем фазные обмотки соединены по схеме треугольника, а последовательно согласованно с каждой из этих обмоток включены диоды.

12. Электрическая машина с поперечным магнитным потоком, содержащая безобмоточный явнополюсный ротор, закрепленный на оси вращения, и статор по меньшей мере с одной кольцевой фазной обмоткой, расположенной концентрично оси вращения ротора и охваченной по меньшей мере одним сердечником статора, полюса которого обращены к ротору и отделены от него воздушным зазором, отличающаяся тем, что ротор содержит постоянные магниты, которые выполнены шихтованными на основе сплава на основе редкоземельных металлов химического состава Неодим-Железо-Бор, причем слои этих магнитов ориентированы вдоль направления их намагничивания.

13. Электрическая машина по п. 12, отличающаяся тем, что ротор выполнен с явно выраженной магнитной несимметрией по его продольной и поперечной осям, а его полюса сформированы постоянными магнитами и магнитными концентраторами таким образом, что средний электромагнитный момент электрической машины образуется за счет суммирования момента от сил взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с магнитным полем, обусловленным током фазной обмотки, и момента, возникающего вследствие магнитной несимметрии ротора.

14. Электрическая машина по п. 13, отличающаяся тем, что ротор имеет сердечник кольцевой формы с чередующимися пазами V-образной формы, которые частично заполнены постоянными магнитами с чередующейся намагниченностью.

15. Электрическая машина по п. 12, отличающаяся тем, что в боковых стенках сердечника статора, выполненных из магнитомягкого композиционного материала, или в его ярме, выполненном из магнитомягкого композиционного материала, выполнены каналы жидкостного охлаждения.

16. Электрическая машина по п. 12, отличающаяся тем, что сердечник статора образован путем его формования из магнитомягкого композиционного материала с установленной внутри него фазной обмоткой, причем формование осуществлено с давлением, обеспечивающим деформацию проводников фазной обмотки и уплотнение этой обмотки.

17. Электрическая машина по п. 12, отличающаяся тем, что часть поверхности по меньшей мере одного сердечника статора имеет форму, выбранную из условия сокращения длины и/или увеличения площади сердечника статора на пути распространения магнитного потока в нем при обеспечении необходимой площади окна сердечника, в котором размещена фазная обмотка.

18. Электрическая машина по п. 12, отличающаяся тем, что параллельно фазной обмотке или последовательно с ней включен конденсатор, емкость которого выбрана из условия компенсации ее индуктивности рассеяния.

19. Электрическая машина по п. 12, отличающаяся тем, что она выполнена с числом фаз N=3, причем фазные обмотки соединены по схеме треугольника, а последовательно согласованно с каждой из этих обмоток включены диоды.