ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК H02K16/00 H02K21/12 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вращающимся электрическим машинам переменного тока, и может быть использовано в качестве высокомоментных двигателей и генераторов, которые при использовании повышают удельную мощность данных электрических машин, расширяют область их применения, повышают технологичность их изготовления и надежность.

Известно, например, приводное устройство для передвижных средств [патент РФ №2074761, МПК А63С 17/12, публикация патента 10.03.1997], содержащее статорно-роторную пару, в которой статор выполнен из сердечников, торцами прикрепляемых к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно магнитному потоку, и между которыми расположены активные проводники многофазной, например двух или более, сосредоточенной обмотки; ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов - магнитопроводов в форме полых цилиндров 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 магнитов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная.

Из сущности изобретения следует, что сердечники статора выполнены из магнито-мягкого материала. По катушкам данных сердечников, периодически подключаемых коммутатором к источнику питания в процессе работы, протекают импульсные электрические токи, т.е. токи, которые представляют собой периодическую последовательность импульсов различной полярности. При таких непостоянных токах катушек в сердечниках, на которых они расположены, как известно, возникают вихревые индукционные токи Фуко. Последние вызывают неизбежный тепловой нагрев данных сердечников, и, соответственно, статора. При этом снижается КПД электромеханического преобразователя и его надежность, т.к. чрезмерный нагрев сердечников вызывает ускоренное старение электроизоляции катушек.

Кроме того, выполненное симметричное закрепление многочисленных сердечников на накладках статора является достаточно трудоемкой задачей, поэтому изготовление данного электромеханического преобразователя является весьма нетехнологичным.

Также недостатком данного приводного устройства является значительная его стоимость из-за наличия необходимых датчиков углового положения ротора и коммутатора, и невысокая надежность, т.к. при выходе из строя данных, достаточно напряженных элементов (коммутатора и/или датчика положения ротора) нормальная его работа будет невозможна.

Известен, например электромеханический преобразователь (ЭМП) (Патент РФ 2302692 С1, МПК Н02K 19/10, Н02K 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 друг напротив друга, согласная.

Из описания данного патента известно, что сердечники статора могут быть выполнены из ферромагнитного порошка, например путем прессования, или шихтованы из листовой электротехнической стали, благодаря чему может быть достигнуто максимальное значение магнитной индукции. Однако при таком исполнении, как известно, пластины каждого такого сердечника по отдельности необходимо склеивать, стягивать шпильками или сваривать сваркой, что в конечном итоге приводит к усложнению производства электромеханического преобразователя и его удорожанию.

Общеизвестно, что сердечники, изготовленные из ферромагнитного порошка путем спекания под воздействием высокого давления, имеют не меньшую, а большую стоимость по сравнению со стоимостью обычных шихтованных сердечников.

Во-вторых, такие сердечники используются обычно в высокочастотных электромагнитных устройствах, например в высокочастотных трансформаторах или в акустике, но никак не во вращающихся электрических машинах, тем более являющихся тихоходными, как данное известное устройство. В-третьих, они являются достаточно хрупкими, что обусловлено недостатком изгибной прочности (малым модулем упругости) как у керамических изделий, т.е. надежность электромеханических преобразователей (ЭМП) при их применении снижается. В-четвертых, их индукция насыщения примерно в 3-4 раза меньше по сравнению с индукцией насыщения железа, т.е. сила притяжения (отталкивания), магнитные свойства (магнитная индукция), примерно во столько же раз меньше. По этой причине электромагнитный момент, создаваемый таким ЭМП, работающем в двигательном режиме, также будет во столько же раз меньше, по сравнению с преобразователем, имеющем шихтованные сердечники.

При этом меньшую стоимость среди аналогичных материалов имеют сердечники, выполненные из обычного железного порошка, т.е. без использования оксидов магния, меди, марганца, никеля, молибдена и другим металлов, но они характеризуются более высокими внутренними потерями (потерями в сердечнике).

Второй недостаток такой же, как и у описанного выше аналога (патента РФ 2302692), связан с необходимостью симметричного трудоемкого закрепления многочисленных сердечников к статору и тепловым нагревом токами Фуко сердечников и статора, что также снижает его КПД.

Известен также электромеханический преобразователь с приоритетом 26.07.2010, принятый за прототип, (патент RU №2441308, МПК Н02K 19/10, Н02K 19/16, Н02K 3/12, Н02K 3/04), использующийся в качестве низкооборотных высокомоментных двигателей и низкооборотных генераторов. Этот ЭМП содержит, по меньшей мере, одну статорно - роторную пару, в которой статор состоит из зубчатых сердечников (1) 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 (замкнутой по схеме "звезда") (2); ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов-магнитопроводов (ярмо) (3) из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров (3), закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса (4) с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, выполнена согласной.

Устройство работает следующим образом. Магнитный поток каждого постоянного магнита проходит через воздушный зазор, ближайший зубец сердечника статора, ярмо индуктора, следующий зубец сердечника статора, воздушный зазор, следующий постоянный магнит и замыкается по ярму индуктора.

В двигательном режиме, полагая, что якорь является статором и неподвижен, а индуктор является ротором и вращается, на зажимы А, В и С каждой фазы обмотки статора ЭМП, работающего в режиме синхронной машины, подается переменное электрическое напряжение. Т.к. данная обмотка замкнута в "звезду" или может быть - "треугольником", то по ней при этом протекает переменный электрический ток, вызывая вращающуюся МДС статора. Силовое взаимодействие вращающегося магнитного поля данной обмотки, созданное МДС токов статора, с магнитным полем постоянных магнитов приводит к появлению электромагнитного момента, под воздействием которого ротор начинает вращаться, являясь электроприводом соответствующего устройства.

В режиме генератора ротор ЭМП приводится во вращение сторонним источником механической энергии. При этом магнитное поле постоянных чередующихся полярностью магнитов его ротора, перемещаясь вместе с вращающимся ротором, пересекает обмотку статора, в которой при этом в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС. Если цепь нагрузки замкнута, то по этой обмотке статора протекает переменный электрический ток. Получаемая при этом электрическая энергия передается в нагрузку.

Этот известный ЭМП характеризуется практически такими же недостатками, как и детально описанные ранее аналоги - преобразователи: повышенный тепловой нагрев сердечников из-за возникновения в них вихревых индукционных токов Фуко в процессе работы, снижающий его надежность и КПД, большая трудоемкость изготовления статора из-за необходимости симметричного закрепления многочисленных сердечников к статору. Кроме того, все описанные конструкции ЭМП являются явно полюсными, т.е. их магнитные полюса визуально видны, и поэтому тихоходными, что ограничивает область их применения.

Общим недостатком приведенных выше известных патентов электромеханических преобразователей является сравнительно низкая их удельная мощность, т.к. центральная их часть, расположенная внутри внутреннего цилиндрического полого индуктора - магнитопровода, с несущими расположенными по окружностям полюсами чередующейся полярностью, не участвует полезным образом ни в создании электромагнитного момента, ни в проведении полезного магнитного потока, ни в выработке электроэнергии. При этом удельная мощность рассмотренных ранее электромеханических преобразователей тем ниже, чем больше их диаметр.

Также приведенные выше известные электромеханические преобразователи характеризуются тем недостатком, что при выходе из строя их обмотки статора, например, вследствие механического повреждения, перегрева токами перегрузки и короткого замыкания на корпус или между ее витками, ЭМП становится неработоспособным.

Кроме того, при выполненной сравнительно большой высоте зубцов статора при пересечении их в работе магнитным потоком, создаваемым постоянными чередующимися полярностью магнитами индуктора через воздушный зазор с обеих противоположных их сторон (торцов), намагниченность упомянутых зубцов в каждый момент времени неравномерна по высоте: наибольшая у упомянутых противоположных торцов, убывает по мере приближения к середине высоты зубца. Следовательно, в работе пересекающий витки обмотки каждого зубца магнитный поток в каждый момент времени неодинаков и распределяется по высоте зубца аналогично намагниченности, и поэтому наибольшую ЭДС вырабатывают те витки обмотки, которые расположены ближе к торцам зубцов, а наименьшую ЭДС - те витки обмотки, которые расположены посередине зубцов. Т.е. сама его ЭДС несколько занижена.

Очевидно, что по мере увеличения диаметра электромеханического преобразователя высоту зубцов статора выполняют большей, при этом число витков обмотки, эффективно вырабатывающих электроэнергию, поэтому снижается, соответственно снижается удельная мощность и КПД ЭМП.

При этом ни в одном из приведенных известных патентов электромеханических преобразователей достаточно корректно (т.е. без наличия НОУ-ХАУ) не описан процесс их пуска в режиме синхронного электродвигателя. Как известно, синхронный электродвигатель непосредственным включением обмотки статора (якоря) в сеть переменного тока не может быть запущен в ход. Пуск и втягивание электродвигателя в синхронизм зависят от момента нагрузки на валу, параметров двигателя и инерционной составляющей.

Для пуска известного электромеханического преобразователя, работающего в режиме синхронной машины, используются те же способы, что и для обычного синхронного двигателя, например, частотный, т.е. путем плавного повышения частоты питающего напряжения статора, или с помощью разгонного электродвигателя.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении указанных недостатков, а именно: повышение технологичности изготовления ЭМП, расширение области их применения, увеличение их удельной мощности, КПД и надежности.

Поставленная задача достигается тем, что в известном ЭМП, содержащем статорно-роторную пару, в которой цилиндрической формы статор состоит из нескольких зубчатых сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, между которыми расположены проводники многофазной медной обмотки с параллельным соединением фаз; цилиндрический ротор данной пары выполнен в виде 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 плюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, в отличие от него заявляемый электромеханический преобразователь содержит несколько статорно-роторных пар. Статор выполнен неявнополюсным и содержит полые цилиндрической формы коаксиальные сердечники, каждый из которых является элементом соответствующей статорно-роторной пары, набран каждый вплотную по оси из одинаковых по форме и материалу изолированных кольцевых внешней и внутренней коаксиальных зубчатых по внешней и соответственно внутренней кромке пластин, изготовленных из тонкой листовой электротехнической стали, с образованием таким путем многочисленных зубцов и пазов между ними данного статора. При этом каждый из сердечников торцом, имеющем выводы проводников медных расположенных в его пазах обмоток, жестко сочленен с опорным статорным кольцом, а образованные зубцы и пазы сердечника статора расположены на каждой внутренней и соответственно внешней цилиндрической поверхности каждого из образованных таким путем данных сердечников статора, и их число по этим поверхностям между собой одинаково. Причем между внутренней поверхностью, образованной всеми внутренними кромками данных изолированных, наложенных друг на друга внешних пластин, и соответствующей внешней поверхностью, образованной аналогично внешними кромками наложенных внутренних пластин, жестко установлен полый цилиндр из немагнитного материала. Медная обмотка статора выполнена трехфазной, оси фаз обмотки электрически сдвинуты относительно друг друга на угол 120°. В пазы каждой из упомянутых поверхностей каждого сердечника уложена одна трехфазная обмотка, и выводы каждых обмоток, соединенных между собой параллельно, соединены пофазно с образованием общих зажимов в клеммной коробке. Ротор статорно-роторной пары содержит несколько упомянутых индукторов - магнитопроводов, выполненных в виде полых цилиндров, каждый из которых также является элементом соответствующей статорно-роторной пары, а также содержит и центральный стержень. При этом каждый данный индуктор-магнитопровод коаксиально установлен относительно друг друга и центрального стержня с зазором и сочленен с общим основанием в виде опорного роторного кольца прилегающим к нему торцом. Каждый из данных полых цилиндров содержит два тонкостенных, одинаковой длины, полых, выполненных из немагнитного материала закрепляющих цилиндра, соответственно внешнего и внутреннего, которые коаксиально расположены относительно друг друга, между стенками которых плотно, по всему их периметру, установлены с прилеганием торца к торцу и к стенкам данных цилиндров, а также и центрального стержня, постоянные магниты дугообразной формы, изготовленные из редкоземельного материала. При этом эти магниты своей внутренней и внешней поверхностями огибают соответствующую поверхность внешнего и внутреннего закрепляющих цилиндров, а также и центрального стержня. Стенки данных закрепляющих цилиндров выполнены сплошными. Причем число данных магнитов на каждом из этих полых, установленных друг в друга цилиндров, а также и центральном стержне, одинаково между собой, как и упомянутое, одинаковое между собой, число зубцов и пазов по поверхностям на каждом полом цилиндрической формы сердечнике неявнополюсного статора. Причем электромеханический преобразователь имеет приводной вал, сопряженный подвижно с боковой защитной крышкой корпуса преобразователя и сопряженный жестко с его опорным роторным кольцом.

В частном случае выполнение имеет следующий вид. Число сердечников статора статорно-роторных пар равно трем, также число полых цилиндров индукторов-магнитопроводов ротора статорно-роторных пар равно трем. Постоянные магниты из редкоземельного материала цилиндров ротора выполнены в виде неодимовых магнитов. Общее число трехфазных обмоток статора равно шести. Тонколистовые пластины электротехнической стали сердечников статора изготовлены толщиной 0,5 мм.

В предложенном ЭМП за счет того, что используется статор и ротор, состоящие из нескольких соосно расположенных и вставленных друг в друга полых цилиндров (статорно-роторных пар), обеспечивается лучшее использование внутреннего пространства ЭМП. Из вышеизложенного следует, что повышение удельной мощности ЭМП как электрогенератора обеспечивается за счет того, что здесь используется существенно большее число трехфазных медных обмоток, и соответственно большее число катушек с их витками, которые пересекает в процессе работы магнитный поток чередующихся полюсами постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов каждых соответствующих цилиндров (стаканов). Благодаря этому ЭМП производит большую выработку электроэнергии. Соответственно, заявляемый ЭМП характеризуется большей удельной мощностью по сравнению с прототипом.

За счет того, что одновременное синхронное силовое взаимодействие МДС трехфазных медных обмоток каждого сердечника (магнитопровода) с соответствующими магнитным полюсами постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов цилиндров (стаканов) производится не в одном, а в нескольких воздушных зазорах между каждым соответствующим сердечником (магнитопроводом) и цилиндром (стаканом), суммарный электромагнитный момент возрастает.

Благодаря небольшой глубине пазов, обмотки катушек (фазных обмоток) трехфазных медных обмоток расположены вблизи индукторов (постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов), и, следовательно, пересекающее их в работе магнитное поле максимально, поэтому, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в данных обмотках в генераторном режиме наводится большая ЭДС. И, соответственно, ЭМП обеспечивает большую по сравнению с прототипом выработку электроэнергии.

Благодаря этому обеспечивается большая удельная мощность ЭМП. А в двигательном режиме ЭМП развивает больший, по сравнению с прототипом, электромагнитный момент, т.к. вращающаяся МДС, создаваемая каждой трехфазной медной обмоткой каждого сердечника (магнитопровода) взаимодействуют с большей силой с соответствующими магнитными полюсами редкоземельных магнитов каждых соответствующих цилиндров (стаканов).

Таким образом, увеличение удельной мощности ЭМП обеспечивается за счет того, что, во-первых, высота зубцов статора выполнена сравнительно небольшой, и намагниченность упомянутых зубцов по этой высоте по этой причине практически неизменна и близка к максимально допустимому значению. Поэтому витки обмотки зубцов пересекает в работе максимально допустимый поток индуктора. Следовательно, в них, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, наводится наибольшая ЭДС при работе ЭМП в генераторном режиме, и соответственно, заявляемый ЭМП развивает большую, по сравнению с прототипом, электрическую мощность; а во-вторых, за счет того, что в предложенной конструкции ЭМП используется полностью по объему, включая центральную часть, благодаря наличию нескольких, в частом случае трех цилиндрических индукторов и трех цилиндрических статоров вставленных друг в друга.

Благодаря тому, что используется более простой и традиционный метод изготовления и набора сердечников, а именно из скрепленных (шпильками или болтами) пластин электротехнической стали, обеспечивается высокая технологичность изготовления заявляемого ЭМП.

По этой же причине обеспечивается расширение области применения заявляемого ЭМП, а именно возможность работы не только на малых частотах вращения, но и на больших, т.к. механическая прочность неявнополюсного статора (якоря) существенно выше, чем явнополюсного, у которого обеспечить необходимую механическую прочность крепления к опорному статорному кольцу полюсов весьма трудно. А также благодаря тому, что индуктор представляет собой полые сплошные, т.е. без удлиненных прорезей в радиальном направлении, цилиндры с осевым переменным намагничиванием за счет чередующихся полярностью постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов, которые являются достаточно прочными.

За счет того, что в предложенном ЭМП отсутствуют датчики положения ротора, он является более простым, надежным и технологичным в изготовлении.

Тепловой нагрев сердечников в предложенном электромеханическом преобразователе по сравнению с прототипом существенно ниже за счет того, что они изготовлены из пластин электротехнической стали, благодаря этому они имеют большее активное сопротивление, и поэтому возникающие в них в процессе работы индукционные токи Фуко, вызывающих этот нагрев, достаточно малы. Следовательно, обеспечивается более высокий КПД.

Благодаря тому, что индуктор представляет собой полые сплошные цилиндры, а статор (якорь) является неявнополюсным (т.е. поверхности его сердечников являются достаточно гладкими), в работе предложенного ЭПМ завихрения воздуха в воздушном зазоре между каждым сердечником (магнитопроводом) и соответствующим цилиндром (стаканом) являются достаточно малыми по сравнению с прототипом, и соответственно малы потери от трения воздух заявляемого ЭМП. что также способствует повышению его КПД.

Благодаря тому, что все цилиндрические поверхности коаксиальных сердечников статорно-роторных пар образованы одинаковым числом пазов и зубцов, а также тому, что число редкоземельных магнитов в каждом из закрепляющих полом цилиндре индукторов - магнитопроводов одинаково между собой, при работе ЭМП в генераторном режиме каждой его трехфазной медной обмоткой обеспечивается выработка электроэнергии с одинаковыми ее параметрами в каждый момент времени; а при работе ЭМП в двигательном режиме обеспечивается одновременное синхронное синфазное силовое взаимодействие вращающейся МДС трехфазных медных обмоток каждого сердечника (магнитопровода) статора с соответствующими магнитными полюсами редкоземельных магнитов каждых соответствующих цилиндров (стаканов) ротора, поэтому каждый возникающий при этом электромагнитный момент действует на вал взаимосогласованно (одновременно) с остальными электромагнитными моментами.

Благодаря тому, что в заявляемом ЭМП содержится несколько трехфазных обмоток, в частном случае 6, его надежность многократно возрастает: при перегреве одной или нескольких его трехфазных обмоток преобразователь сохранит свою работоспособность, хоть и будет вырабатывать при этом меньший ток в генераторном режиме, а в двигательном - развивать меньший электромагнитный момент.

Благодаря тому, что в пазах каждой поверхности каждого сердечника (магнитопровода) уложена только одна трехфазная обмотка, то перегрев любой из них практически не сказывается на температурный режим остальных обмоток, в отличие от многоскоростных электродвигателей, в котором в одни и те же пазы статора может быть уложено несколько обмоток и перегрев одной из них сразу же за счет теплопередачи ведет к перегреву остальных обмоток. Таким образом, надежность заявляемого ЭМП существенно возрастает (выше).

Дополнительной способностью заявляемого ЭМП как электродвигателя является его возможность без применения дополнительных преобразователей электрического тока и напряжения и частоты работать при необходимости с меньшей мощностью: для этого достаточно от общих зажимов в клеммной коробке отсоединить одну или несколько трехфазных параллельно включенных обмоток поверхностей сердечников (магнитопроводов). При этом уменьшится развиваемый ЭМП электромагнитный момент, а частота вращения вала не изменится. Таким образом, появляется возможность использования заявляемого ЭМП в регулируемом электроприводе, а область его применения расширяется.

Таким образом, заявляемый ЭМП по сравнению с прототипом имеет более высокую технологичность изготовления, более широкую область применения, большую удельную мощность, а также КПД и надежность.

Заявляемое изобретение иллюстрируется: фиг. 1а - Электромеханический преобразователь (вид с торца); фиг. 1б - Электромеханический преобразователь (схематический вид); фиг. 2 - Набор пластин сердечника статора; фиг. 3 - Схема соединений трехфазных медных обмоток статоров; фиг. 4а - Внешний вид статора сепараторного типа; фиг. 4б - Перегородочный элемент статора сепараторного типа.

Заявляемый электромеханический преобразователь (фиг. 1) содержит статорно-роторные пары: цилиндрической формы неявнополюсный статор (якорь), содержащий несколько, в частном случае три, полых цилиндрической формы коаксиальных сердечника (магнитопровода) (1) (фиг. 1), как элемент статорно-роторных пар, набранных вплотную по оси из обычных одинаковых по форме и материалу штампованных, изолированных друг от друга изоляционной лаковой пленкой (не показано), окалиной и пр. кольцевых, внешней и внутренней коаксиальных зубчатых по внешней и соответственно внутренней кромке скрепленных (не показано) пластин (2) и (3) (фиг. 2) из листовой электротехнической стали толщиной 0.5 мм с образованием многочисленных зубцов (4) и пазов между ними (5) данного статора. При этом каждый из сердечников торцом, имеющем выводы С1, С2 и С3 (фиг. 1б) проводников медных расположенных в его пазах обмоток, сочленен с опорным статорным кольцом (6) посредством шпилек или болтов (не показаны). При этом образованные зубцы (4) и пазы (5) сердечника статора расположены на каждой внутренней (7) и соответственно внешней (8) цилиндрической поверхности каждого из трех образованных данных сердечников (магнитопроводов) статора (1) и число этих пазов и зубцов по всем поверхностям (7) и (8) между собой одинаково, причем между внутренней цилиндрической поверхностью (9) (фиг. 2), образованной всеми внутренними (гладкими) кромками данных штампованных, изолированных друг от друга изоляционной лаковой пленкой (не показано), окалиной и пр., наложенных друг на друга внешних пластин (2), и соответствующей внешней цилиндрической поверхностью (10), образованной аналогичным образом внешними (гладкими) кромками наложенных внутренних пластин (3), жестко установлен полый цилиндр (11) из немагнитного материала (латуни). Также статор содержит обычную трехфазную медную обмотку (12) (фиг. 1, фиг. 3), уложенную каждая (как единственная) в имеющиеся изолированные пазовой изоляцией (гильза или коробочка) (не показано) данные пазы (5) (фиг. 2) каждой внутренней поверхности (7) и внешней (8) (фиг. 1) каждого данного сердечника (магнитопровода) (1), представляющую собой традиционные три катушки (фазные обмотки А, В и С (фиг. 3)), электрически сдвинутые относительно друг друга на угол 120° как в обычной трехфазной асинхронной или синхронной электрической машине (электродвигателе или электрогенераторе). Причем все упомянутые фазные обмотки А, В и С каждой поверхности (7) и (8) каждого данного сердечника (магнитопровода) (1) соединены в "звезду" (фиг. 3), а между собой эти "звезды" соединены параллельно пофазно с образованием общих зажимов С1, С2 и С3, которые выведены в обычную клеммную коробку (не показано). Таким образом, общее число трехфазных обмоток статора равно шести.

Т.к. число витков всех фазных медных обмоток А, В и С, уложенных в изолированных пазовой изоляцией (гильза или коробочка) (не показано) одинакового числа пазах (5) каждой поверхности (7) и (8), одинаково между собой, то по мере уменьшения диаметра коаксиальных пластин (2) и (3) и, соответственно, геометрических размеров их пазов (5) и зубцов (4) уменьшен и диаметр медного провода трехфазной обмотки (12).

Полый цилиндр (11) из немагнитного материала (латуни) уменьшает взаимодействие магнитных потоков, создаваемых соседними трехфазными медными обмотками (12), т.е. уложенными в имеющиеся изолированные пазовой изоляцией (гильза или коробочка) (не показано) пазы (5) (фиг. 2) каждой внутренней поверхности (7) и внешней (8) (фиг. 1) каждого данного сердечника (магнитопровода) (1). Тем самым, исключая насыщение каждого сердечника (магнитопровода) (1) и, как следствие, искажение формы кривых магнитных потоков, образование повышенного нагрева магнитопровода и возникновение высших гармоник тока в трехфазных медных обмотках.

Заявляемое изобретение также содержит и ротор (индуктор) статорно-роторных пар, который состоит из нескольких, в частном случае трех, полых, коаксиально расположенных, установленных относительно друг друга с зазором отстоянием δ цилиндров (стаканов) (13) как элементов статорно-роторных пар и центрального стержня (14) с таким же зазором, сочлененных с общим основанием (опорным роторным кольцом) (15) прилегающими к нему торцами посредством сварки (не показано). Каждый из упомянутых цилиндров (стаканов) (13), в свою очередь, содержит два тонкостенных, одинаковой длины, полых, выполненных из немагнитного материала (немагнитная сталь) закрепляющих цилиндров (16, 17) (фиг. 1а), коаксиально расположенных относительно друг друга, между стенками которых плотно, по всему пространству установлены с прилеганием торца к торцу и к стенкам этих цилиндров постоянные редкоземельные (например, неодимовые) магниты (18) чередующейся полярностью, по форме напоминающие дугообразные тела. При этом они огибают своей внутренней и внешней поверхностями соответственно внешнюю поверхность внутреннего немагнитного полого закрепляющего цилиндра (16) меньшего диаметра и внутреннюю поверхность немагнитного полого закрепляющего цилиндра (17) большего диаметра.

Таким путем каждый из двух тонкостенных одинаковых по оси немагнитных полых закрепляющих цилиндров (16) и (17) каждого из трех полых цилиндров (стаканов) (13), как изложено, приварен одним торцом сваркой к общему основанию (опорному роторному кольцу) (15), а к противоположным торцам каждого из данных тонких одинаковых по оси немагнитных полых цилиндров приварена шайба (19). Внешняя и внутренняя поверхность стенок образованных таким образом каждого из цилиндров (стаканов) (13) имеют осевое переменное намагничивание за счет чередующихся полярностью постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов.

Причем стенки упомянутых тонкостенных одинаковых по оси немагнитных полых закрепляющих цилиндров (16) и (17) ротора выполнены сплошными, т.е. без удлиненных прорезей в радиальном направлении, в отличие от известных в патенте RU 2313880, МПК Н02K 1/27, Н02K 21/12 (2006.01). Наличие данных прорезей в известных решениях при большой частоте вращения вала ротора вызывает завихрения воздуха в его воздушном зазоре между статором и ротором, вследствие чего ЭМП с таким ротором, характеризуется пониженным КПД и повышенной шумностью. Кроме того, на закрепленный по обоим торцам наружный сердечник в известном решении, разделенный многочисленными прорезями, при вращении ротора действует, как известно, значительная центробежная сила инерции, под действием которой возможно его (при ограниченной жесткости) выгибание и касание внутренней поверхности статора (его зубцов).

К поверхности стержня (14) вдоль всей его оси данные постоянные редкоземельные (например, неодимовые) магниты (18) с чередованием полярности могут быть приклеены (не показано), т.к. центробежные силы, действующие на данные магниты, ввиду малого диаметра стержня (14), невелики. Причем число данных магнитов (18) на каждом из трех полых вставленных друг в друга цилиндров (стаканов) (13) и центральном стержне (14) одинаково между собой, как и одинаково между собой число зубцов (4) и пазов (5) по поверхностям (7) и (8) на каждом полом цилиндрической формы коаксиальном сердечнике (магнитопроводе) (1) неявнополюсного статора (якоря), что обеспечивает равенство частоты и напряжения вырабатываемого расположенными на них трехфазными медными обмотками (12) в процессе работы тока.

В частном случае при сравнительно малых частотах вращения ротора, и соответственно, сравнительно небольших действующих на него при этом центробежных силах инерции, целесообразно использовать такое его конструктивное исполнение, при котором каждый цилиндр (стакан) (13) ротора представляет собой конструкцию, аналогичную сепаратору известного роликового цилиндрического подшипника (фиг. 4а), в каждый одинаковый по геометрическим размерам прямоугольный карман (20) которого, образованный двумя соседними одинаковыми по форме и материалу перегородочными элементами (21) и двумя противоположными одинаковыми по форме и материалу закрепляющими кольцами (22), одно из которых также приварено к общему основанию (15) (не показано), по всей его длине и ширине В вместо тела качения плотно вставлен с чередованием полярности данный редкоземельный (например, неодимовый) магнит (18). При этом сам сепаратор весь выполнен из немагнитной стали, а смещение в нем редкоземельных магнитов под действием центробежной силы инерции ограничивается силами трения об их торцы соответствующими внутренними поверхностями противоположных закрепляющих колец (22) и соответствующими боковыми поверхностями перегородочных элементов (21), каждый из которых представляет собой прямой брус (стержень) одинаковой формы, материала и длины , с постоянным поперечным сечением s вдоль этой длины, напоминающим равнобедренную трапецию (фиг. 4б). При этом меньшим основанием все перегородочные элементы (21) обращены вовнутрь цилиндра (стакана) (13), внешним основанием b - наружу, а противоположными торцами t₁ и t₂ механически прочно соединены с двумя противоположными кольцами (22) и представляют с ними единое целое. Ширина данных колец (22) h и перегородочных элементов (21) одинакова.

Для увеличения прочности закрепления редкоземельных (например, неодимовых) магнитов (18) в прямоугольных карманах (20) в этом частном случае может использоваться, например, эпоксидный клей, или клей «БФ-2», которым промазывают соответствующие прилегающие торцевые поверхности упомянутых редкоземельных (например, неодимовых) магнитов. Кроме того, кольца (22) могут быть выполнены с небольшими (1.5-2 мм) ребордами (не показано), ограничивающими смещение редкоземельных (например, неодимовых) магнитов (18) из прямоугольных карманов (20) наружу под действием центробежных сил инерции.

Сердечники (магнитопроводы) (1) и цилиндры (стаканы) (13) герметизируют от воздействия окружающей среды защитными разъемными крышками внешней (верхней) (23) опорного статорного кольца (6) и торцевой (24), плотно соединяя их с натягом между собой по Z- образному профилю (как у двух половинок одной матрешки). При этом жестко сопряженные опорное статорное кольцо (6) и внешняя (верхняя) защитная разъемная крышка (23) технологически могут быть отлиты в единый конструкционный элемент, образующий совместно с торцевой крышкой (24) корпус (ЭМП). Торцевая крышка (24) сопряжена подвижно с приводным валом (25) ЭМП посредством подшипников скольжения (26), сопряженным в свою очередь с опорным роторным кольцом (15). При этом приводной вал (25), опорное роторное кольцо (15) и центральный стержень (14) технологически могут быть отлиты в единый конструкционный элемент.

Чтобы исключить возникновение индукционных токов в упомянутом корпусе ЭМП при его работе вследствие пересекающих данный корпус вращающимися магнитными потоками постоянных редкоземельных магнитов (18), между внутренней торцевой и боковой (цилиндрической) его поверхностями и соответствующими поверхностями цилиндров (стаканов) (13) ротора выполняют необходимый для этого воздушный зазор .

Для снижения механических напряжений на подшипники скольжения (26) при большой длине ЭМП аналогичные подшипники (27), но меньшего размера также устанавливают на противоположной стороне ЭМП на оконечности центрального стержня (14), который в этом случае выполняют несколько большей длины, чем цилиндры (стаканы) (13), но меньшего диаметра, чем сам стержень, а в опорном статорном кольце (6) при этом под эти подшипники предусматривают обычное посадочное гнездо (не показано). Предотвращение смещения крышек (23) и (24) относительно вала (25) в осевом направлении обеспечивают выступы (28) вала (25) и (29) крышки (24), а также шайба (30) и стопорное кольцо (31), установленное в проточку (32) вала (25) ЭМП. Для надежного соединения упомянутых защитных крышек (23) и (24) между собой последние стягиваются четырьмя болтами (не показано) через соответствующие отверстия (33) в проушинах (34), которые являются монолитными и составляют с защитными крышками (23) и (24) единое целое.

Крепление ЭМП к фундаменту производится с помощью традиционных болтов через монтажные отверстия (35) в лапах (36), которые также являются монолитными и составляют с защитными крышками (23) и (24) единое целое.

Электромеханический преобразователь используют следующим образом. Прикрепляют ЭМП к фундаменту с помощью традиционных четырех болтов через монтажные отверстия (35) в лапах (36). В режиме генератора электроэнергии жестко соединяют вал (25) с валом приводного двигателя, например ДВС, с помощью муфты (не показано), например постоянной. Также привод вала (25) может осуществляться от приводного двигателя и с помощью шкива с ременной передачей (не показано).

При вращении вала (25) ЭМП от приводного двигателя с угловой частотой со общее основание (опорное роторное кольцо) (15), которое является монолитным и составляет с данным валом (25) единое целое, также вращается с частотой со, и, соответственно, вращаются с такой же угловой частотой три полых, приваренных одним торцом к нему сваркой, намагниченных переменной полярностью, как описано выше, цилиндра (стакана) (13). При этом каждую трехфазную медную обмотку (12), установленную в изолированные пазовой изоляцией (гильза или коробочка) (не показано) пазы (5) каждой поверхности (7) и (8) каждого данного сердечника (магнитопровода) (1), пересекает вращающееся магнитное поле чередующихся полярностью постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов данных соответствующих вращающихся цилиндров (стаканов) (13). В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея в каждой данной трехфазной медной обмотке (витках ее фазных катушек) (12) при этом наводятся одинаковые по величине, но сдвинутые на 120 градусов по направлению электродвижущие силы, создающие трехфазную симметричную систему электрического тока. При подключении электропотребителя к общим зажимам данных обмоток по ним потечет электрический ток, получаемая при этом электроэнергия передается в нагрузку.

Принцип работы заявляемого ЭМП как синхронного электродвигателя основан на электромагнитном взаимодействии в данном режиме полюсов каждого вращающегося электромагнитного поля каждой соответствующей трехфазной медной обмотки (12) каждого полого цилиндрической формы сердечника (магнитопровода) (1) с магнитными полюсами противоположной полярности постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов (18) каждых соответствующих цилиндров (стаканов) (13).

В двигательном режиме на общие зажимы С1, С2 и С3 параллельно соединенных трехфазных обмоток (12) каждого сердечника (магнитопровода) (1) ЭМП подают переменное трехфазное напряжение. Протекающий при этом по данным обмоткам (12) переменный электрический ток вызывает вращающуюся МДС вдоль каждой цилиндрической поверхности (7) и (8) каждого данного сердечника (магнитопровода) (1) неявнополюсного статора (якоря). Т.о. при протекании электрического тока по каждой трехфазной обмотке (12) каждого сердечника (магнитопровода) (1) происходит силовое взаимодействие каждого магнитного потока, создаваемого каждой данной трехфазной обмоткой (12), с каждым соответствующим магнитным потоком редкоземельных (например, неодимовых) магнитов (18) каждого соответствующего цилиндра (стакана) (13). Перемещаясь, каждая волна МДС статора (якоря) вращает ротор (индуктор).

Для разгона вала (25) ЭМП до номинальной частоты вращения общие зажимы С1, С2 и С3 его трехфазных медных обмоток (12) подключают сети переменного тока через полупроводниковый частотный преобразователь двухзвенного типа (не показан), который, путем плавного увеличения частоты тока от 0 до 50 Гц, производит плавный пуск ЭМП как обычного синхронного двигателя на постоянных магнитах. После разгона вала (25) до номинальной частоты вращения трехфазные медные обмотки (12) подключают непосредственно к сети переменного тока. При вращении вала (25) с некоторой частотой вращения, ЭМП развивает механическую мощность, равную произведению развиваемого электромагнитного момента на эту угловую частоту вращения.

Благодаря тому, что в заявляемом ЭМП содержится несколько трехфазных обмоток (12), в частном случае 6, его надежность многократно возрастает: при перегреве одной или нескольких его трехфазных обмоток преобразователь сохранит свою работоспособность, хоть и будет вырабатывать при этом меньший ток в генераторном режиме, а в двигательном - развивать меньший электромагнитный момент.

Благодаря тому, что в пазах (5) каждой поверхности (7) и (8) (фиг. 1) каждого сердечника (магнитопровода) (1) уложена только одна трехфазная обмотка (12), то перегрев любой из них практически не сказывается на температурный режим остальных обмоток, в отличие от многоскоростных электродвигателей, в котором в одни и те же пазы статора может быть уложено несколько обмоток и перегрев одной из них сразу же за счет теплопередачи ведет к перегреву остальных обмоток. Таким образом, надежность заявляемого ЭМП существенно возрастает (выше).

В предложенном электромеханическом преобразователе по сравнению с прототипом тепловой нагрев сердечников существенно ниже за счет того, что они изготовлены из пластин электротехнической стали, благодаря чему увеличивается активное сопротивление, и поэтому возникающие в них в процессе работы индукционные токи Фуко, вызывающих этот нагрев, достаточно малы. Следовательно, обеспечивается более высокий КПД.

Благодаря тому, что используется более простой и традиционный метод изготовления сердечников из пластин электротехнической стали, обеспечивается высокая технологичность изготовления заявляемого ЭМП.

Благодаря тому, что статор (якорь) выполнен неявнополюсным, ЭМП может работать не только на малых частотах вращения, но и на больших, т.к. механическая прочность неявнополюсного статора (якоря) существенно выше, чем явнополюсного, у которого обеспечить необходимую механическую прочность крепления полюсов к опорному статорному кольцу весьма трудно. А также благодаря тому, что индуктор представляет собой полые сплошные, т.е. без удлиненных прорезей в радиальном направлении, цилиндры с осевым переменным намагничиванием за счет чередующихся полярностью постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов, которые являются достаточно прочными. Следовательно, область применения заявляемого ЭМП расширяется.

Кроме того, в предложенном ЭМП отсутствуют датчики положения ротора, что также приводит к упрощению его конструкции, повышению надежности и технологичности изготовления.

За счет того, что используется несколько статорно-роторных пар, обеспечивается минимально допустимое расстояние между витками катушек (фазных обмоток) трехфазных медных обмоток (12) и магнитными полюсами постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов (18), т.к. глубина пазов (5) сравнительно невелика. Благодаря этому в генераторном режиме в данных витках наводится большая ЭДС, т.к. их пересекает больший магнитный поток чередующихся полярностью упомянутых редкоземельных магнитов (18) и, соответственно, ЭМП обеспечивает большую выработку электроэнергии. А в двигательном режиме ЭМП развивает больший электромагнитный момент, т.к. вращающаяся МДС, создаваемая каждой трехфазной медной обмоткой (12) каждого сердечника (магнитопровода) (1) взаимодействует с большей силой с соответствующими магнитными полюсами редкоземельных магнитов (18) каждых соответствующих цилиндров (стаканов) (13).

Еще большее повышение удельной мощности ЭМП как электродвигателя обеспечивается за счет того, что одновременное синхронное силовое взаимодействие МДС трехфазных медных обмоток (12) сердечника (магнитопровода) (1) с соответствующими магнитным полюсами постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов (18) цилиндра (стакана) (13) производится не в одном, а в нескольких воздушных зазорах между каждым соответствующим сердечником (магнитопроводом) (1) и цилиндром (стаканом) (13), благодаря чему суммарный электромагнитный момент возрастает.

Также еще большее повышение удельной мощности ЭМП как электрогенератора обеспечивается за счет того, что здесь используется существенно большее число трехфазных медных обмоток (12), и соответственно большее число катушек с витками, которые пересекает в процессе работы магнитный поток чередующихся полюсами постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов (18) каждых соответствующих цилиндров (стаканов) (13). Благодаря этому ЭМП производится большая выработка электроэнергии.

Дополнительной способностью заявляемого ЭМП как электродвигателя является его возможность без применения дополнительных преобразователей электрического тока и напряжения и частоты работать при необходимости с меньшей мощностью: для этого достаточно от общих зажимов C1, С2 и С3 в клеммной коробке (не показано) отсоединить одну или несколько трехфазных параллельно включенных обмоток (12) поверхностей (7) и (или) (8) сердечников (магнитопроводов) (1). При этом уменьшится развиваемый ЭМП электромагнитный момент, а частота вращения вала (25) не изменится. Таким образом, появляется возможность использования заявляемого ЭМП в регулируемом электроприводе, а область его применения расширяется.

Таким образом, заявляемый ЭМП обладает такими эксплуатационными характеристиками как: повышенная надежность (живучесть), высокая удельная мощность, широкий диапазон частот вращения и высокий КПД (не меньший, чем у синхронных машин). Благодаря этим качествам этот ЭМП может найти применение не только в гражданском береговом (наземном) применении в качестве генератора электрической энергии или электродвигателя различных технологических установок, но и в военной технике, в авиации, морских судах, субмаринах, судах на подводных крыльях и воздушной подушке, т.е. там, где эти качества наиболее востребованы.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении технологичности изготовления, расширении области применения, увеличении удельной мощности, КПД и надежности. Электромеханический преобразователь содержит несколько вставленных друг в друга статорно-роторных пар из сердечников (1) и цилиндров (13): сердечники (1) статора неявнополюсные и содержат соединенные параллельно между собой пофазно в "звезду" трехфазные обмотки (12), уложенные в его пазы (5) с внешней и внутренней стороны. Ротор (13) содержит постоянные чередующие полярностью постоянные магниты (18), помещенные между каждых двух тонких вставленных друг в друга цилиндра (16) и (17), приваренных одним торцом к опорному роторному кольцу (15), а другим - к шайбе (19). В работе за счет использования нескольких соосно расположенных и вставленных друг в друга элементов статорно-роторных пар (1) и (13), обеспечивается лучшее использование внутреннего пространства, а также небольшой глубины пазов (5), достигается высокая их удельная мощность, за счет неявнополюсного статора и ротора с гладкими поверхностями достигается технологичность его изготовления и расширение области применения, за счет параллельного соединения обмоток достигается высокая надежность. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электромеханический преобразователь, содержащий статорно-роторную пару, в которой цилиндрической формы статор состоит из нескольких зубчатых сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, между которыми расположены проводники многофазной медной обмотки с параллельным соединением фаз; цилиндрический ротор данной пары выполнен в виде 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 плюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, отличающийся тем, что преобразователь содержит несколько статорно-роторных пар, статор выполнен неявнополюсным и содержит полые цилиндрической формы коаксиальные сердечники, каждый из которых является элементом соответствующей статорно-роторной пары, набран каждый вплотную по оси из одинаковых по форме и материалу изолированных кольцевых внешней и внутренней коаксиальных зубчатых по внешней и соответственно внутренней кромке пластин, изготовленных из тонкой листовой электротехнической стали, с образованием таким путем многочисленных зубцов и пазов между ними данного статора, при этом каждый из сердечников торцом, имеющем выводы проводников медных расположенных в его пазах обмоток, жестко сочленен с опорным статорным кольцом, а образованные зубцы и пазы сердечника статора расположены на каждой внутренней и соответственно внешней цилиндрической поверхности каждого из образованных таким путем данных сердечников статора, и их число по этим поверхностям между собой одинаково, причем между внутренней поверхностью, образованной всеми внутренними кромками данных изолированных, наложенных друг на друга внешних пластин, и соответствующей внешней поверхностью, образованной аналогично внешними кромками наложенных внутренних пластин, жестко установлен полый цилиндр из немагнитного материала; медная обмотка статора выполнена трехфазной, оси фаз обмотки электрически сдвинуты относительно друг друга на угол 120°, а в пазы каждой из упомянутых поверхностей каждого сердечника уложена одна трехфазная обмотка, и выводы каждых обмоток, соединенных между собой параллельно, соединены пофазно с образованием общих зажимов в клеммной коробке; ротор статорно-роторной пары содержит несколько упомянутых индукторов-магнитопроводов, выполненных в виде полых цилиндров, каждый из которых также является элементом соответствующей статорно-роторной пары, а также содержит и центральный стержень, при этом данные индукторы-магнитопроводы коаксиально установлены относительно друг друга и центрального стержня с зазором и сочленены с общим основанием в виде опорного роторного кольца прилегающими к нему торцами; каждый из данных полых цилиндров содержит два тонкостенных, одинаковой длины, полых, выполненных из немагнитного материала закрепляющих цилиндров, соответственно внешнего и внутреннего, которые коаксиально расположены относительно друг друга, между стенками которых плотно, по всему их периметру, установлены с прилеганием торца к торцу и к стенкам данных цилиндров, а также и центрального стержня, постоянные магниты дугообразной формы, изготовленные из редкоземельного материала, при этом эти магниты своей внутренней и внешней поверхностями огибают соответствующую поверхность внешнего и внутреннего закрепляющих цилиндров, а также и центрального стержня, а стенки данных закрепляющих цилиндров выполнены сплошными, причем число данных магнитов на каждом из этих полых, установленных друг в друга цилиндров, а также и центральном стержне, одинаково между собой, как и упомянутое, одинаковое между собой, число зубцов и пазов по поверхностям на каждом полом цилиндрической формы сердечнике неявнополюсного статора, причем электромеханический преобразователь имеет приводной вал, сопряженный подвижно с боковой защитной крышкой корпуса преобразователя и сопряженный жестко с его опорным роторным кольцом.

2. Электромеханический преобразователь по 1, отличающийся тем, что число сердечников статора статорно-роторных пар равно трем.

3. Электромеханический преобразователь по 1, отличающийся тем, что число полых цилиндров индукторов-магнитопроводов ротора статорно-роторных пар равно трем.

4. Электромеханический преобразователь по 1, отличающийся тем, что постоянные магниты из редкоземельного материала цилиндров ротора выполнены в виде неодимовых магнитов.

5. Электромеханический преобразователь по 1, отличающийся тем, что общее число трехфазных обмоток статора равно шести.

6. Электромеханический преобразователь по 1, отличающийся тем, что тонколистовые пластины электротехнической стали сердечников статора изготовлены толщиной 0,5 мм.