Способ намагничивания и сборки кольца Хальбаха ротора электромашины (варианты) Российский патент 2020 года по МПК H01F13/00 H02K1/27 H02K15/03 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в качестве способа намагничивания и сборки ротора электрической машины, состоящего из постоянных магнитов, расположенных по схеме Хальбаха.

Известен Высокомоментный, слаботочный бесщеточный двигатель (патент США №10,205,355, МПК Н02К 21/12) с массивом Хальбаха (Halbach-array) на роторе. Фигура 4 патента США №10,205,355 практически соответствует фигурам 1 и 2 настоящей заявки. На фиг. 1 показано поперечное сечение активной части электромашины, на фиг 2 - трехмерный рисунок активной части электромашины. На фиг. 1 и 2 множество внутренних магнитов 1 расположены так, что они образуют внутреннее кольцо Хальбаха, а множество внешних магнитов 2 расположены так, что они образуют внешнее кольцо Хальбаха. Стрелками на фигурах 1, 3 показаны направления намагничивания постоянных магнитов. Катушки обмотки 3 якоря расположены в форме кольца. Обмотка 3 якоря расположена между множеством внутренних магнитов 1 (внутренним кольцом Хальбаха) и множеством внешних магнитов 2 (внешним кольцом Хальбаха). Множество внутренних магнитов 1 и множество внешних магнитов 2 включены в двойные магнитные цепи, которые согласованы так, чтобы увеличить индукцию между ними. В частности, внутренние магниты 1 и внешние магниты 2 увеличивают магнитную индукцию в объеме, в котором расположена обмотка 3 якоря. Это увеличение магнитной индукции приводит к более высокому выходному крутящему моменту для данного уровня тока по сравнению с традиционными конструкциями. Поэтому, вышеописанная известная конструкция массива Хальбаха является оптимальной, по сравнению с предложенной в патенте РФ №2549835, МПК H01F 13/00.

Сборка ротора из предварительно намагниченных постоянных магнитов может быть трудоемким процессом, особенно в крупногабаритных электромашинах, поскольку может быть продолжительной и неудобной.

Известен принятый за прототип (по обоим вариантам) Способ намагничивания ротора электромашины, намагничивающая система для ротора электромашины и способ изготовления ротора электромашины (патент на изобретение РФ №2549835, МПК H01F 13/00), включающий сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита вокруг шпинделя ротора, заключенного в стопорное кольцо, определение оптимальных направлений ориентации намагничивания указанных сегментов, позиционирование собранных указанных ненамагниченных сегментов вокруг шпинделя ротора, так что оптимальные направления ориентации намагничивания указанных сегментов выровнены в направлении линий магнитного потока, созданного намагничивающим устройством, возбуждение намагничивающего устройства для намагничивания указанных сегментов с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса, причем указанная оптимальная длительность импульса зависит от толщины, магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления стопорного кольца и удовлетворяет выражению,

в котором T_RISE является периодом времени оптимальной длительности, T_RR является толщиной стопорного кольца, μ является магнитной проницаемостью стопорного кольца, и ρ является удельным электрическим сопротивлением стопорного кольца. Технический результат прототипа состоит в создании упрощенного способа намагничивания постоянных магнитов ротора, расположенных по одной из возможных схем Хальбаха.

Недостатком прототипа является то, что вышеописанный способ намагничивания ротора электромашины является упрощенным, он не применим для намагничивания оптимально расположенных постоянных магнитов ротора, состоящего из колец Хальбаха, описанного в патенте США №10,205,355.

Объектом изобретения (по обоим вариантам) является способ намагничивания и сборки кольца Хальбаха ротора электромашины.

Технической задачей, решаемой предложенным изобретением (по обоим вариантам), является создание способа намагничивания и сборки внутреннего или внешнего кольца Хальбаха ротора электромашины, который позволит получить наибольшую магнитную индукцию в зоне обмотки электромашины. Для электромашины это приведет к увеличению ЭДС, наводимой в обмотке, и повышению удельной мощности электрической машины.

На фигурах показаны следующие эскизы:

Фиг. 1. Поперечное сечение активной части электромашины по патенту США №10,205,355.

Фиг. 2. Трехмерный рисунок активной части электромашины по патенту США №10,205,355.

Фиг. 3. Намагничивающая система для разборного кольца Хальбаха (вариант 1).

Фиг. 4. Намагничивающая система по обоим вариантам.

Фиг. 5. Намагничивающая система для неразборного внутреннего кольца Хальбаха (вариант 2).

Фиг. 6. Намагничивающая система для неразборного внешнего кольца Хальбаха (вариант 2).

Решение технической задачи (по варианту 1, см. фигуру 3) обеспечено тем, что осуществляют следующую последовательность действий:

- сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита 1 внутри установочных колец 4 ротора,

- определение оптимальных направлений ориентации намагничивания указанных сегментов, позиционирование собранных указанных ненамагниченных сегментов внутри установочных колец ротора, так что оптимальные направления ориентации намагничивания (показаны стрелками) указанных сегментов 1 выровнены в направлении линий магнитного потока, созданного намагничивающим устройством,

- возбуждение намагничивающего устройства для намагничивания указанных сегментов с помощью импульсного постоянного тока напряжения U в течение оптимальной длительности импульса, обеспечивающей полное проникновение магнитного потока в сегменты магнита,

- для обеспечения возможности установки и снятия намагничивающего устройства установочные кольца 4 ротора выполнены разъемными, намагничивающее устройство состоит из трех обмоток 5, 6 в виде катушек, две из которых 5 надеваются на постоянные магниты и соединены между собой встречно, а одна 6 расположена перпендикулярно постоянному магниту на магнитном сердечнике 7,

- намагничивание постоянных магнитов 1 каждого кольца Хальбаха ротора производится путем установки на них катушек 5 и 6 намагничивающего устройства и подачей постоянного напряжения, как показано на фигурах 3 и 4, по три магнита (два тангенциально намагниченных и один радиально намагниченный), а также по одному (радиально намагниченному),

- после намагничивания постоянных магнитов, перед компаундированием каждого кольца Хальбаха ротора производится снятие намагничивающего устройства путем разборки установочных колец 4 и снятия двух постоянных магнитов 1 ротора, далее постоянные магниты устанавливают на место,

- окончательная сборка кольца Хальбаха ротора производится путем его компаундирования,

- после компаундирования кольца Хальбаха ротора (например, в торцах магнитной системы) установочные кольца 4 должны быть окончательно сняты.

Техническая задача решается, согласно изобретению по варианту 1, совокупностью существенных признаков, представленных в п. 1 формулы изобретения.

Решение технической задачи (по варианту 2, см. фигуры 5 и 6) обеспечено тем, что осуществляют следующую последовательность действий:

- сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита 1 на установочное кольцо 4 ротора,

- определение оптимальных направлений ориентации намагничивания указанных сегментов, позиционирование собранных указанных ненамагниченных сегментов на установочном кольце ротора, так что оптимальные направления ориентации намагничивания (показаны стрелками) указанных сегментов 1 выровнены в направлении линий магнитного потока, созданного намагничивающим устройством,

- возбуждение намагничивающего устройства для намагничивания указанных сегментов с помощью импульсного постоянного тока напряжения U в течение оптимальной длительности импульса, обеспечивающей полное проникновение магнитного потока в сегменты магнита,

- намагничивающее устройство состоит из трех обмоток 5, 6 в виде катушек, две из которых 5 наматываются непосредственно на постоянные магниты на изолирующую пленку и соединены между собой встречно, а одна 6 расположена перпендикулярно постоянному магниту на магнитном сердечнике 7, катушки 5 наматываются на магниты с зазором, позволяющим перемещать их от магнита к магниту,

- намагничивание постоянных магнитов 1 каждого кольца Хальбаха ротора производится путем установки на них катушек 5 и 6 намагничивающего устройства и подачей постоянного напряжения, как показано на фигурах 5 и 6, по три магнита (два тангенциально намагниченных и один радиально намагниченный), а также по одному (радиально намагниченному),

- после намагничивания постоянных магнитов, перед компаундированием каждого кольца Хальбаха ротора производится снятие намагничивающего устройства путем разматывания катушек 5, намотанных на магниты, и удаления катушки 6 на магнитном сердечнике,

- окончательная сборка каждого кольца Хальбаха ротора производится путем его компаундирования.

Техническая задача решается, согласно изобретению по варианту 2, совокупностью существенных признаков, представленных в п. 3 формулы изобретения.

Техническим результатом предложенного изобретения (по обоим вариантам) является обеспечение возможности намагничивания и сборки внутреннего и внешнего кольца Хальбаха ротора электромашины, выполненного по оптимальной схеме (согласно патенту США №10,205,355), позволяющей получить наибольшую магнитную индукцию в зоне обмотки электромашины, и в конечном итоге, получить электромашину с максимальной ЭДС, и максимальной удельной мощностью при небольших величинах тока якоря.

Подача постоянного напряжения (возбуждение, по обоим вариантам) с целью намагничивания постоянных магнитов возможна на три катушки (две катушки 5 и одну 6, фиг. 4), при этом U=U₁+U₂ для намагничивания сразу трех постоянных магнитов, как показано на фиг. 3, 5, 6. Для обеспечения намагничивания оставшихся не намагниченными магнитов постоянное напряжение должно быть подано только на катушку 6 для намагничивания по одному магниту еще ненамагниченных постоянных магнитов с радиальным направлением намагничивания (путем перемещения катушки 6 от магнита к магниту после намагничивания). Либо, постоянное напряжение должно быть подано только на катушки 5 для намагничивания постоянных магнитов с тангенциальным направлением намагничивания. При этом полярность напряжений U₁ и U₂ должна быть такой, чтобы направление создаваемого катушками магнитного потока было согласовано с необходимым направлением намагничивания постоянных магнитов. Направление создаваемого катушками магнитного потока на фиг. 4 также как и направление намагничивания постоянных магнитов на фиг. 1, 3, 5, 6 показано стрелками.

В отличие от прототипа (Способа намагничивания ротора… по патенту на изобретение РФ №2549835) снятие намагничивающего устройства по варианту 1 невозможно без разборки кольца Хальбаха ротора, т.к. катушки 5 намагничивающего устройства надеваются непосредственно на постоянные магниты. Для обеспечения снятия катушек 5 намагничивающего устройства (после намагничивания постоянных магнитов) необходимо снять часть установочных колец ротора и не менее 2х постоянных магнитов, далее через образовавшееся пространство снять катушки 5 намагничивающего устройства.

После этого необходимо вставить постоянные магниты на место и выполнить компаундирование - скрепление постоянных магнитов ротора компаундом.

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам. Технический результат состоит в повышении э.д.с. и удельной мощности при небольших величинах тока якоря электромашины за счет намагничивания и сборки кольца Хальбаха ротора по оптимальной схеме, обеспечивающей наибольшую магнитную индукцию в зоне обмотки электромашины. Способ намагничивания и сборки кольца Хальбаха ротора по варианту 1, включает: сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита внутри установочных колец ротора, определение оптимальных направлений ориентации намагничивания сегментов, позиционирование собранных ненамагниченных сегментов внутри установочных колец ротора так, что оптимальные направления ориентации их намагничивания выровнены в направлении линий магнитного потока намагничивающего устройства, возбуждение намагничивающего устройства импульсами постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса. Намагничивающее устройство состоит из трех катушек, две из которых надеваются на постоянные магниты и соединены между собой встречно, а одна расположена перпендикулярно постоянному магниту на магнитном сердечнике. Намагничивание постоянных магнитов производится установкой на них катушек намагничивающего устройства и подачей постоянного напряжения. После намагничивания постоянных магнитов, перед компаундированием кольца снимают намагничивающее устройство разборкой установочных колец и снятием постоянных магнитов. Окончательная сборка кольца производится его компаундированием. Далее снимаются установочные разъемные кольца. Отличие варианта 2 состоит в том, что катушки намагничивающего устройства наматываются на магниты с зазором, позволяющим перемещать их от магнита к магниту, а снятие катушек производится их разматыванием. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ намагничивания и сборки кольца Хальбаха ротора электромашины, включающий: сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита внутри установочных колец ротора, определение оптимальных направлений ориентации намагничивания указанных сегментов, позиционирование собранных указанных ненамагниченных сегментов внутри установочных колец ротора, так что оптимальные направления ориентации намагничивания указанных сегментов выровнены в направлении линий магнитного потока, созданного намагничивающим устройством, возбуждение намагничивающего устройства для намагничивания указанных сегментов с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса, обеспечивающей полное проникновение магнитного потока в сегменты магнита, отличающийся тем, что для обеспечения возможности установки и снятия намагничивающего устройства установочные кольца ротора выполнены разъемными, намагничивающее устройство состоит из трех обмоток в виде катушек, две из которых надеваются на постоянные магниты и соединены между собой встречно, а одна расположена перпендикулярно постоянному магниту на магнитном сердечнике, намагничивание постоянных магнитов кольца Хальбаха ротора производится путем установки на них катушек намагничивающего устройства и подачей постоянного напряжения, после намагничивания постоянных магнитов, перед компаундированием кольца Хальбаха ротора производится снятие намагничивающего устройства путем разборки установочных колец и снятия постоянных магнитов ротора, окончательная сборка кольца Хальбаха ротора производится путем его компаундирования, далее производится снятие установочных колец.

2. Способ намагничивания и сборки кольца Хальбаха ротора электромашины по п. 1, отличающийся тем, что снятие намагничивающего устройства обеспечивается путем снятия двух постоянных магнитов ротора.

3. Способ намагничивания и сборки кольца Хальбаха ротора электромашины, включающий: сборку массива ненамагниченных анизотропных сегментов постоянного магнита на установочное кольцо ротора, определение оптимальных направлений ориентации намагничивания указанных сегментов, позиционирование собранных указанных ненамагниченных сегментов на установочном кольце ротора, так что оптимальные направления ориентации намагничивания указанных сегментов выровнены в направлении линий магнитного потока, созданного намагничивающим устройством, возбуждение намагничивающего устройства для намагничивания указанных сегментов с помощью импульсного постоянного тока в течение оптимальной длительности импульса, обеспечивающей полное проникновение магнитного потока в сегменты магнита, отличающийся тем, что намагничивающее устройство состоит из трех обмоток в виде катушек, две из которых наматываются непосредственно на постоянные магниты на изолирующую пленку и соединены между собой встречно, катушки наматываются на магниты с зазором, позволяющим перемещать их от магнита к магниту, одна катушка расположена перпендикулярно постоянному магниту на магнитном сердечнике, намагничивание постоянных магнитов кольца Хальбаха ротора производится путем установки на них катушек намагничивающего устройства и подачей постоянного напряжения, после намагничивания постоянных магнитов, перед компаундированием кольца Хальбаха ротора производится снятие намагничивающего устройства путем разматывания катушек, намотанных на магниты, и удаления катушки на магнитном сердечнике, окончательная сборка каждого кольца Хальбаха ротора производится путем его компаундирования.