КОЛЬЦЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ-МАХОВИК Российский патент 2023 года по МПК F16F15/315 H02K7/02 H02K21/14 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в электродвигателях. В частности, устройство может использоваться в кольцевых электродвигателях-маховиках большого диаметра, применяемых для систем ориентации и стабилизации космических аппаратов.

Известен Маховик с магнитной смазкой (Патент на изобретение №2658061, МПК F16F 15/315), содержащий корпус из немагнитного материала, внутри которого выполнена камера, содержащая магнитную жидкость в коллоидном состоянии, корпус из немагнитного материала жестко крепится к внешней конструкции, а в камеру помещены магниты в форме прямых круговых цилиндров с возможностью их обволакивания содержащейся в камере магнитной жидкостью, отличающийся тем, что корпус представляет собой полый тор кольцевого сечения, а ротор составлен из магнитов, намагниченных в осевом направлении, и магнитных вставок между магнитами. Недостатком аналога является неоптимальность конструкции, связанная с отсутствием магнитопровода статора.

Прототипом настоящего изобретения является Двигатель-маховик (Патент на изобретение №2650178, МПК H02K 21/14, H02K 7/02), содержащий якорь с m-фазной обмоткой, m=2, 3, 4, 5, 6… - число фаз обмотки якоря, каждая из фаз состоит из катушек, и индуктор с полюсами, индуктор состоит из скрепленных между собой сердечников и намагниченных в осевом направлении постоянных магнитов, расположенных между сердечниками индуктора, отличающийся тем, что якорь и индуктор объединены между собой корпусом из немагнитного материала, корпус представляет собой полый внутри тор кольцевого сечения, катушки обмотки якоря закреплены с внешней стороны корпуса, а индуктор расположен внутри корпуса с возможностью вращения. Недостатком прототипа является неоптимальность магнитной системы, связанная с отсутствием сердечника статора.

Целью настоящего изобретения является создание кольцевого двигателя-маховика (КДМ) с большим удельным вращающим моментом индуктора (ротора), то есть вращающим моментом, отнесенным к массе двигателя-маховика. Следует отметить, что в космических аппаратах применяются двигатели-маховики минимальной массы.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание К ДМ минимальной массы с магнитопроводами якоря (статора) в форме скоб.

Конструкция исполнений КДМ показана на фигурах чертежей 1, 2 и 3. Рассмотрим фигуры 1 и 2, где показан кольцевой двигатель-маховик с трехфазной обмоткой m=3, фазы обозначены А, В, С. Ротор в форме тора круглого сечения кольцевого двигателя-маховика состоит из сепаратора 1. Сепаратор 1 ротора выполнен из немагнитного материала, например, высоколегированной немагнитной стали. Внутри сепаратора 1 ротора размещаются постоянные магниты 2 индуктора, намагниченные в осевом направлении. С помощью сепаратора 1 постоянные магниты 2 скреплены между собой. Число постоянных магнитов 2 индуктора ротора является четным. Направления намагниченности постоянных магнитов 2 чередуются и показаны стрелками 3. На корпусе 4 крепятся подшипники 5 качения. Ротор вращается в подшипниках 5 относительно статора, являющегося якорем. Статор состоит из магнитопроводов и катушек обмотки якоря. Магнитопроводы, закрепленные в корпусе 4, представляет собой скобы 6 из магнитомягкого материала, например, железа Армко ГОСТ Р 8.992-2020. Скобы 6 охватывают ротор на половине длины дуги окружности поперечного сечения тора ротора. Имеется немагнитный зазор между скобой статора и ротором 8. Напротив каждой скобы 6 размещена другая скоба 6. На каждой скобе 6 размещена катушка 7 фазы обмотки статора. На скобах 6, расположенных друг напротив друга, размещены катушки 7 одной и той же фазы. Число m фаз обмотки статора может быть любым числом больше единицы, m=2, 3, 4, 5, 6…

На фигуре 1 магнтопроводы в виде скоб 6 с обмотками 7 сосредоточены внутри сектора, это аналог дугостаторной электрической машины. Скобы 6 с катушками 7 обмотки якоря могут быть равномерно распределены по окружности статора (см. фигуру 2). При этом, для снижения потоков рассеяния статора расстояния между соседними скобами должны быть больше 3δ.

На фигуре 3 показан КДМ, у которого ротор является подшипником скольжения. Постоянные магниты 2 не закреплены в сепараторе 1, а расположены в трубке 8 с возможностью вращения в ней. Для уменьшения коэффициента трения применяется смазка. Вектор намагниченности постоянных магнитов 2 направлен в следующей последовательности: вдоль оси тора по часовой стрелке, от оси тора радиально, вдоль оси тора против часовой стрелки, к оси тора радиально. Далее описанная последовательность повторяется несколько раз. Скрепление постоянных магнитов между собой в этом случае достигается магнитными силами притяжения.

На фигуре 4 показана развертка участка КДМ вдоль прямой линии, на фиг. 5 изображен магнитопровод статора в виде скобы. На фигурах обозначены: ширина скобы b_ск, ширина постоянного магнита b_м, полюсное деление τ. Центральные поперечные плоскости катушек 7 фаз А, В, С (фиг. 4) пересекают центральную ось ротора в точках X, Y, Z. Расстояние между этими точками должно быть τ/3. При ширине скобы, равной полюсному делению b_ск=τ получается КДМ, аналогичный цилиндрической электрической машине с диаметральным шагом обмотки якоря. При осевом намагничивании постоянных магнитов ротора необходимо, чтобы ширина скобы b_ск, ширина магнита b_м и полюсное деление τ индуктора (ротора) соотносились так: b_м≤b_ск≤2τ, 0,6⋅τ≤b_м<τ.

На фигурах чертежей 6 и 7 показаны варианты исполнения сепаратора 1 ротора для размещения намагниченных в осевом направлении постоянных магнитов 2. Сепаратор 1 может иметь сквозные отверстия под магниты (фиг. 6), либо открытые с трех сторон пазы для размещения магнитов (фиг. 7).

Принцип работы КДМ следующий. На катушки 7 обмотки якоря кольцевого двигателя-маховика от регулятора напряжения и частоты (РНЧ) подается m-фазное, например, трехфазное напряжение, в результате по катушкам 7 протекает ток. Поскольку имеет место пространственный сдвиг катушек 7 обмотки якоря на τ/3, создается перемещающаяся в пространстве волна магнитодвижущей силы якоря, которая, взаимодействуя с постоянными магнитами ротора, создает осевую магнитную силу. При роторе КДМ в виде тора создается вращающий момент. При изменении РНЧ напряжения и частоты питающего напряжения ротор КДМ ускоряется или замедляется, обеспечивая поворот или стабилизацию космического аппарата по одной из осей.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в кольцевых электродвигателях-маховиках большого диаметра. Технический результат – обеспечение минимальной массы магнитопроводов статора. Кольцевой двигатель-маховик содержит якорь с m-фазной обмоткой, m=2, 3, 4, 5, 6… - число фаз обмотки якоря, каждая из фаз состоит из катушек, и индуктор с полюсами в форме тора. Индуктор состоит из скрепленных между собой намагниченных постоянных магнитов. Якорь и индуктор объединены между собой корпусом, при этом индуктор вращается внутри якоря. Особенностью изобретения является намотка катушек каждой фазы обмотки якоря на отдельном магнитомягком магнитопроводе в форме скобы, охватывающей тор ротора на половине длины окружности поперечного сечения тора, скобы расположены друг напротив друга. Магнитопроводы в виде скоб с катушками обмотки якоря могут быть распределены внутри сектора ротора, как в дугостаторной электрической машине, либо расположены по всей окружности тора. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Кольцевой двигатель-маховик, содержащий якорь с m-фазной обмоткой, m=2, 3, 4, 5, 6… - число фаз обмотки якоря, каждая из фаз состоит из катушек, и индуктор с полюсами в форме тора, индуктор состоит из скрепленных между собой намагниченных постоянных магнитов, якорь и индуктор объединены между собой корпусом, отличающийся тем, что индуктор вращается внутри якоря, катушка каждой фазы обмотки якоря намотана на отдельном магнитомягком магнитопроводе в форме скобы, охватывающей тор ротора на половине длины окружности поперечного сечения тора, скобы расположены друг напротив друга.

2. Кольцевой двигатель-маховик по п. 1, отличающийся тем, что магнитопроводы в форме скоб с катушками обмотки якоря распределены внутри сектора ротора.

3. Кольцевой двигатель-маховик по п. 1, отличающийся тем, что магнитопроводы в форме скоб с катушками обмотки якоря равномерно распределены по окружности ротора.

4. Кольцевой двигатель-маховик по п. 1, отличающийся тем, что магнитопроводы в форме скоб изготовлены из железа Армко.

5. Кольцевой двигатель-маховик по п. 1, отличающийся тем, что сепаратор ротора имеет сквозные отверстия под постоянные магниты.

6. Кольцевой двигатель-маховик по п. 1, отличающийся тем, что сепаратор ротора имеет открытые с трех сторон пазы для размещения постоянных магнитов.

7. Кольцевой двигатель-маховик по п. 1, отличающийся тем, что индуктор вращается внутри якоря в подшипниках качения.

8. Кольцевой двигатель-маховик по п. 1, отличающийся тем, что индуктор вращается внутри якоря в подшипнике скольжения в виде трубки.

9. Кольцевой двигатель-маховик по п. 1, отличающийся тем, что индуктор выполнен в виде намагниченных в осевом направлении постоянных магнитов, где векторы намагниченности направлены по часовой стрелке и против часовой стрелки, далее описанная последовательность повторяется.

10. Кольцевой двигатель-маховик по п. 9, отличающийся тем, что ширины скобы b_ск, ширина магнита b_м и полюсное деление τ индуктора соотносятся в соответствии с выражениями: b_м≤b_ск≤2τ; 0,6τ≤b_m<τ.

11. Кольцевой двигатель-маховик по п. 1, отличающийся тем, что индуктор выполнен в виде намагниченных постоянных магнитов, где вектор намагниченности направлен вдоль оси тора по часовой стрелке, от оси тора радиально, вдоль оси тора против часовой стрелки, к оси тора радиально, далее описанная последовательность повторяется.