Торцевой электродвигатель с функцией генератора, содержащий постоянные магниты Российский патент 2023 года по МПК H02K21/24 H02K47/14 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к торцевым электрическим машинам с внешним ротором, и может быть использовано для преобразования электрической энергии в механическую с одновременным генерированием электрической энергии.

Наиболее близким по техническому решению и выбранному авторами в качестве прототипа, является способ и аппаратура для увеличения электрической мощности, объединяющая функции двигателя и генератора (US524556A, МПК Н02М 7/64, дата публикации 14.10.1975), в соответствии с которыми предложена форма вращающейся машины, расположенная таким образом, чтобы преобразовать по существу постоянное входное напряжение в по существу постоянное выходное напряжение, с участием, как правило, ротора, который вращается с существенно постоянной скоростью внутри статора с постоянными магнитами и который содержит сердечник трансформатора, подверженный и имеющий первичную обмотку мотортрансформатора и вторичную обмотку трансформаторного генератора, при этом преобразованная и генерируемая мощность синхронно объединяются в увеличенную выходную мощность.

Недостатком данной вращающейся электрической машины является ограниченная область применения, поскольку ориентирована на применение в машинах цилиндрической конструкции с вращающимся ротором внутри статора. Кроме этого, обладает присущими данной компоновке сложностью обмоточных работ и сборки-разборки, а также низкой ремонтопригодностью, поскольку обмотки расположены в щелях ротора.

В предлагаемом изобретении решается задача совмещения функции электродвигателя и генератора в едином корпусе торцевого электродвигателя с функцией генератора с преобразованием электрической энергии в механическую и одновременным генерированием электрической энергии, имеющего высокую технологичность обмоточных работ, сборки-разборки и ремонтопригодность.

Поставленная задача достигается тем, что в торцевом электродвигателе с функцией генератора с постоянными магнитами, содержащем статор и ротор, первичную обмотку двигателя и вторичную обмотку генератора, общее для первичной и вторичной обмоток магнитопроводное средство, первичная и вторичная обмотки неподвижны, а постоянные магниты установлены на двух дисках ротора, который имеет возможность вращения, при этом статор, жестко закрепленный на неподвижной оси, состоит из двух дисков из немагнитного материала между которыми параллельно оси электродвигателя установлены по окружности ферромагнитные шихтованные сердечники, на каждом из которых намотаны провода, изолированные друг от друга и расположенные вплотную вдоль оси сердечника с чередованием, которые составляют первичную и вторичную обмотки, при этом диски статора по внешнему диаметру стянуты между собой втулками с внутренней резьбой и стяжными винтами, а постоянные магниты расположены с чередованием полюсов в обойме из немагнитного диэлектрического материала, которая крепится к внутренней поверхности диска ротора, при этом постоянные магниты каждого из дисков ротора ориентированы друг к другу разноименными полюсами.

Торцевой электродвигатель с функцией генератора содержит корпус, в котором располагаются ротор, состоящий из двух дисков, и статор, жестко закрепленный на неподвижной оси. На дисках ротора закреплены постоянные магниты, а между двух дисков статора, изготовленных из немагнитного материала, установлены по окружности параллельно оси электродвигателя ферромагнитные шихтованные сердечники, на каждом из которых намотаны провода, изолированные друг от друга и расположенные вплотную вдоль оси сердечника с чередованием, которые составляют первичную и вторичную обмотки. Соединенная звездой первичная обмотка представляет собой контур электродвигателя, а вторичная обмотка – контур генератора. Диски статора по внешнему диаметру стянуты между собой втулками с внутренней резьбой и винтами с потайной головкой, а постоянные магниты, изготовленные из редкоземельных элементов, расположены с чередованием полюсов в обойме из немагнитного диэлектрического материала, которая крепится к диску ротора. Постоянные магниты каждого из дисков ротора ориентированы друг к другу разноименными полюсами.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен торцевой электродвигатель с функцией генератора; на фиг. 2 – фрагмент обоймы с постоянным магнитом в аксонометрической проекции; на фиг. 3 – фрагмент интегрированной обмотки со схематическим заполнением витками обмоточных проводов; на фиг. 4 – схема расположения постоянных магнитов и сердечников электромагнитных катушек с указанием полярности в аксонометрической проекции; на фиг. 5 – схема подключения электродвигателя с функцией генератора и интегрированной обмоткой.

Торцевой электродвигатель с функцией генератора состоит из неподвижной части – дискового статора 1 и внешней подвижной части - двух дисков ротора 2 (фиг. 1). Статор 1 установлен на неподвижной оси 3 с двумя лысками и во избежание возможного проворачивания зафиксирован шпонкой 4. Для устранения осевого перемещения статора 1 с одной стороны он прижат к буртику оси, а с другой стороны зафиксирован круглой шлицевой гайкой 5. На статоре 1 винтами зафиксированы диски 6, в которых выполнены прямоугольные отверстия для сердечников 7, которые с интегрированными обмотками 8 в изоляции 9 представляют собой электромагнитные катушки. В статоре 1 и оси 3 выполнены отверстия, через которые выведены концы обмотки 8. Для обеспечения надежной фиксации сердечников 7 диски статора 6 стянуты с помощью резьбовых втулок 10, в которые с двух сторон вкручиваются винты с потайной головкой. Втулки 10 располагаются между сердечниками с обмотками по внешнему диаметру дисков статора 6. В диски ротора 2 установлены подшипники 11 с постоянно заполненной смазкой и двумя защитными шайбами.

Постоянные магниты 12 в форме прямоугольного параллелепипеда расположены в обойме 13 из немагнитного диэлектрического материала, которая фиксирует постоянные магниты бесклеевым способом без возможности перемещения в осевом направлении, поскольку с наружной стороны магнит удерживается соответствующими выступами (фиг.2). Каждый из дисков ротора 2 имеет одинаковое количество постоянных магнитов 12, размещенных с чередованием расположения их полюсов. Между боковой поверхностью каждого диска ротора 2, изготовленного из алюминиевого сплава, и постоянными магнитами 12 расположен магнитопровод 14, что позволяет увеличить КПД электродвигателя за счет уменьшения полей рассеяния. Диски ротора 2 соединяются между собой винтами, которые вкручиваются в резьбовые втулки 15, расположенные в обечайке 16, изготовленной из немагнитного диэлектрического материала, без возможности проворачивания. Обойма 13 фиксируется на боковой поверхности каждого диска ротора 2 в нижней части с помощью винтов, которые вкручиваются в стальные гайки, установленные для упрочнения соединения в специальные углубления, а в верхней части – с помощью винтов, вкручиваемых в резьбовые втулки 15.

Интегрированная многослойная обмотка 8 состоит из, как минимум, двух параллельных проводов 17 и 18, имеющих изолированные покрытия из непроводящей изоляции, такой как пластик или эмаль, чтобы предотвратить прохождение тока между витками проводов, и расположенных вплотную виток к витку вдоль оси сердечника 7 с чередованием между собой в каждом слое. Количество проводов интегрированной обмотки 8 может быть сколь угодно большим, а их чередование может быть различным в зависимости от требуемых параметров электродвигателя с функцией генератора.

В зависимости от режима использования электродвигателя с функцией генератора провод, по которому пропускают электрический ток, становится первичной обмоткой. В данном случае это провод 17, обозначенный на схематическом изображении римской цифрой I (фиг. 3). Соответственно провод 18 будет формировать вторичную обмотку с обозначением на схематическом изображении цифрой II.

Работа данного торцевого электродвигателя с функцией генератора осуществляется следующим образом. Пуск электродвигателя осуществляется от источника питания, например, аккумулятора. При пропускании электрического тока через первичную обмотку 17 вокруг неё образуется магнитное поле, силовые линии которого вызывают намагничивание сердечника 7 с обеспечением полярности на его концах. Поскольку на первичную обмотку 17 подается переменное напряжение в ней образуется магнитное поле, в котором число силовых линий изменяется с частотой тока, и на основании взаимной индукции часть силовых линий попадает на витки вторичной обмотки 18, пересекая их, в результате чего индуктируется переменное напряжение.

При взаимодействии магнитного поля первичной обмотки 17, усиленное намагниченным сердечником 7, с магнитным полем постоянных магнитов 12 ротора 2, возникает электромагнитный момент, приводящий во вращение ротор. Это достигается вследствие действия сил электромагнитного притяжения и отталкивания, возникающих при взаимодействии сердечников электромагнитных катушек статора и постоянных магнитов ротора (фиг. 4).

При вращении ротора 2 магнитное поле постоянных магнитов 12 пересекает витки вторичной обмотки 18, изменяясь как по абсолютному значению, так и по направлению, и наводит во вторичной обмотке 18 переменную электродвижущую силу, вызывая в ней изменяющееся во времени напряжение. В итоге генерируемое и индуктируемое напряжения накладываются одно на другое и снимаются с выводных концов вторичной обмотки 18, которые выходят через центральное отверстие в оси 3 электродвигателя и подключаются к аккумулятору, например, через полупроводниковый мостовой трехфазный выпрямитель.

На фиг. 5 приведена схема подключения электродвигателя с функцией генератора и интегрированной обмоткой. Объединение в интегрированной обмотке 8 первичной и вторичной обмоток позволяет электродвигателю длительный период времени сохранять возможность автономной работы без внешней зарядки, поскольку к нему подключены два аккумулятора 19 и 20, один из которых приводит в движение электродвигатель, а второй заряжается от генератора. По мере разрядки аккумулятора, приводящего в движение электродвигатель, происходит автоматическое переключение на заряженный аккумулятор и в дальнейшем этот цикл повторяется, поскольку аккумуляторы работают сменяя друг друга. Зарядка аккумулятора происходит при обычном движении электродвигателя, а не в режиме торможения или движения под гору (режим рекуперации энергии), в случае использования его в качестве мотор-колеса транспортного средства.

Система управления электродвигателем с функцией генератора состоит из блока управления электрическим двигателем 21, блока электронной коммутации обмоток 22, датчиков Холла 23 с датчиками тока и напряжения, программного обеспечения 24, блока коммутации источника питания и заряда аккумулятора 25, блока контроля заряда аккумулятора 26.

В соответствии со схемой соединения интегрированной обмотки первичная и вторичная обмотка могут меняться местами, то есть провод 18 может стать первичной обмоткой. В зависимости от выбранного режима работы электродвигателя с функцией генератора, возможно его применение только в качестве электродвигателя, для чего провода 17 и 18 используются одновременно в качестве первичной обмотки, что важно при пуске электродвигателя, когда электрический ток достигает максимального значения. Возможна работа в режиме генератора, когда провода 17 и 18 используются одновременно в качестве вторичной обмотки, для чего внешний ротор приводится во вращение отдельным источником механической энергии.

Более перспективной схемой формирования интегрированной обмотки 8 является использование в ней трех проводов. Преимуществом данной схемы является возможность реализации с помощью системы управления различных режимов работы электродвигателя с функцией генератора, например, когда два провода обеспечивают пуск электродвигателя, а один провод обеспечивает генерирование энергии. В номинальном режиме работы достаточно использовать один провод для работы электродвигателя, а два провода использовать для выработки напряжения электрического тока, необходимого для зарядки аккумулятора. Эти два режима являются преимущественными для работы электродвигателя с функцией генератора.

Простота конструкции электромагнитной катушки и выбранная схема заполнения витками обмоточных проводов интегрированной обмотки 8 значительно упрощает процесс намотки, поскольку отсутствует пространственное разделение первичной и вторичной обмотки с необходимостью их отдельной намотки и изоляции, как это принято в трансформаторах, а первичная и вторичная обмотки интегрированы друг в друга, что дает возможность использования установок для традиционной автоматизированной намотки электромагнитных катушек в два, три и более проводов.

Таким образом, при использовании торцевого электродвигателя с функцией генератора достигается следующий технический результат: обеспечено совмещение функции электродвигателя и генератора в едином корпусе с преобразованием электрической энергии в механическую и одновременным генерированием электрической энергии, что дает возможность длительной автономной эксплуатации электродвигателя без внешней зарядки; обеспечена технологичность сборки-разборки электродвигателя и его ремонтопригодность за счет бесклеевого крепления постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда стандартных размеров в обойме и расположения электромагнитных катушек между дисками статора, что позволяет осуществлять замену постоянных магнитов и электромагнитных катушек без применения специальных инструментов и технологий; повышена производительность намотки электромагнитных катушек за счет простоты конструкции и выбранной схемы заполнения витками обмоточных проводов интегрированной обмотки.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – обеспечение возможности автономной эксплуатации электродвигателя. Согласно настоящему изобретению электродвигатель с функцией генератора включает ротор, который состоит из двух дисков, и статор, жестко закрепленный на неподвижной оси. Между двух дисков статора установлены параллельно оси сердечники, на которых намотаны провода, изолированные друг от друга и расположенные вплотную вдоль оси сердечника с чередованием, составляющие первичную и вторичную обмотки. Первичная обмотка представляет собой контур электродвигателя, а вторичная обмотка - контур генератора. Диски статора по внешнему диаметру стянуты между собой втулками с внутренней резьбой и стяжными винтами, а постоянные магниты расположены с чередованием полюсов в обойме из немагнитного диэлектрического материала, которая крепится к диску ротора, при этом постоянные магниты каждого из дисков ротора ориентированы друг к другу разноименными полюсами. 5 ил.

Торцевой электродвигатель с функцией генератора, содержащий постоянные магниты, статор и ротор, первичную обмотку двигателя и вторичную обмотку генератора, общее для первичной и вторичной обмоток магнитопроводное средство, отличающийся тем, что первичная и вторичная обмотки неподвижны, а постоянные магниты установлены на двух дисках ротора, который имеет возможность вращения, при этом статор, жестко закрепленный на неподвижной оси, состоит из двух дисков из немагнитного материала, между которыми параллельно оси электродвигателя установлены по окружности ферромагнитные шихтованные сердечники, на каждом из которых намотаны провода, изолированные друг от друга и расположенные вплотную вдоль оси сердечника с чередованием, которые составляют первичную и вторичную обмотки, при этом диски статора по внешнему диаметру стянуты между собой втулками с внутренней резьбой и стяжными винтами, а постоянные магниты расположены с чередованием полюсов в обойме из немагнитного диэлектрического материала, которая крепится к внутренней поверхности диска ротора, при этом постоянные магниты каждого из дисков ротора ориентированы друг к другу разноименными полюсами.