Электрический мотор с аксиальным магнитным потоком Российский патент 2023 года по МПК H02K21/24 H02K16/00 

Изобретение относится к электромашиностроительной области, в частности к бесколлекторным электродвигателям постоянного тока на постоянных магнитах и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов и транспортных средств, а именно, в электроприводных летательных аппаратах, скутерах, мотоциклах, автомобилей. Техническим результатом является увеличение момента силы тяги электромотора и повышение КПД мотора.

Технический результат заявляемого электрического мотора достигается особенностью конструкции мотора с топологией аксиального магнитного потока, при которой взаимодействие магнитных потоков, генерируемых обмотками статора и постоянными магнитами ротора осуществляется наиболее эффективным образом.

Из уровня техники известен бесколлекторный роторный электрический двигатель (патент РФ №2528983, H02K 31/00, дата публикации 20.09.2014), содержащий статор с обмоткой и ротор, вращающийся на подшипниках, отличающийся тем, что статор выполнен в виде тороида с внешней намоткой катушки, а ротор, вращающийся внутри статора на подшипниках, имеет постоянные магниты в виде цилиндров, расположенных по касательным к ротору. Недостатком двигателя является сложная конструкция, низкий силовой момент и КПД двигателя.

За последнее десятилетие набирает обороты разновидность электрических моторов с топологией аксиального магнитного потока. Эти моторы имеют более высокую мощность и плотность крутящего момента, чем сопоставимые по размеру традиционные моторы с радиальным магнитным потоком. Существуют две основные топологии двигателей с аксиальным магнитным потоком: двухроторный одиночный статор, который иногда называют машиной типа тора, и однороторный двухстаторный.

Прототипом заявленного изобретения может служить безъякорный электрический мотор бельгийской компании MAGNAX (https://zen.yandex.ru/media/htech_plus/magnax-kak-rabotaet-sverhmoscnyi-elektromotor-buduscego-5d93482b4e057700b117fa81), выполненный по топологии с аксиальным магнитным потоком с двумя роторами и одним статором (фиг. 1). Он состоит из ротора, представляющего собой два диска с размещенными на них по окружности постоянными магнитами с аксиальным направлением магнитного потока. В прокладке между двумя роторными дисками размещается неподвижный статор с обмотками, прямолинейные сердечники которых расположены по окружности параллельно оси вращения вала. Ротор мотора вращается благодаря взаимодействию магнитов, которые отталкиваются и притягиваются друг к другу при возникновении магнитного поля. На текущий момент мотор MAGNAX считается одним из самых эффективных моторов в своей категории. Однако несмотря на это MAGNAX имеет следующие недостатки:

1. Недостаточно эффективное взаимодействие магнитных потоков статора и ротора.

2. высокая стоимость за счет удвоенного количества дорогостоящих постоянных магнитов, размещенных на двух роторных дисках

3. Невысокий уровень крутящего момента и мощности мотора

Заявляемый электрический мотор лишен вышеперечисленных недостатков. Технический результат заявляемого электрического мотора достигается использованием в моторе нестандартных решений в части конструкции ротора и статора, способствующие максимально эффективному взаимодействию магнитных потоков статора и ротора и повышающие крутящий момент и мощность мотора. Заявляемый мотор относится к топологии с аксиальным магнитным потоком в условно многороторном и многостаторном исполнении.

Заявляемое электрический мотор иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-11.

Фиг. 1 - безъякорный электромотор компании MAGNAX.

Фиг. 2 - упрощенная схема конструкции мотора

Фиг. 3 - конструкция ротора в упрощенном виде

Фиг. 4 - пример сборной конструкции ротора

Фиг. 5 - сердечник звена статора без обмотки

Фиг. 6 - сердечник звена статора с обмоткой

Фиг. 7 - статор модульной конструкции

Фиг. 8 - заявляемый мотор в собранном виде

Фиг. 9 - заявляемый мотор с усеченным количеством звеньев

Фиг. 10 - общий вид мотора в водозащищенном исполнении

Фиг. 11 - схема взаимодействия магнитных потоков.

Заявляемый электрический мотор характеризуется тем, что является бесколлекторным электрическим двигателем постоянного тока на постоянных магнитах с аксиальным магнитным потоком, направленным параллельно продольной оси мотора. Конструкция мотора с внутренним размещением ротора в упрощенном виде представлена на фиг. 2.

Из рисунка видно, что ротор мотора состоит из вала 1 с нанизанными и зафиксированными на нем на определенном расстояние друг от друга несколькими шайбовидными кольцами 2. На плоской поверхности роторных колец 2 имеются мультиплицированные по окружности на равном расстоянии друг от друга выемки или вырезы в соответствии с количеством, размером и формой размещаемых в них постоянных магнитов 4. На рисунке ротор имеет три кольца 2 с закрепленными на их плоской поверхности постоянными магнитами 4 в форме диска. Конструктивно мотор может быть исполнен с произвольным количеством роторных колец от одного до нескольких в зависимости от требуемых характеристик мощности, крутящего момента и скорости вращения.

На фиг 3. изображены в упрощенном виде две разновидности конструкции ротора в зависимости от типа мотора. Вариант а) представляет собой ротор, предполагающий внутреннее размещение (inrunner) в электрическом моторе, вариант б) - внешнее размещение (outrunner). Как видно из рисунка для inrunner - мотора роторные кольца 2 нанизаны и закреплены на валу мотора 1 на определенном расстоянии друг от друга. Для outrunner - мотора вал 1 имеет форму пустотелого цилиндра и роторные кольца 2 размещаются и фиксируются во внутренней полости вала. Количество роторных колец 2 может быть произвольным от одного до нескольких. Чем больше колец, тем выше мощность мотора и крутящий момент.

Как отмечалось ранее, на плоской поверхности роторных колец 2 имеются мультиплицированные по окружности на равном расстоянии друг от друга выемки или вырезы в соответствии с количеством, размером и формой размещаемых в них постоянных магнитов 4. В рассматриваемом случае используемые постоянные магниты 4 имеют форму сектора или диска. Магниты на роторных кольцах генерируют аксиальный магнитный поток, параллельный оси вращения вала 1 мотора.

В обоих случаях роторы моторов могут иметь как монолитную, так и сборную конструкция, состоящую отдельно из вала мотора 1 и роторных колец 2. Для лучшего понимания на фиг. 4 представлен один из возможных вариантов сборной конструкции ротора с внутренним размещением. Для простоты восприятия на рисунке показаны только два роторных диска 2, каждый из которых представляет собой сборную конструкцию из двух половин, условно левой и правой. Для наглядности на каждом роторном диске изображены только два постоянных магнита 4 в форме сектора. На стыке граней магнита имеются скосы небольшого размера в виде фасок. Каждая половина роторного диска 2 имеет два отверстия, точно соответствующими по форме, размерам и фаскам размещаемым в них постоянным магнитам 4. При плотном примыкании левой и правой половины роторного диска друг к другу обеспечивается надежная фиксация магнита 4 в отверстии составного роторного диска 2. Разделительные втулки 6 предназначены для обеспечения плотного примыкания роторных половин друг к другу и фиксации составных роторных колец 2 на определенном расстоянии друг от друга. Для упрощения на рисунке не показан способ фиксации втулок 6 и роторных колец 2 на валу 1 мотора для исключения как их проворачивания вокруг своей оси, так и сдвига всей сборной конструкции вдоль оси вала 1.

Статор (фиг. 1) имеет сборную модульную конструкцию и представляет собой кольцо из размещенных по окружности однотипных звеньев. Каждое звено представляет собой обмотки 3 с сердечниками 5 в виде разветвленных магнитопроводов, имеющих несколько расположенных в ряд магнитных контуров с воздушными зазорами. Количество магнитных контуров и размер воздушных зазоров каждого сердечника соответствуют количеству и толщине роторных колец мотора. Сердечники 5 своей длинномерной прямолинейной частью ориентированы параллельно оси вращения вала, а своими зазорами обращены в радиальном направлении к валу двигателя таким образом, чтобы воздушные зазоры всех собранных по кругу магнитопроводов 5 образовывали параллельные круговые сквозные воздушные щели по числу магнитных контуров, внутри которых располагаются и вращаются роторные кольца 2. Для наглядности на фиг. 1 статор мотора содержит только три однотипных звена, распределенных по окружности на равном расстоянии друг от друга. Сердечник каждого звена имеет три магнитных контура с воздушными зазорами по количеству роторных колец.

На фиг. 5 показан общий вид звена статора без обмотки. В рассматриваемом случае звено статора выполнено в виде сердечника 5 представляющего собой разветвленный магнитопровод, имеющий три магнитных контура. Для наглядности на рисунке один из магнитных контуров 7 условно выделен красной пунктирной линией. Каждый магнитный контур 7 имеет воздушный зазор 8. Количество магнитных контуров 7 и ширина воздушных зазоров 8 каждого сердечника 5 соответствуют количеству и толщине роторных колец 2 в месте крепления постоянных магнитов 4. Кроме этого поперечное сечение зубцов 9 сердечника 5 по форме и размерам должно соответствовать форме и размерам применяемых постоянных магнитов 4. В рассматриваемом случае на фиг. 5 представлены примеры двух сердечников 5, имеющих сечение в форме круга и сектора соответственно.

На фиг. 6 представлен пример звена статора с обмоткой. Как видно из рисунка обмотка звена статора имеет не цельную многозвенную структуру, а собрана по модульному принципу из отдельных однотипных катушек 10 с каркасом, каждая из которых нанизывается и фиксируется на зубце 9 сердечника 5 с последующим соединением концов обмоток катушек в единую обмотку звена. Форма каркаса катушки 10 должна соответствовать сечению зубца 9 сердечника. В рассматриваемом случае катушка имеет цилиндрическую форму. Длина каркаса катушки не должна превышать размер воздушного зазора 8 сердечника.

Предлагаемая модульная конструкция обмотки звена статора значительно упрощает технологический процесс изготовления статора мотора в целом. Побочным эффектом модульности обмотки является возможность легкого восстановления работоспособного состояния мотора после отказа или повреждения. Как правило, основной причиной нарушения работоспособности мотора является повреждение обмотки. В модульной конструкции восстановление работоспособности мотора осуществляется простой заменой поврежденной катушки без необходимости перемотки обмотки целиком.

Как было отмечено выше, основной отличительной особенностью статора мотора является его модульная конструкция, состоящего из однотипных звеньев. Сердечники звеньев в поперечном сечении имеют форму сектора, что позволяет им будучи собранными вместе по кругу плотно впритык к друг другу, образовывать единую цилиндрическую конструкцию сборного статора, представленную на фиг. 7.

Как видно из рисунка статор имеет сборную конструкцию цилиндрической формы, собранную из однотипных звеньев 11, имеющих форму сегмента цилиндра. Каждое звено 11 представляет собой многоконтурный разветвленный сердечник с обмотками из катушек 10 (фиг. 6), генерирующими аксиальный магнитный поток, направленный параллельно оси вращения вала мотора. Из рисунка видно, что воздушные зазоры сердечников, собранных по кругу в единую конструкцию, создают круговые сквозные воздушные щели по числу магнитных контуров, внутри которых располагаются и вращаются роторные кольца.

На фиг. 8 раздел а) представлен общий вид заявляемого мотора с внутренним расположением ротора в собранном виде в двух проекциях. Статор имеет сборную конструкцию из однотипных звеньев 11, имеющих форму цилиндрического сектора. Для наглядности в разделе б) представлен вид мотора в продольном разрезе.

Сердечник 5 статора имеет пять магнитных контуров с воздушными зазорами. Ротор имеет пять колец 2 по числу магнитных контуров с закрепленными на их плоской поверхности постоянными магнитами 4. Обмотки статора 10 создают магнитный поток, параллельный оси вращения вала мотора. Вал мотора 1 имеет полую конструкцию.

Возможен вариант конструкции мотора, при котором из общего количества однотипных звеньев статора мотора может быть использована только часть звеньев, объединенных в две группы с одинаковым количеством звеньев, причем сами группы размещаются напротив друг друга симметрично относительно продольной оси мотора (фиг. 9).

Описанная конструкция способствует уменьшению габаритов и веса мотора, а также упрощает технологический процесс изготовления и сборки мотора.

Вариант мотора с внутренним расположением ротора и с полым валом позволяет размещать внутри вала лопастной механизм, в частности, в виде сменного блока, представляющего собой конструкцию из кольцевого трубчатого канала в виде пустотелого цилиндра с размещенным и закрепленным внутри него многолопастным винтом или шнековой спиралью. При этом сменный блок может иметь монолитное исполнение или состоять из отдельных модулей, которые могут отличаться друг от друга своими конструктивными особенностями и назначением. Для обеспечения возможности функционирования в воде мотор конструктивно может быть выполнен в водозащищенном исполнении, при котором сменный блок используется в качестве водометного движителя (фиг. 9). На рисунке представлена водозащищенная разновидность заявляемого электрического мотора в упрощенном виде.

Для наглядности водозащищенный электромотор представлен состоящим из следующих основных блоков:

• Тело мотора 12, основными узлами которого являются статор, ротор и полый вал, внутри которого размещается водометный движитель 15

• водозаборная часть 13 - передняя область, способствующая перемещению воды (входящий поток) к винтовой части водометного движителя 15.

• водометный движитель 15, выполненный в виде сменного блока, представляющего собой конструкцию из кольцевого трубчатого канала в виде пустотелого цилиндра с размещенным и закрепленным внутри него лопастным механизмом в виде многолопастного винта или шнековой спирали, причем сам блок может иметь монолитное исполнение или быть собран последовательно в единую конструкцию из отдельных модулей, которые не обязательно должны быть однотипными и могут отличаться друг от друга своими конструктивными особенностями. В рассматриваемом варианте сменный блок выполнен в виде шнековой спирали в монолитном исполнении.

• Сопло 14 с спрямляющим аппаратным элементом, трансформирующим вращательные движения водных потоков в прямолинейные (исходящий поток).

Водозащищенная версия заявляемого мотора может быть использована в судостроении в качестве силовых установок. Использование электромоторов не наносит вред экологии и порой существенно удешевляет эксплуатацию судов на электрической тяге.

Как отмечалось ранее в заявляемом моторе за счет конструктивных особенностей статора и ротора интенсивность и эффективность взаимодействия магнитных полей статора и ротора мотора значительно выше по сравнению с существующими на текущий момент решениями в этой области.

На фиг. 10 представлена схема взаимодействия магнитных полей статора и ротора мотора применительно к трем вариантам построения бесколлекторных электрических двигателей постоянного тока с постоянными магнитами:

а) классический бесколлекторный мотор

б) электромотор компании MAGNAX

в) заявляемый электромотор в части аксиальной топологии

Ротор мотора вращается благодаря взаимодействию магнитных полей статора и ротора, которые отталкиваются и притягиваются друг к другу при возникновении магнитного поля. Для упрощения представленная схема иллюстрирует только притяжение магнитов. Тонкими линиями со стрелочками показаны интенсивность и направление магнитного потока, генерируемые обмоткой 3 статора и постоянным магнитом 4 ротора.

В классическом бесколлекторном моторе сердечники 5 обмоток 3 условно представляют собой прямолинейные магнитопроводы, располагающиеся в радиальном направлениии от оси вращения вала мотора. На фиг. 10 в разделе а) иллюстрируется схема взаимодействия магнитного поля прямолинейного сердечника 5 с магнитным полем постоянного магнита 4. Как видно из рисунка при такой схеме расположения сердечника и постоянного магнита 4 осуществляется одностороннее взаимодействие между магнитными потоками, исходящими с одного конца сердечника 5 и с одной аксиальной стороны магнита 4. При этом потери магнитной индукции существенны.

В электромоторе компании MAGNAX учтены недостатки классического бесколлекторного мотора. Здесь в обмотках 3 также используются сердечники прямолинейной формы 5, которые расположены по окружности параллельно оси вращения вала. Сердечники размещаются между двумя роторными дисками с расположенными на них по окружности постоянными магнитами 4. Как видно на фиг. 10 в разделе б) магнитное поле сердечника 5 взаимодействует с постоянными магнитами 4 одновременно с двух концов. Однако результирующий магнитный поток не носит замкнутый характер и также имеет место рассеивание магнитного потока.

В заявляемом электрическом моторе исключены недостатки, присущие рассмотренным выше разновидностям электромотора. Обмотка статора имеет сердечник 5 в виде разветвленного магнитопровода, имеющего несколько магнитных контуров с воздушными зазорами 8, незначительно превышающим толщину магнита. На фиг. 10 в разделе в) иллюстрируется схема взаимодействия магнитных полей разветвленного сердечника 5, имеющего три контура, с магнитными полями постоянных магнитов 4. Сечение сердечника 5 должно соответствовать форме и размеру магнита 4. При прохождении тока по обмотке генерируется магнитное поле, многократно усиленное сердечником. Направление магнитного потока меняется в зависимости от направления тока в обмотке. В месте воздушного зазора 8 сердечника 5 имеет место незначительное рассеивание магнитного потока. На рисунке линиями показаны также интенсивность и направление магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами 4. Как видно постоянный магнит имеет аксиальную направленность магнитного поля. При прохождении постоянного магнита 4 сквозь воздушный зазор 8 сердечника 5 происходит замыкание магнитного потока. При этом сила магнитного потока в контуре сердечника увеличивается многократно. При описанном расположении магнитов ротора и сердечника статора сила притяжения воздействует одновременно на две аксиальные стороны магнита, При этом потери магнитной индукции минимальны. Сила взаимодействия магнитных потоков пропорциональна числу магнитных контуров сердечника.

Техническим результатом описанного выше магнитного взаимодействия является увеличение момента силы тяги заявляемого мотора и повышение его КПД.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – увеличение момента силы тяги и КПД мотора. Бесколлекторный электрический двигатель постоянного тока на постоянных магнитах с аксиальным магнитным потоком содержит ротор, состоящий из вала с нанизанными и зафиксированными на нем на определенном расстоянии друг от друга несколькими шайбовидными кольцами. На плоской поверхности колец имеются мультиплицированные по окружности на равном расстоянии друг от друга выемки или вырезы в соответствии с количеством, размером и формой размещаемых в них постоянных магнитов. Статор имеет сборную модульную конструкцию и представляет собой кольцо из размещенных по окружности однотипных обмоток с сердечниками в виде разветвленных магнитопроводов, имеющих несколько расположенных в ряд магнитных контуров с воздушными зазорами. Количество магнитных контуров и размер воздушных зазоров каждого сердечника соответствуют количеству и толщине роторных колец. Сердечники своей длинномерной прямолинейной частью ориентированы параллельно оси вращения вала и обращены своими зазорами в радиальном направлении к валу двигателя таким образом, чтобы зазоры магнитопроводов образовывали параллельные круговые сквозные воздушные щели по числу магнитных контуров, внутри которых располагаются и вращаются роторные кольца. 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Электрический мотор с аксиальным магнитным потоком, характеризующийся тем, что является бесколлекторным электрическим двигателем постоянного тока на постоянных магнитах, ротор которого представляет собой монолитную или сборную конструкцию, состоящую из вала с нанизанными и зафиксированными на нем на определенном расстоянии друг от друга несколькими шайбовидными кольцами таким образом, чтобы оси колец совпадали с продольной осью вала мотора, причем на плоской поверхности колец имеются мультиплицированные по окружности на равном расстоянии друг от друга выемки или вырезы в соответствии с количеством, размером и формой размещаемых в них постоянных магнитов, а статор имеет сборную модульную конструкцию и представляет собой кольцо из размещенных по окружности однотипных звеньев, представляющих собой обмотки с сердечниками в виде разветвленных магнитопроводов, имеющих несколько расположенных в ряд магнитных контуров с воздушными зазорами, причем количество магнитных контуров и размер воздушных зазоров каждого сердечника соответствуют количеству и толщине роторных колец, при этом сердечники обмоток своей длинномерной прямолинейной частью ориентированы параллельно оси вращения вала, а своими воздушными зазорами обращены в радиальном направлении к продольной оси мотора таким образом, чтобы воздушные зазоры всех собранных по кругу магнитопроводов образовывали параллельные круговые сквозные воздушные щели по числу магнитных контуров, внутри которых располагаются и вращаются роторные кольца.

2. Электромотор по п. 1, характеризующийся тем, что конструктивно допустим вариант исполнения мотора с внешним расположением ротора, отличающийся тем, что ротор мотора представляет собой конструкцию из полого вала, внутри которого размещены и зафиксированы на определенном расстоянии друг от друга несколько шайбовидных колец таким образом, чтобы оси колец совпадали с продольной осью вала мотора, а сердечники статора в этом случае своими воздушными зазорами обращены в радиальном направлении от продольной оси мотора таким образом, чтобы воздушные зазоры всех собранных по кругу сердечников образовывали параллельные круговые сквозные воздушные щели, внутри которых располагаются и вращаются роторные кольца.

3. Электромотор по п. 1, характеризующийся тем, что обмотка звена статора собрана по модульному принципу из отдельных однотипных катушек, каждая из которых нанизывается и фиксируется на зубце сердечника с последующим соединением концов обмоток катушек в единую обмотку сердечника.

4. Электромотор по п. 1, характеризующийся тем, что возможен вариант мотора с полым валом, внутри которого размещается и фиксируется сменный блок, представляющий собой конструкцию из кольцевого трубчатого канала в виде пустотелого цилиндра с размещенными и закрепленными внутри него шнековой спиралью или многолопастным винтом, причем сам блок имеет монолитное исполнение или собирается в единую конструкцию из отдельных модулей.

5. Электромотор по п. 4, характеризующийся тем, что в конструкции мотора, исполненном в водозащищенном варианте, сменный блок используется в качестве водометного движителя.