ВРАЩАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД С МАГНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ С МНОЖЕСТВОМ ОТДЕЛЬНЫХ МАГНИТОВ В ВИДЕ БЛОКОВ Российский патент 2024 года по МПК H02K1/27 H01F7/02 H02K21/24 

Настоящее изобретение относится к магнитной структуре с множеством отдельных магнитов в виде блоков. Изобретение относится также к электромагнитному приводу, содержащему одну или несколько таких магнитных структур.

Настоящее изобретение находит свое предпочтительное, но не ограничительное применение для электромагнитного привода, производящего большую мощность при повышенной скорости вращения ротора, чего достигают за счет использования магнитной структуры или магнитных структур в соответствии с настоящим изобретением. Такой электромагнитный привод можно использовать, например, в полностью электрическом или гибридном автотранспортном средстве.

Предпочтительно, но не ограничительно привод может быть вращающимся приводом, содержащим по меньшей мере один ротор, охваченный двумя статорами, причем эти элементы могут быть расположены друг над другом, будучи разделенными по меньшей мере одним воздушным зазором, на одном и том же валу.

В высокоскоростных вариантах применения необходимо иметь не только компактную систему, получаемую за счет уменьшения массы и габарита электромагнитного привода для оптимального КПД, но также обеспечивать очень высокую механическую прочность вращающейся или поступательно перемещающейся части, то есть ротора или элемента, совершающего линейное поступательное движение, чтобы повысить надежность системы.

В высокоскоростных вариантах применения необходимо снизить потери для оптимального КПД. В применениях для автомобиля все чаще решают задачи миниатюризации. Для этого необходимо иметь компактную систему, получаемую за счет уменьшения массы и габарита привода, а также обеспечивать очень высокую механическую прочность перемещающейся части, чтобы повысить надежность системы.

В случае электромагнитного привода с осевым потоком, как в не ограничительном примере настоящего изобретения, ротор содержит корпус в виде диска, имеющий две круглые стороны, соединенные через толщину, при этом диск ограничен между наружным венцом и внутренней периферией, ограничивающей пространство для вала вращения.

По меньшей мере к одной из двух круглых сторон корпуса, называемой опорной стороной, прилегают по меньшей мере два постоянных магнита. В случае ротора с одним воздушным зазором, предназначенного для объединения со статором, магниты находятся только на одной круглой стороне корпуса, тогда как в случае ротора с двумя воздушными зазорами с соответствующим статором магниты расположены на обеих сторонах.

Магниты удерживаются, каждый, на стороне или на их соответствующей стороне при помощи средств удержания, при этом между упомянутыми по меньшей мере двумя магнитами на одной стороне оставлен промежуток.

В случае электромагнитного привода с радиальным потоком ротор содержит цилиндрический корпус, по контуру которого размещены магниты.

В случае статора или каждого статора на них расположены элементы обмотки, содержащие зубец с выполненной на нем обмоткой, при этом зубец обрамлен на каждой из своих боковых сторон вырезом, при этом на зубце намотан провод из металла с хорошими проводящими свойствами, образуя обмотку.

Когда на ряд или ряды обмоток подают электрическое питание, на ротор, соединенный с выходным валом двигателя, действует крутящий момент, создаваемый магнитным полем, при этом создаваемый магнитный поток является осевым потоком в случае электромагнитной машины с осевым потоком и радиальным потоком в случае машины с радиальным потоком.

В случае двигателя большой мощности ротор вращается с высокими скоростями вращения. Основной недостаток двигателя с высокой скоростью вращения состоит в повышенной вероятности отсоединения магнита или магнитов от ротора, а также по меньшей мере частичной поломки ротора. Следовательно, ротор такого двигателя должен быть выполнен с возможностью выдерживать высокие скорости вращения.

В документе US-А-2011/0285237 раскрыт двигатель с осевым воздушным зазором. Задачей этого решения является упрощение этапов изготовления ротора и одновременное предупреждение смещения или ослабления постоянных магнитов, установленных на этом роторе, во время монтажа и работы ротора. Магниты установлены в монолитной структуре, выполненной в виде литой детали, охватывающей магниты.

Литая деталь имеет пазы, которые разделяют магниты и в которые вставлены ребра, выполненные на корпусе ротора, что позволяет заблокировать литую деталь, не давая ей смещаться в осевом направлении. Радиальное удержание литой детали обеспечивают при помощи концентричных элементов, внутренних и наружных относительно литой детали.

Таким образом, этот документ рассматривает магниты, расположенные в литой детали, и не содержит никаких указаний на магниты, отделенные друг от друга. Кроме того, ребра удерживают магниты только за счет своего действия на литую деталь и, следовательно, не оказывают прямого воздействия на удержание магнитов в роторе.

В документе FR-А-1475501 описаны полюсы постоянных магнитов для системы постоянных магнитов, образованные пучком прямых магнитов круглого или многоугольного сечения, при этом магниты соединены в блоке полюсов при помощи заливаемой смолы или других синтетических материалов.

Однако полюс постоянных магнитов, который можно уподобить структуре отдельных магнитов, не является стабильным при высокой скорости вращения, поскольку постоянные магниты удерживаются только индивидуально при помощи заливаемой смолы. Защита магнитной структуры как единого целого отсутствует.

В документе JP-А-Н10121236 описана трехмерная магнитная структура, состоящая из множества отдельных магнитов. Каждый отдельный магнит выполнен в виде удлиненного блока, имеющего длину, проходящую по толщине структуры, при этом удлиненный блок является цилиндрическим и имеет линию намагничивания, которая проходит вдоль его длины. Отдельные магниты расположены в структуре на расстоянии друг от друга, чтобы быть электрически изолированными друг от друга, при этом длина каждого блока превышает диаметр плоской продольной стороны в случае цилиндрического блока.

В этом документе не раскрыто средство усиления полученной таким образом структуры, которое могло бы защитить ее при высоких скоростях вращения и препятствовать отсоединению отдельных магнитов.

Задачей настоящего изобретения является разработка магнитной структуры для электромагнитного привода, которая может выдерживать высокие рабочие скорости, создавая при этом мощное магнитное поле.

Объектом настоящего изобретения является трехмерная магнитная структура, состоящая из множества отдельных магнитов, при этом магнитная структура имеет толщину, образующую ее наименьший размер, при этом каждый отдельный магнит выполнен в виде удлиненного блока, имеющего длину, проходящую по толщине структуры, при этом удлиненный блок является цилиндрическим или в виде многогранника по меньшей мере с одной плоской продольной стороной, обращенной к рабочей поверхности структуры, при этом удлиненный блок имеет линию намагничивания, которая проходит вдоль его длины, при этом отдельные магниты расположены в структуре на расстоянии друг от друга, чтобы быть электрически изолированными друг от друга, при этом длина каждого блока превышает диаметр плоской продольной стороны в случае цилиндрического блока или наибольшую диагональ, соединяющую две вершины упомянутой продольной стороны, в случае блока в виде многогранника, отличающаяся тем, что магнитная структура содержит слой непроводящего композита, покрывающий отдельные магниты, при этом слой композита ограничивает весь наружный контур магнитной структуры.

Рабочей поверхностью магнитной структуры является поверхность, которая должна находиться напротив обмоток статора в случае вращающегося или линейного электрического привода и от которой начинается магнитное поле.

В соответствии со своим наиболее классическим определением многогранник является трехмерной геометрической формой с плоскими многоугольными гранями, которые пересекаются по сегментам прямой, называемым кромками, например, является прямой или наклонной призмой, кубом или пирамидой. В рамках настоящего изобретения предпочтительным является многогранник, имеющий две противоположные продольные плоские и равные многоугольные поверхности, соединенные прямыми и параллельными кромками, такой как шестиугольный многогранник, хотя этот признак и не является ограничительным, при этом может присутствовать только одна продольная поверхность, при этом вершина находится на другом конце многогранника.

Это позволяет получить магнитную структуру, имеющую множество блоков, образующих отдельные магниты. Как выяснилось, структура с таким множеством отдельных магнитов обладает большой способностью намагничивания и одновременно характеризуется высокой прочностью, при этом магнитная структура имеет слой, предпочтительно из композита, для покрытия отдельных магнитов. Такая магнитная структура может образовать магнитный полюс или может представлять собой полный магнит.

Задачей настоящего изобретения является разделение известной магнитной структуры, которая может быть цельным магнитом или магнитным полюсом, на множество маленьких магнитов или микромагнитов. Крупный магнит подвержен более значительным потерям от токов Фуко, чем его эквивалент из маленьких магнитов или микромагнитов. Использование маленьких магнитов или микромагнитов позволяет, таким образом, уменьшить потери, которые могут отрицательно сказываться на работе электромагнитного привода.

Известно, что для получения магнитного поля оптимальной интенсивности идеальный объем магнита должен приближаться к форме куба или цилиндра, длина которого равна диаметру. Общеизвестно, что увеличение длины магнита сверх этой величины не приводит к увеличению магнитного поля. Однако настоящее изобретение ставит перед собой задачу преодоления этого предубеждения.

Длина отдельного магнита существенно увеличена по сравнению с диаметром или с диагональю его плоской продольной стороны, что идет в разрез с широко распространенной практикой, чтобы удовлетворить потребности в механической прочности структуры.

Согласно изобретению, выяснилось, что множество отдельных магнитов в магнитной структуре позволяет получить магнитную структуру, обладающей намного боле высокой механической прочностью при сохранении магнитных свойств, практически аналогичных свойствам единого магнита, имеющего площадь, равную n-кратной элементарной площади n отдельных магнитов, когда присутствуют n отдельных магнитов.

Слой непроводящего композита, покрывающий отдельные магниты и всю намагниченную структуру, позволяет повысить прочность всего узла. Композит является более предпочтительным, чем железо, чтобы не наводить фиксирующий момент или дополнительные потери.

Кроме того, механическую прочность композитного слоя можно повысить, и покрытие можно легко выполнить посредством нагнетания композита на группу отдельных магнитов, удерживаемых на месте относительно друг друга при помощи любого средства. Это позволяет избежать риска отсоединения магнитов на высоких скоростях вращения.

Предпочтительно отношение площади продольной стороны блока к площади рабочей поверхности структуры меньше 2%.

Это позволяет получить очень большое число блоков на продольной стороне блока, при этом место, занимаемое одним блоком на рабочей поверхности структуры, является очень незначительным.

Предпочтительно каждый блок имеет свою плоскую продольную сторону шестиугольной формы.

Предпочтительно слой композита содержит усилительные волокна, такие как стекловолокна или волокна из пластмассы.

Усилительные волокна в решетчатой структуре позволяют повысить прочность магнитной структуры и, в частности, ее жесткость при прогибе и продольном изгибе.

Предпочтительно структура содержит по меньшей мере одну решетчатую структуру, имеющую множество гнезд для соответствующих отдельных магнитов.

Решетчатая структура остается на месте, будучи тоже покрытой слоем композита. Такая решетчатая структура позволяет удерживать отдельные магниты во время изготовления магнитной структуры и к тому же представляет собой дополнительный элемент упрочнения магнитной структуры, при этом решетчатая структура может тоже содержать усилительные волокна.

Предпочтительно упомянутая по меньшей мере одна решетчатая структура выполнена в виде сотовой системы с гнездами шестиугольного сечения.

Как известно, решетчатая структура в виде сотовой системы повышает прочность элемента, в данном случае магнитной структуры. Отдельные магниты вставлены в шестиугольные гнезда, которые обеспечивают их удержание. Стенки гнезд выполняют роль электрического изолятора, и плотность гнезд в магнитной структуре можно значительно увеличить. Решетчатая структура в виде сотовой системы может быть выполнена из изоляционного композитного материала, усиленного волокнами.

Предпочтительно каждый отдельный магнит приклеен в соответствующем гнезде при помощи усиленной волокнами смолы.

Таким образом, в рамках предпочтительного варианта выполнения слой покрытия из композита, решетчатая структура, охватывающая отдельные магниты, и средства приклеивания магнитов в решетчатой структуре могут быть усилены волокнами. Полученная таким образом магнитная структура имеет очень высокие механические характеристики сопротивления разрыву.

Предпочтительно магнитная структура содержит набор из двух рядов отдельных магнитов, при этом каждый отдельный магнит одного ряда совмещен в направлении своей длины с соответствующим отдельным магнитом другого ряда, будучи соединенным с ним встык.

Каждая пара из двух отдельных магнитов разных рядов, прилегающих друг к другу встык за счет магнитного сродства, ведет себя как более длинный простой магнит.

Предпочтительно структура содержит набор из двух рядов, состоящих по меньшей мере из двух отдельных магнитов, при этом оба ряда наложены друг на друга, при этом между двумя наложенными друг на друга рядами расположен слой композита.

Это позволяет получить структуру, которая может иметь рабочую поверхность на двух противоположных сторонах структуры, причем эту структуру можно использовать в электромагнитном приводе на роторе, охваченном двумя статорами.

Предпочтительно в пространстве между гнездом и отдельным магнитом расположен однослойный или многослойный материал.

Этим материалом может быть пластик, композит, металлический материал покрытия отдельных магнитов, такой как никель или медь. Материал можно нанести на отдельный магнит до его введения в решетчатую структуру, и он является, например, материалом покрытия или может выполнять роль соединения отдельного магнита с соответствующей ячейкой.

Объектом изобретения является также линейный или вращающийся электромагнитный привод, отличающийся тем, что содержит такую отдельную магнитную структуру или несколько магнитных структур, при этом магнитная структура или магнитные структуры образуют прямоугольный узел или являются частью ротора, вращающегося вокруг своего центра, при этом магнитная структура или магнитные структуры расположены концентрично с ротором.

Как было указано выше, магнитные структуры могут образовать магнитные полюсы, или магнитная структура может образовать полный магнит. В случае магнитных полюсов они удерживаются на расстоянии друг от друга перемычками. Ротор для вращающегося электромагнитного привода или поступательно перемещающаяся опора для линейного привода могут быть тоже выполнены из усиленного волокнами композитного материала. В случае магнитных полюсов перемычки могут разделять два смежных полюса.

Предпочтительно, в случае отдельной магнитной структуры, она образует единый магнит, расположенный на приводе, или в случае множества магнитных структур магнитные структуры представляют собой последовательные плитки, образуя последовательные чередующиеся магнитные полюсы.

Предпочтительно, когда привод является приводом с осевым потоком, магнитные структуры выполнены в виде множества последовательных плиток, образуя последовательные чередующиеся магнитные полюсы, при этом магнитные структуры расположены по меньшей мере на одной опоре, содержащей перемычки, ограничивающие между собой гнезда, в каждом из которых размещена соответствующая магнитная структура, при этом упомянутая по меньшей мере одна опора является частью ротора и имеет форму частично полого диска и содержит перемычки, проходящие по существу радиально или с наклоном в радиальном направлении ротора, при этом упомянутая по меньшей мере одна опора в виде диска закрыта по меньшей мере с одной стороны накладным диском, выполняющим роль средства осевого удержания и упрочнения ротора.

Предпочтительно ротор содержит наружный периферический венец, образующий его ребро, при этом на наружном периферическом венце установлен бандаж, позволяющий удерживать магнитные структуры.

Объектом изобретения является также способ изготовления такой магнитной структуры, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

- из намагниченной плитки, имеющей длину, ширину и толщину, образующие три размера плитки, вырезают множество отдельных магнитов по трем размерам намагниченной плитки,

- отдельные магниты позиционируют и удерживают на расстоянии друг от друга,

- вокруг отдельных магнитов наносят слой композита для получения их покрытия.

Как выяснилось, при вырезании по трем размерам и, в частности, по ширине и по длине плитки, отдельные магниты имеют лучшие магнитные свойства по сравнению со свойствами сравнимого участка магнитной плитки.

Позиционирование отдельных магнитов можно осуществлять путем введения магнитов в решетчатую структуру, и в этом случае решетчатая структура является частью магнитной структуры, будучи покрытой слоем композита. В альтернативном варианте позиционирование может быть осуществлено снаружи заготовки магнитной структуры и не принадлежать к конечной покрытой магнитной структуре.

Предпочтительно позиционирование производят путем введения отдельных магнитов в решетчатую структуру и нагнетания композитного слоя вокруг решетчатой структуры.

Это является предпочтительным вариантом осуществления заявленного способа, при этом решетчатая структура остается в магнитной структуре после покрытия слоем композита, при этом решетчатая структура предпочтительно выполнена в виде сотовой системы.

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют не ограничительные примеры и на которых:

Фиг. 1а - схематичный вид стороны ротора, предназначенного для электромагнитного привода с осевым потоком, согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения.

Фиг. 1b - схематичный увеличенный вид части А, выделенной кружком на фиг. 1а.

Фиг. 1с - схематичный увеличенный вид магнитной структуры, состоящей из решетчатой структуры и отдельных магнитов.

Фиг. 2а - схематичный вид в разборе первого варианта выполнения ротора, предназначенного для электромагнитного привода с осевым потоком, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2b - схематичный вид в разборе второго варианта выполнения ротора, предназначенного для электромагнитного привода с осевым потоком, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3 - схематичный вид в разборе варианта выполнения электромагнитного привода с радиальным потоком, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 - схематичный вид в перспективе блока, выполняющего роль отдельного магнита в заявленной магнитной структуре.

Фиг. 5а и 5b - схематичные виды сверху соответственно магнитной структуры, образующей единый магнит, и участка этой магнитной структуры в увеличенном виде.

Фиг. 6а и 6b - схематичные виды соответственно в перспективе и сбоку сотовой системы, которая может образовать решетчатую структуру, окружающую блоки, образующие отдельные магниты в заявленной магнитной структуре.

Фигуры представлены в качестве примеров и не ограничивают изобретение. Они представляют собой принципиальные схематичные виды, предназначенные для облегчения понимания изобретения и не обязательно соответствующие масштабам практических устройств. В частности, размеры различных деталей не соответствуют реальной действительности.

Как показано на всех фигурах и, в частности, на фиг. 4, 5а, 5b, 6a и 6b, а также на других фигурах, где показаны обозначения, отсутствующие на этих первых фигурах, объектом настоящего изобретения является трехмерная магнитная структура 6, состоящая из множества отдельных магнитов 4. Магнитная структура 6 может быть выполнена в виде плитки, имеющей ширину, длину и толщину, при этом толщина представляет собой наименьший размер магнитной структуры 6.

Согласно изобретению, каждый отдельный магнит 4 выполнен в виде удлиненного блока 4, показанного, в частности, на фиг. 4, и имеет длину 4а, проходящую по толщине магнитной структуры 6, как можно заметить на фиг. 6а и 6b. Удлиненный блок 4 может быть цилиндрическим или в виде многогранника по меньшей мере с одной плоской продольной стороной 4b, обращенной к рабочей поверхности магнитной структуры 6, которая является поверхностью, расположенной напротив обмоток во вращающемся или линейном электромагнитном приводе.

Удлиненный блок 4 имеет линию намагничивания, проходящую приблизительно вдоль его длины, при этом отдельные магниты 4 расположены в магнитной структуре 6 на расстоянии друг от друга, чтобы быть электрически изолированными друг от друга.

Длина 4а каждого блока 4 превышает диаметр плоской продольной стороны в случае цилиндрического блока или наибольшую диагональ 4с, соединяющую две вершины упомянутой продольной стороны, в случае блока 4 в виде многогранника. В случае правильной продольной стороны, такой как шестиугольник, все диагонали являются эквивалентными.

Кроме того, отношение площади продольной стороны 4b блока 4 к общей площади рабочей поверхности магнитной структуры 6 может быть меньше 2%, то есть отдельный магнит 4 занимает очень мало места на общей рабочей поверхности магнитной структуры 6. Это позволяет получить очень большое количество блоков 4 на продольной стороне 4b блока 4.

Как показано на фиг. 4, каждый блок 4, образующий отдельный магнит 4, имеет продольную сторону 4b шестиугольной формы. Это позволяет, например, вставить каждый блок 4 в полость сотовой системы, выполняющей роль решетчатой структуры 5а.

Магнитная структура 6 содержит слой из непроводящего композита, покрывающий отдельные магниты 4. Этот композитный слой может ограничивать весь контур магнитной структуры 6.

Предпочтительно композит не содержит железа, чтобы не наводить фиксирующий момент или дополнительные потери.

Слой композита содержит усилительные волокна, такие как стекловолокна или волокна из пластмассы, например, из кевлара или полиамида, или из любой пластмассы, повышающей механическую прочность узла.

В наиболее предпочтительном варианте выполнения магнитная структура 6 может содержать по меньшей мере одну решетчатую структуру 5а, имеющую множество гнезд 5 или ячеек для соответствующих отдельных магнитов 4.

В случае присутствия решетчатой структуры 5а она может оставаться на месте, будучи тоже покрытой слоем композита. Решетчатая структура 5а может тоже содержать усилительные волокна.

Предпочтительно упомянутая по меньшей мере одна решетчатая структура 5а выполнена в виде сотовой системы, имеющей гнезда 5 шестиугольного сечения, что позволяет повысить механическую прочность магнитной структуры 6. Это показано на фиг. 6а и 6b.

На фиг. 6а и 6b решетчатая структура 5а показана отдельно от магнитной структуры 6. Гнезда 5 или ячейки охватывают соответствующий блок 4 не по всей его длине.

Каждый отдельный магнит 4 приклеен в соответствующем гнезде 5 при помощи усиленной волокнами смолы. Например, хотя это и не является ограничительным признаком, отдельные магниты 4 могут быть магнитами из материала неодим-железо-бор или самарий-кобальт или магнитами любого другого типа. Магниты из неодима являются чувствительными к ударам и к кручению и могут легко воспламеняться. При уменьшении их размеров путем разделения настоящее изобретение позволяет избегать всех этих рисков и, в частности, рисков поломки магнитов.

Таким образом, в рамках предпочтительного варианта выполнения изобретения слой покрытия из композита, решетчатая структура 5а, окружающая отдельные магниты 4, и средства приклеивания магнитов в гнездах 5 решетчатой структуры 5а могут быть усилены волокнами. Полученная таким образом магнитная структура 6 имеет очень высокие механические характеристики сопротивления разрыву.

В первом предпочтительном варианте выполнения, не показанном на фигурах, магнитная структура 6 может содержать набор из двух рядов отдельных магнитов 4, при этом каждый отдельный магнит 4 одного ряда может быть совмещен в направлении своей длины с соответствующим отдельным магнитом 4 другого ряда, будучи соединенным с ним встык. Каждая пара из двух отдельных магнитов 4 разных рядов, прилегающих друг к другу встык за счет магнитного сродства, может вести себя как более длинный простой магнит.

Во втором предпочтительном варианте выполнения, не показанном на фигурах, магнитная структура 6 может содержать набор из двух рядов, включающих в себя по меньшей мере два отдельных магнита 4, при этом оба ряда наложены друг на друга, при этом между двумя наложенными друг на друга рядами находится слой композита. Таким образом, оба наложенных друг на друга ряда электрически изолированы друг от друга.

Это позволяет получить магнитную структуру 6, которая может иметь рабочую поверхность на двух противоположных сторонах магнитной структуры 6, причем эту магнитную структуру 6 можно использовать, например, во вращающемся электромагнитном приводе в случае ротора 1, 1а, охваченного двумя статорами. Например, показанные на фиг. 2b два ряда отдельных магнитов 4 каждой магнитной структуры 6, из которых только одна обозначена позицией 6 на этой фигуре, могут образовать магнитные структуры 6 с двумя рядами магнитов, покрытыми одним композитным слоем, при этом один ряд электрически изолирован от другого ряда.

Объектом изобретения является также линейный или вращающийся электромагнитный привод, при этом на фиг. 1а, 2а показан только вращающийся электромагнитный привод. Этот привод может быть приводом с радиальным потоком, с осевым потоком или с комбинацией двух потоков.

Линейный или вращающийся привод содержит одну такую отдельную магнитную структуру 6 или несколько магнитных структур 6, и в этом последнем случае магнитные структуры 6 отделены друг от друга перемычками 3.

Магнитная структура или магнитные структуры 6 могут образовать прямоугольный узел для линейного привода, при этом магнитные структуры 6 расположены с совмещением относительно друг друга. Магнитная структура или магнитные структуры 6 могут быть частью ротора 1, 1а, вращающегося вокруг своего центра в случае вращающегося привода, и в этом случае магнитная структура или магнитные структуры 6 расположены концентрично с ротором 1, 1а.

Ротор 1, 1а в случае вращающегося электромагнитного привода или поступательно перемещающаяся опора в случае линейного привода могут быть тоже выполнены из композитного материала, усиленного волокнами.

Предпочтительно, когда магнитная структура 6 является отдельной, она образует единый магнит, расположенный на приводе. Это показано на фиг. 5а. В случае нескольких магнитных структур 6 они представляют собой последовательные плитки, образующие последовательные чередующиеся магнитные полюсы. Это показано, в частности, на фиг. 2а.

Объектом изобретения является также способ изготовления такой магнитной структуры 6. Способ содержит этап вырезания в намагниченной плитке, имеющей длину, ширину и толщину, образующие три размера плитки, для получения множества отдельных магнитов 4 по трем размерам намагниченной плитки. На следующем этапе осуществляют позиционирование и удержание отдельных магнитов 4 на расстоянии друг от друга, чтобы изолировать их электрически.

Конечный этап является этапом нагнетания слоя композита вокруг отдельных магнитов 4 для их покрытия. Позиционирование можно осуществить путем введения магнитов в решетчатую структуру 5а, и в этом случае решетчатая структура 5а является частью магнитной структуры 6, будучи покрытой слоем композита. В альтернативном варианте позиционирование может быть осуществлено снаружи заготовки магнитной структуры 6 и не принадлежать к конечной покрытой магнитной структуре 6.

Предпочтительно позиционирование производят путем введения отдельных магнитов 4 в решетчатую структуру и нагнетания слоя композита вокруг решетчатой структуры 5а.

На фиг. 1а-1с, 2а, 2b и 3 показан ротор 1, 1а электромагнитного двигателя или генератора, имеющий по меньшей мере одну опору 2, 2а, на которой расположено множество отдельных магнитов 4. Например, можно предусмотреть опору 2, 2а с каждой стороны ротора или внутри ротора в зависимости от того, является ли он ротором с осевым потоком или с радиальным потоком.

Упомянутая по меньшей мере одна опора 2, 2а содержит перемычки 3, 3а, ограничивающие между собой полости, в каждой из которых находится соответствующая магнитная структура 6, которая может состоять из решетчатой структуры 5а, содержащей гнезда или ячейки 5, и из отдельных магнитов 4, при этом каждый отдельный магнит 4 вставлен в соответствующее гнездо или ячейку 5, при этом магнитная структура 6 образует один магнитный полюс или целый магнит. На фиг. 1 с такая магнитная структура 6 показана в увеличенном виде по сравнению с фиг. 1а.

Задачей настоящего изобретения является замена одного или нескольких магнитов большого размера на множество маленьких отдельных магнитов 4. Таким образом, магнитный поток создается множеством маленьких отдельных магнитов 4, число которых может составлять не менее 20 и может превышать 100 и даже больше на одной магнитной структуре 6. Известный ротор мог содержать от 1 до 5 магнитов, тогда как настоящим изобретением предусмотрено намного больше отдельных магнитов 4 небольшого размера. Маленькие отдельные магниты 4 в соответствии с настоящим изобретением могут быть вставлены в соответствующие гнезда или ячейки 5 при помощи робота. В случае ротора среднего размера маленькие отдельные магниты 4 в рамках настоящего изобретения могут иметь размер 4 мм.

В первом предпочтительном варианте выполнения изобретения ротор является ротором с радиальным потоком, то есть предназначен для двигателя или генератора с радиальным потоком. В этом варианте выполнения упомянутая по меньшей мере одна опора 2а имеет цилиндрическую форму и содержит перемычки 3а.

В варианте выполнения, представленном на фиг. 3, где показан электромагнитный привод с радиальным потоком с двумя статорами и одним ротором 1а, ротор 1а с радиальным потоком цилиндрической формы имеет цилиндрическую опору 2а, содержащую разделительные перемычки 3а, которые могут проходить в осевом направлении на цилиндрической опоре 2а. Разделительные перемычки 3а ограничивают в осевом направлении магнитные структуры 6, состоящие из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4. В цилиндрической опоре 2а путем механической обработки могут быть выполнены впадины между разделительными перемычками 3а для размещения магнитных структур 6, состоящих из ячеистой решетчатой структуры 5а и из отдельных магнитов 4.

Бандаж 9а покрывает конец ротора 1а вблизи цилиндрической опоры 2а. Внутри цилиндрической опоры 2а вставлен внутренний покрывающий цилиндр 10, а снаружи цилиндрической опоры 2а на внешней периферии цилиндрической опоры 2а расположен наружный покрывающий цилиндр 15.

Первый статор расположен внутри ротора 1а и содержит внутренний магнитный контур 12 с обмотками 11. Внутренний магнитный контур 12 закрыт внутренним покрывающим цилиндром 10.

Второй статор расположен снаружи ротора 1а, охватывая его, и содержит наружный магнитный контур 14, имеющий внутренние обмотки 13. Наружный покрывающий цилиндр 15 расположен между обмотками 13 и наружным магнитным контуром 14. Узел из ротора 1а и двух статоров закрыт картером 16.

В другом варианте выполнения, не показанном на фиг. 3, перемычки могут быть выполнены в виде колец, следующих друг за другом с промежутками в осевом направлении цилиндрической опоры. Последовательные перемычки могут выступать в радиальном направлении на периферии упомянутой по меньшей мере одной опоры. В упомянутой по меньшей мере одной цилиндрической опоре путем механической обработки могут быть выполнены впадины, чтобы образовать между двумя последовательными перемычками гнездо для размещения узла, состоящего из решетчатой структуры и отдельных магнитов.

Магнитные структуры 6, состоящие из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4, используемые в случае цилиндрической опоры, могут быть выполнены, каждая, в виде замкнутого кольца или в виде плиток, расположенных на расстоянии друг от друга. Расположение статоров и возможных покрывающих цилиндров или концевого бандажа в приводе с радиальным потоком в этом другом варианте может быть аналогичным тому, что показано на фиг. 3. Этот другой вариант выполнения не является предпочтительным.

Во втором предпочтительном варианте выполнения изобретения ротор является ротором с осевым потоком, то есть предназначен для двигателя или генератора с осевым потоком. В этом варианте выполнения упомянутая по меньшей мере одна опора 2, 2а выполнена в виде диска и частично полой и содержит перемычки 3, 3а, проходящие по существу радиально или с наклоном в радиальном направлении между внутренним контуром 18, ограничивающим внутри проход для вала вращения ротора 1, и наружным венцом 17 опоры 2, образующим наружный венец опоры 2. Это показано на фиг. 1а, 1b, 2a и 2b.

Перемычки 3, 3а могут быть наклонены относительно вала вращения ротора наподобие лопастей воздушного винта и могут иметь ширину, увеличивающуюся по мере удаления от центра опоры.

Наружный контур может иметь края, изогнутые радиально внутрь опоры 2, образуя осевые упоры для концевых участков магнитных структур 6, состоящих из ячеистой решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4, вставленных в наружный контур 17.

В этом втором варианте выполнения упомянутая по меньшей мере одна опора 2а в виде диска может быть закрыта по меньшей мере с одной стороны накладным диском 8, выполняющим роль средства осевого удержания для упрочнения ротора. Это можно осуществить на двух противоположных сторонах при помощи соответствующего накладного диска 8.

В этом втором варианте выполнения ротор 1, 1а может иметь наружный периферический венец (кольцо), образующий его край, при этом бандаж 9 выполнен на наружном периферическом венце 17, обеспечивая удержание отдельных магнитов 4 при воздействии центробежной силы.

В этом втором варианте выполнения каждая магнитная структура 6, состоящая из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4, может содержать сквозные или не сквозные гнезда или ячейки 5 на каждой стороне опоры 2а в виде диска. Следовательно, каждый из отдельных магнитов 4, вставленный в соответствующее гнездо или ячейку 5, может выходить на каждую сторону опоры 2а в виде диска.

На фиг. 2а показаны перемычки 3, разделяющие две смежные магнитные структуры 6.

Как показано на фиг. 2b, по меньшей мере две магнитные структуры 6, состоящие из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4 и образующие по существу венец, могут быть разделены стенкой 19 посередине опоры 2 в виде диска. Магнитные структуры 6 могут представлять собой монолитные диски или могут быть разделены перемычками 3а.

Все что следует ниже, действительно для обоих предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения.

Магнитные структуры 6, состоящие, каждая, из решетчатой структуры 5а и отдельных магнитов 4, могут быть соединены с упомянутой по меньшей мере одной опорой 2, 2а при помощи средств соединения на основе железосодержащих материалов, синтетических материалов или композитов.

Средства соединения могут быть неотъемлемой частью ротора и/или могут быть присоединены к ротору. Присоединяемые детали могут быть закреплены при помощи сварки, винтов, заклепок или посредством защелкивания на роторе 1, 1а. Можно предусмотреть средства соединения между каждым отдельным магнитом 4 и его соответствующим гнездом или ячейкой 5 на внутренней стороне разделительных стенок 19 внутри гнезда или ячейки 5, которые ограничивают это гнездо или ячейку относительно смежных гнезд или ячеек 5.

В каждой магнитной структуре 6, образованной ячеистой решетчатой структурой 5а и отдельными магнитами 4, гнезда или ячейки 5 могут быть ограничены разделительными стенками 19, при этом каждый отдельный магнит 4 закреплен в своем соответствующем гнезде или ячейке 5 при помощи смолы, клея или посредством сварки.

Отдельные магниты 4 и их соответствующие гнезда или ячейки 5 могут иметь разную форму, и их полюсы могут быть ориентированы в параллельных или расходящихся направлениях. Например, размеры гнезд или ячеек 5 могут различаться от одного гнезда или ячейки 5 к другому. Гнезда или ячейки 5 не обязательно должны иметь шестиугольную форму, хотя это и является предпочтительным признаком.

Электромагнитный привод может содержать по меньшей мере один статор, на котором выполнена по меньшей мере одна обмотка, и может иметь один или несколько воздушных зазоров между упомянутым по меньшей мере одним ротором и упомянутым по меньшей мере одним статором в случае одного или нескольких статоров с обмотками.

Каждый статор может содержать магнитный контур, связанный с обмоткой. Статор может иметь зубцы или открытые или закрытые вырезы. Электромагнитный двигатель или генератор может быть защищен каркасом. Статоры могут быть соединены последовательно или параллельно. Смещение статора в угловом направлении относительно другого статора в сочетании с формой вырезов и с формой отдельных магнитов 4 позволяет уменьшить изменение крутящего момента и фиксирующий момент.

Привод, который может быть электромагнитным двигателем или генератором, может работать с очень высокими скоростями с редуктором для повышения скорости вращения или без него. Двигатель или генератор может содержать по меньшей мере два статора, соединенные последовательно или параллельно, или по меньшей мере два ротора.

Ротор может содержать вал вращения, расположенный перпендикулярно к круглым сторонам ротора 1, 1а, проходя через оба статора. Ротор 1, 1а может быть установлен по меньшей мере на двух подшипниках качения, при этом каждый подшипник связан с соответствующим статором, для обеспечения своего вращения относительно статоров.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении прочности магнитной структуры электромагнитного привода и, в частности, жесткости, уменьшении потерь. Вращающийся электромагнитный привод с осевым магнитным потоком содержит по меньшей мере одну магнитную структуру, состоящую из множества отдельных магнитов (4). Магнитная структура (6) образует последовательный блок, служащий в качестве магнитного полюса и расположенный в пределах по меньшей мере одной опоры (2), принадлежащей частично полому дискообразному ротору (1). По меньшей мере одна магнитная структура (6) имеет толщину, образующую ее наименьший размер, при этом каждый отдельный магнит выполнен в виде удлиненного блока (4), имеющего длину (4а), проходящую по толщине упомянутой по меньшей мере одной магнитной структуры (6). Удлиненный блок (4) является цилиндрическим или в виде многогранника по меньшей мере с одной плоской продольной стороной (4b), обращенной к рабочей поверхности упомянутой по меньшей мере одной магнитной структуры (6). Удлиненный блок (4) имеет линию намагничивания, которая проходит вдоль его длины. Отдельные магниты (4) расположены в упомянутой по меньшей мере одной магнитной структуре (6) на расстоянии друг от друга так, чтобы быть электрически изолированными друг от друга. По меньшей мере одна магнитная структура (6) содержит непроводящий композитный слой, покрывающий отдельные магниты (4). Композитный слой ограничивает весь наружный контур упомянутой по меньшей мере одной магнитной структуры (6). Длина (4а) каждого блока (4) превышает диаметр плоской продольной стороны в случае цилиндрического блока или наибольшую диагональ (4с), соединяющую две вершины упомянутой продольной стороны (4b), в случае блока (4) в виде многогранника. По меньшей мере одна опора (2) закрыта по меньшей мере с одной стороны накладным диском (8), выполняющим роль средства осевого удержания для упрочнения ротора (1). 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Вращающийся электромагнитный привод с осевым магнитным потоком, содержащий по меньшей мере одну магнитную структуру, состоящую из множества отдельных магнитов (4), при этом упомянутая магнитная структура (6) образует последовательный блок, служащий в качестве магнитного полюса и расположенный в пределах по меньшей мере одной опоры (2), принадлежащей частично полому дискообразному ротору (1), упомянутая по меньшей мере одна магнитная структура (6) имеет толщину, образующую ее наименьший размер, при этом каждый отдельный магнит выполнен в виде удлиненного блока (4), имеющего длину (4а), проходящую по толщине упомянутой по меньшей мере одной магнитной структуры (6), при этом удлиненный блок (4) является цилиндрическим или в виде многогранника по меньшей мере с одной плоской продольной стороной (4b), обращенной к рабочей поверхности упомянутой по меньшей мере одной магнитной структуры (6), при этом удлиненный блок (4) имеет линию намагничивания, которая проходит вдоль его длины, при этом отдельные магниты (4) расположены в упомянутой по меньшей мере одной магнитной структуре (6) на расстоянии друг от друга, чтобы быть электрически изолированными друг от друга, причем упомянутая по меньшей мере одна магнитная структура (6) содержит непроводящий композитный слой, покрывающий отдельные магниты (4), при этом композитный слой ограничивает весь наружный контур упомянутой по меньшей мере одной магнитной структуры (6), отличающийся тем, что длина (4а) каждого блока (4) превышает диаметр плоской продольной стороны в случае цилиндрического блока или наибольшую диагональ (4с), соединяющую две вершины упомянутой продольной стороны (4b), в случае блока (4) в виде многогранника, причем упомянутая по меньшей мере одна опора (2) закрыта по меньшей мере с одной стороны накладным диском (8), выполняющим роль средства осевого удержания для упрочнения ротора (1).

2. Электромагнитный привод по п. 1, в котором в случае единичной магнитной структуры упомянутая по меньшей мере одна магнитная структура (6) образует отдельный магнит, расположенный на приводе, или в случае множества магнитных структур магнитные структуры (6) состоят из последовательных плиток, образуя последовательные чередующиеся магнитные полюсы.

3. Электромагнитный привод по п. 2, в котором магнитные структуры (6) представляют собой множество магнитных структур и расположены в пределах упомянутой по меньшей мере одной опоры (2), содержащей перемычки (3, 3а), ограничивающие между собой гнезда, в каждом из которых размещена соответствующая магнитная структура (6), при этом перемычки (3) проходят по существу радиально или с наклоном в радиальном направлении ротора (1).

4. Электромагнитный привод по предыдущему пункту, в котором ротор (1) содержит наружный периферический венец (17), образующий его концевой участок, при этом бандаж (9), сформированный на наружном периферическом венце (17), позволяет удерживать магнитные структуры (6).

5. Электромагнитный привод по любому из предыдущих пунктов, в котором отношение площади продольной стороны (4b) блока (4) к рабочей поверхности упомянутой по меньшей мере одной магнитной структуры (6) меньше 2%.

6. Электромагнитный привод по любому из предыдущих пунктов, в котором каждый блок (4) имеет свою плоскую продольную сторону (4b) шестиугольной формы.

7. Электромагнитный привод по любому из предыдущих пунктов, в котором композитный слой содержит усилительные волокна, такие как стекловолокна или волокна из пластмассы.

8. Электромагнитный привод по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутая по меньшей мере одна магнитная структура (6) содержит по меньшей мере одну решетчатую структуру (5а), имеющую множество гнезд (5) для соответствующих отдельных магнитов (4).

9. Электромагнитный привод по предыдущему пункту, в котором упомянутая по меньшей мере одна решетчатая структура (5а) выполнена в виде сотовой системы с гнездами (5) шестиугольного сечения.

10. Электромагнитный привод по любому из двух предыдущих пунктов, в котором каждый отдельный магнит (4) приклеен в соответствующем гнезде (5) при помощи усиленной волокнами смолы.

11. Электромагнитный привод по любому из предыдущих пунктов, содержащий набор из двух рядов отдельных магнитов (4), при этом каждый отдельный магнит (4) одного ряда совмещен в направлении своей длины с соответствующим отдельным магнитом (4) другого ряда, будучи размещенным с ним встык.

12. Электромагнитный привод по любому из предыдущих пунктов, содержащий набор из двух рядов, состоящих по меньшей мере из двух отдельных магнитов (4), при этом оба ряда наложены друг на друга, при этом между двумя наложенными друг на друга рядами расположен композитный слой.

13. Электромагнитный привод по любому из предыдущих пунктов, в котором в пространство между гнездом (5) и отдельным магнитом (4) введен однослойный или многослойный материал.

14. Способ изготовления магнитной структуры (6), принадлежащей электромагнитному приводу по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

– из магнитной плитки, имеющей длину, ширину и толщину, образующие три размера плитки, вырезают несколько отдельных магнитов (4) по трем размерам магнитной плитки,

– отдельные магниты (4) позиционируют и удерживают на расстоянии друг от друга, причем позиционирование выполняют посредством введения отдельных магнитов в решетчатую структуру (5а) и нанесения композитного слоя вокруг решетчатой структуры (5а),

– вокруг отдельных магнитов (4) наносят композитный слой для получения их покрытия, при этом композитный слой ограничивает весь наружный контур магнитной структуры (6).