Электрическая машина с поперечным магнитным потоком Российский патент 2024 года по МПК H02K21/12 H02K1/27 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, а именно к синхронным электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов и поперечным магнитным потоком. Основная область применения изобретения: источник энергии для снабжения потребителей ветровых электростанций(прямой привод ветротурбины с переменной скоростью вращения), а также тяговый электропривод (мотор-колесо).

Суть технической проблемы, решаемой заявляемым изобретением, заключается в следующем.

Объектом исследования является магнитоэлектрическая машина с поперечным потоком, которая включает в себя статор, содержащий ферромагнитные сердечники в форме подковы, ориентированные таким образом, что магнитный поток, который циркулирует внутри этих сердечников, направлен в основном перпендикулярно оси вращения ротора. Основное отличие электрической машины с поперечным магнитным потоком от машины с продольным потоком (радиальным, тангенциальным и аксиальным) заключается в том, что в структуре этой машины электрическая и магнитная цепи не связаны, а разъединены, что позволяет увеличить пространство для обмоток без уменьшения доступного пространства для основного магнитного потока и изготовить машину с очень малым полюсным делением по сравнению с другими машинами. Перпендикулярная ориентация магнитного потока в сердечниках статора относительно направления вращения придает электрическим машинам с поперечным потоком высокое отношение механического крутящего момента к единице веса электрической машины. Кроме того, в машине с поперечным потоком низкое значение отношения активной массы к крутящему моменту обусловлено конструкцией обмотки, практически не имеющей неактивных частей.

Однако машина с поперечным потоком имеет такие недостатки, как сложная конструкция, трудности производства из-за большого количества отдельных деталей (сердечников и магнитов) и специальных методов изготовления и сборки, а также низкий коэффициент мощности, большие потоки рассеяния магнитного потока и высокое значение зубцового момента.

Машины с поперечным потоком с возбуждением от постоянных магнитов известны. Их конструкции различаются направлением потока по радиальному или осевому воздушному зазору, формой сердечника (U-образный, Сообразный, Е-образный и Z-образный), топологией внутреннего или внешнего ротора, активной или пассивнойконструкцией статора, расположением постоянных магнитов, однооборотной или двухоборотной фазной обмоткой, двойной или одинарной конструкцией статора и т.д. Как правило, в большинстве конструкций используются ферромагнитные шунты для уменьшения потоков рассеяния, см. патент ЕР 3080895, патент US 8053944, в которых машина выполнена со статором, в целом выровненным с плоскостью вращения ротора (конфигурация с аксиальным зазором), либо машина выполнена со статором, повернутым на 90 градусов по отношению к плоскости вращения ротора (конфигурация с радиальным зазором). Постоянные магниты могут быть выполнены с "поверхностным" намагничиванием или с концентрированным потоком. В первом варианте постоянные магниты намагничены в направлении, перпендикулярном направлению вращения, во втором постоянные магниты имеют направление намагничивания, параллельное вращению. Вариант с концентрированным потоком позволяет реализовать большую плотность вращающего момента.

Патент US 9559558 представляет вариант осуществления 3-фазной электрической машины с поперечным потоком, который включает в себя множество фазовых модулей, приспособленных для осевого крепления вместе со множеством крепежных элементов. Фазовые модули по существу идентичны и взаимозаменяемы и включают роторные блоки и блоки статора, каждый из которых выполнен в виде полного кольца и снабжен связанной с ним обмоткой. Обмотка статора состоит из двух отдельных (обычных) кольцевых катушек, токи в которых имеют противоположное направление. Каждая пара смежных в осевом направлении фазовых модулей приспособлена для углового расположения относительно друг друга для задания фазового сдвига, обычно устанавливаемого примерно на 120° между соседними фазовыми модулями для обеспечения трехфазного симметричного электрического тока. Предложены и другие решения, например, патенты WO 2011033106 и ЕР 2317633.

Изначально традиционная конструкция машины с поперечным магнитным потоком имеет ротор с постоянными магнитами переменной полярности, прикрепленными к стержням из магнитного материала, которые служат магнитными обратными проводниками. Статор состоит из U-образных статорных элементов из магнитного материала, количество которого равно половине количества магнитов. Обмотка статора выполнена в виде кольцевой обмотки. В патенте US 5117142 уже предложена новая конструкция, которая имеет в два раза больше статорных элементов в пределах того же объема, что и традиционная и, следовательно, плотность мощности на единицу объема повышается в два раза для того же количества материала с постоянными магнитами. Вторая конструкция имеет более высокий КПД, поскольку потери меди у конструкций одинаковы. Чередующиеся элементы статора имеют одинаковую форму, несимметричную относительно оси намагничивания постоянного магнита, и при чередовании, но поочередно, поворачиваются 180° относительно оси постоянного магнита. Недостаток конструкции заключается в увеличении осевого размера машины.

Однако большее распространение получила конструкция с расположением дискового ротора с постоянными магнитами между двухсторонним статором с одинаковыми симметричными элементами, например, патенты US 11296585; US 20210075276. Подробные исследования можно посмотреть в статье Т. Husain, I. Hasan, and Y. Sozer. Design Considerations of a Transverse Flux Machine for Direct-Drive Wind Turbine Applications. ConferencePaper NREL/CP-5D00-66391, January 20.

К недостаткам применения двухстороннего статора следует отнести в первую очередь увеличение аксиального габаритного размера машины вдвое, а также объема постоянных магнитов.

В статье А.М. Ajamloo, R. Nasiri-Zarandi, A. Ghaheri.Design and Optimization of a New TFPM Generator with Improved Torque Profile.The 34thInternationalPowerSystemConference (PSC2019) 9-11 December, NirooResearchlnstitute, Tehran, 1 гапротор выполнен с концентрацией потока и имеет кольцевой постоянный магнит, части статора идентичной конфигурации, но обращены в осевом направлении относительно соседних деталей, якорь имеет две обмотки, в которых индуктируются ЭДС от потоков четных и нечетных полюсов и которые соединены встречно.

Известна электрическая машина с поперечным потоком по патенту РФ 2797363, содержащая статор, катушку и ротор, который взаимодействует со статором как переключающее устройство, а также совокупность концентраторов потока, чередующихся с магнитами, характеризуется тем, что геометрические размеры ширины магнитов b_m и полюсного деления ротора τ для конструкции электрической машины, как с аксиальным, так и радиальным воздушным зазором, выбраны таким образом, что отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора равно 0,4 (b_m/τ=0,4). Данная электрическая машина может быть выполнена в виде многофазного устройства. Статор этой электрической машины может быть расположен внутри ротора.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.

В данной электрической машине обеспечивается возможность существенно повысить значение коэффициента мощности электрической машины с поперечным потоком, что, в свою очередь, позволяет снизить значение номинального тока и потери в меди обмотки, повысить КПД и вращающий момент машины.

В то же время недостатками прототипа является то, что при двухстороннем расположении статора сохраняется основной недостаток подобных электрических машин, который заключается в увеличении аксиального габарита машины. Вместе с тем, магнитоэлектрические синхронные машины с поперечным потоком выполняются с малым полюсным делением и большим числом полюсов, что определяет относительно большой диаметр. Следовательно, ограничения по радиальному направлению значительно меньше, чем по аксиальному.

Задачей заявляемого изобретения является создание электрической машины с поперечным магнитным потоком, обладающей повышенным коэффициентом мощности и имеющей минимальный объем за счет сокращения аксиального размера.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков,достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению электрическая машина с поперечным магнитным потоком, содержащая статор, катушку и ротор, который взаимодействует со статором как переключающее устройство, а также совокупность концентраторов потока, чередующихся с магнитами, при этом геометрические размеры ширины магнитов b_m и полюсного деления ротора τ для конструкции электрической машины с аксиальным воздушным зазором выбраны таким образом, что отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора равно 0,4 (b_m/τ=0,4), отличается тем, что ротор включает в себя два набора концентраторов потока, чередующихся с магнитами и размещенных по радиусу ротора, а статор расположен с одной стороны ротора и имеет две соединенные встречно обмотки и два набора зубцов, причем общее число зубцов статора равно числу полюсов машины.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием дополнительного факультативного признака, а именно:

- электрическая машина может быть выполнена в виде многофазного устройства.

Заявленная нами совокупность существенных признаков электрической машины обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в том, что ротор включает в себя два набора концентраторов потока, чередующихся с магнитами и размещенных по радиусу ротора, а статор расположен с одной стороны ротора и имеет две соединенные встречно обмотки и два набора зубцов, причем общее число зубцов статора равно числу полюсов машины, недостижимого при использовании любого известного аналога и неочевидного для специалиста в этой области техники.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг.1 представлены различные конфигурации магнитопроводов статора при двухстороннем расположении статора: а - по патенту US 5117142, б - по патенту US 11296585, в - по статье А. М. Ajamlo, на фиг. 2 - конфигурация магнитопроводов заявленной электрической машины с односторонним расположением статора при равенстве числа полюсов и зубцов статора: а - аксиальная проекция, б - радиальная проекция.

На фиг. 1 и фиг. 2 позициями обозначены: 1 - постоянные магниты, 2 - магнитопровод ротора, 3 - магнитопровод статора, 4а и 4б - обмотки; стрелками обозначены пути магнитного потока.

Ротор заявленной электрической машины включает в себя два набора концентраторов потока, чередующихся с магнитами и размещенных по радиусу ротора. Статор расположен с одной стороны ротора и имеет два набора зубцов. Нечетные зубцы статора связаны снаружным набором концентраторов потокаротора, а четные зубцы статора связаны с внутренним набором концентраторов потока ротора, причем общее число зубцов статора равно числу полюсов машины. Четные и нечетные наборов зубцов статора имеют собственную обмотку. Поскольку распределение потокосцепления является четой функцией, то ряд Фурье содержит только косинусы, каждый член ряда является периодической функцией с периодом 2π. Четные и нечетные наборы зубцов статора сдвинуты друг относительно друга на величину к, поэтому две обмотки соединены встречно.

Заявленная электрическая машина с поперечным магнитным потоком сконструирована таким образом, что магнитный поток перпендикулярен направлению вращения ротора и создается двумя наборами концентраторов потока, чередующихся с магнитами и размещенных по радиусу ротора. Через воздушный зазормагнитный поток попадает на два набора зубцов статора, расположенных на одной стороне ротора, и индуктирует ЭДС в кольцевой обмотке каждого набора. Общее число зубцов статора равно числу полюсов машины. Наборы зубцов статора сдвинуты друг относительно друга на величину π, поэтому их обмотки соединены встречно. При соединении обмоток учтено, что наборы зубцов статора расположены на различных расчетных диаметрах. При выполнении условия отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора равно 0,4 (b_m/τ=0,4), на меньшем диаметре будет меньше ширина магнита и меньший магнитный поток. Для получения одинаковых ЭДС в обмотках для обмотки, расположенной на меньшем диметре, соответственно должно быть увеличено число витков. Расчеты показывают, что это условие выполнимо и обмотки обладают практически идентичными внешними характеристиками.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к магнитоэлектрическим машинам с поперечным магнитным потоком. Технический результат – повышение коэффициента мощности электрической машины с поперечным потоком, снижение номинального тока и потерь в меди обмотки, повышение КПД и вращающего момента машины. Электрическая машина характеризуется тем, что геометрические размеры ширины магнитов b_m и полюсного деления ротора τ для конструкции электрической машины с аксиальным воздушным зазором выбраны таким образом, что отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора равно 0,4 (b_m/τ=0,4). Статор расположен с одной стороны ротора. Ротор включает в себя два набора концентраторов потока, чередующихся с магнитами и размещенных по радиусу ротора, а статор расположен с одной стороны ротора и имеет две соединенные встречно обмотки и два набора зубцов. Общее число зубцов статора равно числу полюсов машины. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрическая машина с поперечным магнитным потоком, содержащая статор, катушку и ротор, который взаимодействует со статором как переключающее устройство, а также совокупность концентраторов потока, чередующихся с магнитами, при этом геометрические размеры ширины магнитов b_m и полюсного деления ротора τ для конструкции электрической машины с аксиальным воздушным зазором выбраны таким образом, что отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора равно 0,4 (b_m/τ=0,4), отличающаяся тем, что ротор включает в себя два набора концентраторов потока, чередующихся с магнитами и размещенных по радиусу ротора, а статор расположен с одной стороны ротора и имеет две соединенные встречно обмотки и два набора зубцов, причем общее число зубцов статора равно числу полюсов машины.

2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде многофазного устройства.