МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2024 года по МПК H02K41/03 H02K33/16 H02K1/2792 

Изобретение относится к электротехнике, к линейным электрическим машинам. Устройство может использоваться, в частности, в кольцевых электродвигателях-маховиках большого радиуса, применяемых для систем ориентации и стабилизации космических аппаратов, где радиус кольца R намного больше величины полюсного деления магнитоэлектрической машины.

Известен Электромеханический преобразователь (Патент РФ №2302692, МПК Н02К 19/10), содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов - магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная, отличающийся тем, что число полюсов 2⋅р, число пар полюсов р, число сердечников статора Z и число катушечных групп в фазе d связаны соотношениями:

где: l=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5… - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом, если l - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при l - отличном от целого числа на 0.5 и d равно четному числу (2, 4, 6…) обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно и

и при этом

Недостатком аналога является большой объем при недостаточном электромагнитном моменте, или недостаточной тангенциальной электромагнитной силе.

Известна принятая за прототип Электрическая машина с ротором, созданным по схеме Хальбаха (патент РФ №2771993, МПК Н02К 1/27 и др.), содержащая узел обмотки статора, состоящий из множества катушек, и ротор, включающий в себя множество внешних магнитов, выполненных в виде внешнего кольца Хальбаха, окружающий обмотку в сборе; корпус внешних магнитов, соединенный с множеством внешних магнитов, причем корпус внешних магнитов окружает множество внешних магнитов; множество внутренних магнитов, выполненных в виде внутреннего кольца Хальбаха, при чем, обмотка расположена между множеством внутренних магнитов и множеством внешних магнитов; корпус внутренних магнитов, соединенный с множеством внутренних магнитов; выходной вал, соединенный с внутренним корпусом магнитов, направление намагниченности на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха согласованы так, чтобы магнитный поток, созданный постоянными магнитами внутреннего и внешнего колец, складывался; с внешней стороны внешнего кольца Хальбаха расположено ярмо из ферромагнитного материала, с внутренней стороны внутреннего кольца Хальбаха расположено ярмо из ферромагнитного материала, магниты закреплены на ярмах, отличающееся тем, что внешнее кольцо Хальбаха ротора собрано из магнитов с цикличным повторением следующей последовательности направления вектора намагниченности постоянных магнитов (на их торцевой поверхности): под 45° во внешнем направлении по часовой стрелке по отношению к касательной; тангенциально, по часовой стрелке; под 45° в направлении во внутрь по часовой стрелке по отношению к касательной; радиально к центру; под 45° в направлении во внутрь против часовой стрелки по отношению к касательной; тангенциально, против часовой стрелки; под 45° во внешнем направлении против часовой стрелки по отношению к касательной; радиально от центра; во внутреннем кольце Хальбаха циклично повторяются следующие направления вектора намагниченности: под 45° во внешнем направлении против часовой стрелки по отношению к касательной; тангенциально, против часовой стрелки; под 45° в направлении во внутрь против часовой стрелки по отношению к касательной; радиально к центру; под 45° в направлении во внутрь по часовой стрелке по отношению к касательной; тангенциально, по часовой стрелке; под 45° во внешнем направлении по часовой стрелке по отношению к касательной; радиально от центра, ширина постоянного магнита b_m-rad с радиальным направлением намагниченности должна составлять половину полюсного деления τ:

а ширина постоянного магнита с нерадиальным направлением намагниченности должна составлять:

обмотка статора расположена на ферромагнитных зубцах, между которыми размещены датчики положения ротора.

Недостатком прототипа является неоптимально выбранные размеры постоянных магнитов. Эти размеры не обеспечивают максимума тангенциальной электромагнитной силы, отнесенной к удвоенному полюсному делению.

Целью настоящего изобретения является создание магнитоэлектрической машины, обеспечивающей максимум осевой электромагнитной силы, отнесенной к удвоенному полюсному делению.

Техническим результатом настоящего изобретения является магнитоэлектрическая машина, имеющая максимальную осевую электромагнитную силу, отнесенную к удвоенному полюсному делению F/{2τ), за счет выбора оптимального значения полюсного деления τ и высоты постоянных магнитов h_M, у которой ширины всех постоянных магнитов в сборке Хальбаха одинаковы для верхнего и нижнего индукторов.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1-4.

На фигуре 1 изображен фрагмент активной части магнитоэлектрической машины. А на фигуре 2 показано торцевое исполнение магнитоэлектрической машины, замкнутой в кольцо с числом полюсов 2р=48. Постоянные магниты верхнего 1 и нижнего 2 индукторов ротора прикреплены к ярмам 3. Направление движения ротора отмечено стрелкой 4. Верхний индуктор ротора собран из постоянных магнитов с цикличным повторением следующей известной последовательности Хальбаха изменения углов вектора намагниченности постоянных магнитов: 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°, где углы измеряются от направления движения ротора по часовой стрелке. Нижний индуктор ротора собран из постоянных магнитов с цикличным повторением следующей известной последовательности Хальбаха изменения углов вектора намагниченности постоянных магнитов: 0°, 315°, 270°, 225°, 180°, 135°, 90°, 45°. Направление намагниченности на внутренней и наружной сборках Хальбаха согласованы так, чтобы магнитный поток, созданный постоянными магнитами внутреннего и внешнего сборок Хальбаха, складывался. Эти сборки также объединены между собой механически.

Вышеупомянутые направления намагниченности повторяются циклично. Число циклов равно числу пар полюсов ротора. Направление векторов намагниченности постоянных магнитов показано на фиг. 1 стрелками.

Магнитный поток каждого постоянного магнита 1 и 2 проходит через воздушный зазор, и сцеплен с обмотками фаз статора 5 (темные катушки), 6 (серые катушки) и 7 (светлые катушки). За счет вышеописанной последовательности чередования вектора намагниченности постоянных магнитов, магнитный поток не выходит за внешние пределы верхнего индуктора 1 и не попадает ниже нижнего индуктора 2. Поэтому наличие магнитного материала для ярем 3 ротора не требуется. Ярма 3 нужны только для крепления постоянных магнитов. Ярма 3 изготовлены из конструкционного материала. Для снижения добавочных потерь он должен быть немагнитным и неэлектропроводным.

Магнитоэлектрическая машина работает следующим образом (фиг. 1). В двигательном режиме на зажимы обмотки каждой фазы 5, 6, 7 обмотки статора подается переменное напряжение, по обмотке протекает ток, вызывая перемещающуюся магнитодвижущую силу (МДС) статора. При протекании электрического тока по обмотке статора происходит силовое взаимодействие магнитного потока обмотки с магнитным потоком постоянных магнитов верхнего 1 и нижнего 2 индукторов. Перемещаясь, волна МДС статора увлекает за собой постоянные магниты, создавая осевую электромагнитную силу, направление которой определяет направление движения ротора 4. Магнитный поток постоянных магнитов перемещается от одной катушки статора к следующей, при этом наводит электродвижущую силу (ЭДС) в проводниках обмотки статора. Величина ЭДС обусловлена величиной магнитного потока и частотой вращения ротора. При движении ротора с ускорением (замедлением) магнитоэлектрическая машина будет способствовать повороту или стабилизации космического аппарата, на борту которого она расположена.

В режиме генератора ротор магнитоэлектрической машины приводится в движение внешним воздействием. Поле постоянных магнитов индукторов 1 и 2, перемещается, пересекает проводники обмоток фаз 5, 6, 7 статора, в которых наводится ЭДС. Если цепь нагрузки замкнута, например, на балластный резистор, то по обмотке протекает ток.

В качестве примера на фигуре 1 изображена магнитоэлектрическая машина с числом фаз m=3 и числом катушек на полюс и фазу q=1.

Осевая электромагнитная сила, действующая на ротор магнитоэлектрической машины, согласно фиг. 1, становится тангенциальной силой, создающей электромагнитный момент магнитоэлектрической машины, согласно фиг. 2. На фиг. 2 штрих-пунктирной линией показана ось вращения ротора магнитоэлектрической машины в кольцевом торцевом исполнении.

Для достижения технического результата - выявления магнитоэлектрической машины, имеющей максимальную осевую электромагнитную силу, отнесенную к удвоенному полюсному делению, у которой ширины всех постоянных магнитов b_M в сборке Хальбаха одинаковы для нижнего и верхнего индукторов, при этом, варьируется полюсное деление τ, и высота постоянных магнитов h_M - проводились исследования ряда магнитоэлектрических машин.

Характерной особенностью исследуемых магнитоэлектрических машин являлся большой радиус R и большое число полюсов, при этом R>>τ (фиг. 2), что приводило к малому влиянию кривизны ротора на геометрию постоянных магнитов, в том числе b_M верхнего 1 и нижнего 2 индукторов.

Анализ проводился для магнитоэлектрических машин с активной длиной с полюсными делениями т в диапазоне от 8 мм до 24 мм (b_M=τ/4), при этом для высоты постоянных магнитов h_M изменялись в пределах от 3 мм до 9 мм, общий немагнитный зазор между индукторами 8 изменялся в пределах от 4 мм до 8 мм. Плотность тока в катушках обмотки составила 5,6 А/мм², что обеспечивает приемлемый тепловой режим магнитоэлектрической машины.

Результаты для осевой силы, отнесенной к удвоенному полюсному делению F/(2τ), приведены на фиг. 3 за исключением кривой для τ=24 мм, т.к. этот график аналогичен и существенно ниже остальных. Наилучший вариант магнитоэлектрической машины, являющийся результатом ряда экспериментов, достигается при h_M>10 мм, b_M = 3 мм и τ=12 мм. Следует отметить, что чрезмерное увеличение высоты постоянных магнитов приводит к значительному увеличению массы магнитоэлектрической машины, что неприемлемо.

С ростом активной длины осевая электромагнитная сила, отнесенная к удвоенному полюсному делению активной части магнитоэлектрической машины монотонно возрастает (фиг. 4). Поэтому полученный результат справедлив для активной длины l_δ магнитоэлектрической машины в диапазоне от 25 до 85 мм.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - обеспечение максимальной осевой электромагнитной силы, отнесенной к удвоенному полюсному делению. Магнитоэлектрическая машина содержит узел обмотки статора, состоящий из множества катушек, и ротор, включающий в себя множество верхних магнитов, выполненных в виде верхней сборки Хальбаха, множество нижних магнитов, выполненных в виде нижней сборки Хальбаха. Обмотка расположена между множеством нижних и множеством верхних магнитов. Направление намагниченности на нижней и верхней сборках Хальбаха согласованы так, чтобы магнитный поток, созданный постоянными магнитами нижней и верхней сборок, складывался. Для достижения технического результата полюсное деление τ=12 мм, ширина постоянного магнита h_M=3 мм, высота постоянного магнита h_M>10 мм, а ширина всех постоянных магнитов в сборке Хальбаха одинакова b_M=τ/4. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Магнитоэлектрическая машина, содержащая узел обмотки статора, состоящий из множества катушек, и ротор, включающий в себя множество верхних магнитов, выполненных в виде верхней сборки Хальбаха, корпус верхних магнитов, соединенный с множеством верхних магнитов, причем корпус верхних магнитов окружает множество верхних магнитов; множество нижних магнитов, выполненных в виде нижней сборки Хальбаха, причем обмотка расположена между множеством нижних магнитов и множеством верхних магнитов; корпус нижних магнитов, соединенный с множеством нижних магнитов; направление намагниченности на нижней и верхней сборках Хальбаха согласованы так, чтобы магнитный поток, созданный постоянными магнитами нижней и верхней сборок, складывался; с внешней стороны верхней сборки Хальбаха расположено ярмо, с внутренней стороны нижней сборки Хальбаха расположено ярмо, магниты закреплены на ярмах, верхний индуктор ротора собран из постоянных магнитов с цикличным повторением следующей последовательности изменения углов вектора намагниченности постоянных магнитов: 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°, нижний индуктор ротора собран из постоянных магнитов с цикличным повторением следующей последовательности изменения углов вектора намагниченности постоянных магнитов: 0°, 315°, 270°, 225°, 180°, 135°, 90°, 45°, отличающаяся тем, что полюсное деление τ=12 мм, ширина постоянного магнита b_M=3 мм, высота постоянного магнита h_M>10 мм и ширины всех постоянных магнитов в сборке Хальбаха одинаковы b_M=τ/4.

2. Магнитоэлектрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что плотность тока в катушках обмотки составила 5,6 А/мм².

3. Магнитоэлектрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что она замкнута в кольцо, а радиус кольца значительно больше полюсного деления статора.

4. Магнитоэлектрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что внутреннее и внешнее ярма служат только для крепления постоянных магнитов и изготовлены из конструкционного немагнитного неэлектропроводного материала.

5. Магнитоэлектрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что статор имеет обмотку с числом фаз m=3 и числом катушек на полюс и фазу q=1.