Электрическая машина с интегрированным магнитным трансформатором момента Российский патент 2024 года по МПК H02K41/06 H02K49/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электромеханики, в частности к электрическим машинам, ось ротора которых параллельна оси статора с движением по круговой траектории и может быть использовано в низкоскоростных электромеханических системах, в которых требуется высокий крутящий момент при компактных размерах и естественном воздушном охлаждении машины, например в области робототехники, ветроэнергетики и малой гидроэнергетики.

Уровень техники

Известен электродвигатель с катящимся «облегчённым» ротором (Бертинов А. И., Варлей В. В. Электрические машины с катящимся ротором. Москва: Энергия, 1969. 200 с.), содержащий статор в виде полого цилиндрического магнитопровода с пазами, в которые уложена обмотка. Эксцентрично статору расположен ротор, представляющий собой цилиндрический магнитопровод. Ротор имеет возможность обкатываться внутри статора, совершая сложное движение - поступательное круговое движение вокруг оси статора и вращательное вокруг собственной оси. Неотъемлемой частью такого двигателя является планетарный механизм, позволяющий преобразовывать быстроходное движение ротора под действием электромагнитного момента в тихоходное с кратным повышением крутящего момента.

Недостатком данного технического решения является низкая надёжность, а также повышенные габариты конструкции.

Известна циклоидальная магнитная передача (патент US № 10715025 B2, публ. 14.07.2020, МПК H02K 49/10, F16H 1/32), содержащая статор в виде полого цилиндрического магнитопровода, на внутренней поверхности которого расположены постоянные магниты. Эксцентрично статору расположен ротор, состоящий из цилиндрического магнитопровода, на внешней поверхности которого закреплены постоянные магниты, но с меньшим относительно статора числом пар полюсов. Ротор имеет возможность обкатываться по внутреннему диаметру статора, не соприкасаясь с ним, совершая сложное движение - поступательное круговое движение относительно оси статора и вращательное вокруг собственной оси.

Недостатком данного технического решения являются узкие функциональные возможности.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является электрическая машина с интегрированным магнитным трансформатором момента (патент GB № 2437568 B, публ. 31.10.2007, МПК H02K 16/02), содержащая статор в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала с пазами, в которые уложена обмотка, питаемая переменным напряжением и создающая вращающееся магнитное поле с p_a парами полюсов, на внутренней поверхности статора установлены постоянные магниты с p_s парами полюсов. Концентрично статору расположен ротор, состоящий из полого цилиндрического магнитопровода ротора, на поверхности которого закреплены постоянные магниты ротора с p_r парами полюсов, причём p_r = p_a. Концентрично статору и внутреннему ротору в пространстве между ними расположен промежуточный ротор, состоящий из сегментов из магнитомягкого материала, число которых равно N_z = p_r + p_s. Передаточное отношение прототипа определяется как

i = N_z / p_r

Недостатками данного технического решения являются низкое передаточное отношение, а также низкие технологичность и прочность конструкции вследствие того, что структура промежуточного ротора имеет сложную и нестандартную для электротехнической промышленности конструкцию, а постоянные магниты статора расположены близко к обмотке, что увеличивает риск их размагничивания при коротких замыканиях.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является реализация эксцентричной топологии трансформатора момента.

Технический результат заключается в увеличении передаточного отношения и удельного момента электрической машины при улучшении технологичности и прочности конструкции его магнитной системы.

Это достигается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор в виде полого цилиндра с осью O₁ и пазами, в которые уложена обмотка с числом пар полюсов p_a, ротор в виде полого цилиндра, расположенный концентрично статору и имеющий постоянные магниты с числом пар полюсов p_r, и промежуточный ротор, промежуточный ротор выполнен как транслятор в виде полого цилиндра, установленного с эксцентриситетом относительно оси O₁ с возможностью кругового поступательного движения вокруг неё за счет эксцентриковой опоры, выполненной в виде эксцентрика, расположенного между статором и транслятором, с установленными на его концах подшипником статора и подшипником транслятора, на поверхности транслятора закреплены постоянные магниты с числом пар полюсов p_t. При этом, при внешнем расположении статора постоянные магниты установлены на внешней поверхности ротора и охвачены транслятором с установленными на его внутренней поверхности постоянными магнитами транслятора, статор со своей обмоткой установлен с внешней стороны транслятора. Размеры транслятора и ротора находятся в соотношении r_ro / p_r ≈ r_ti / p_t , где r_ro - внешний радиус ротора, r_ti - внутренний радиус транслятора, расстояние между осями O₁ и O₂ выбрано согласно выражению e = r_ti - r_ro - δ_min.i, где δ_min.i - минимальное значение внешнего воздушного зазора между статором и транслятором, размер статора выбран, как r_si = r_to + e + δ_min.o, числа пар полюсов транслятора и ротора удовлетворяют условию p_t - p_r = 1, 2, 3 … n, , где n в общем случае любое целое число. При внутреннем расположении статора, статор с его обмоткой охвачен транслятором, на внешней поверхности которого расположены постоянные магниты транслятора, ротор с уставленными на его внутренней поверхности постоянными магнитами расположен с внешней стороны транслятора. Размеры транслятора и ротора находятся в соотношении r_ri / p_r ≈ r_to / p_t, где r_ri - внутренний радиус ротора, r_to - внешний радиус транслятора, расстояние между осями O₁ и O₂ выбрано согласно выражению e = r_ri - r_to - δ_min.o, где δ_min.o - минимальное значение внутреннего воздушного зазора между статором и транслятором, размер статора выбран как r_so = r_ti - e - δ_min.o, числа пар полюсов транслятора и ротора удовлетворяют условию p_r - p_t = 1, 2, 3 … n, где n в общем случае любое целое число.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема варианта электрической машины с интегрированным магнитным трансформатором момента с внешним расположением статора, на фиг. 2 представлена принципиальная схема варианта электрической машины с интегрированным магнитным трансформатором момента с внутренним расположением статора, на фиг. 3 изображен общий вид трёхмерной модели электрической машины с интегрированным магнитным трансформатором момента с внутренним расположением статора.

Осуществление изобретения

Электрическая машина с интегрированным магнитным трансформатором момента содержит статор 1 в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала, ось которого обозначена как O₁. Статор 1 выполнен с пазами в количестве Z, в которые уложена N-фазная обмотка 2 c числом пар полюсов p_a для создания вращающегося магнитного поля с питанием от источника переменного напряжения частотой f. Концентрично статору 1 расположен ротор 3 в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала с установленными на него постоянными магнитами 4 с числом пар полюсов p_r. Между статором 1 и ротором 2 c эксцентриситетом относительно основной оси O₁ расположен транслятор 5 в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала, ось которого обозначена как O₂. На поверхности транслятора 5 закреплены постоянные магниты транслятора 6 с числом пар полюсов p_t.

В электрической машине с интегрированным магнитным трансформатором момента (фиг. 1) постоянные магниты 4 установлены на внешней поверхности ротора 3 и охвачены транслятором 5 с установленными на его внутренней поверхности постоянными магнитами транслятора 6. Статор 1 со своей обмоткой 2 установлен с внешней стороны транслятора 6. Таким образом, данная компоновка представляет собой конструкцию с внешним расположением статора.

В электрической машине с интегрированным магнитным трансформатором момента (фиг. 2) статор 1 с его обмоткой 2 охвачен транслятором 5, на внешней поверхности которого расположены постоянные магниты транслятора 6. Ротор 3 с установленными на его внутренней поверхности постоянными магнитами 4 расположен с внешней стороны транслятора 5. Таким образом, данная компоновка представляет собой конструкцию с внутренним расположением статора.

Число пар полюсов обмотки 2 p_a и количество зубцов Z в общем случае может быть любым целым числом, наилучшие результаты при трёхфазном (N = 3) питании достигаются при p_a = 1 и Z = 3 для обоих вариантов расположения статора относительно транслятора).

При внешнем расположении статора полюсные деления транслятора 5 и ротора 3 выполнены близкими по значению. Таким образом, между внутренним радиусом транслятора 5 и внешним радиусом ротора 3 выполняется соотношение

r_ro / p_r ≈ r_ti / p_t,

где r_ro - внешний радиус ротора 3; r_ti - внутренний радиус транслятора 5.

Расстояние между осями O₁ и O₂, называемое эксцентриситет e выбирается из геометрических соображений согласно выражению

e = r_ti - r_ro - δ_min.i,

где δ_min.i - минимальное значение внутреннего воздушного зазора между ротором 3 и транслятором 5 - выбирается произвольно, желательно минимально возможным по технологическим соображениям.

По геометрическим соображениям внутренний радиус статора определяется как

r_si = r_to + e +δ_min.o,

где r_to - внешний радиус транслятора 5 выбирается произвольно по результатам расчёта магнитной системы; δ_min.o - минимальное значение внешнего воздушного зазора между статором 1 и транслятором 5 выбирается произвольно, но желательно минимально возможным по технологическим соображениям.

Числа пар полюсов транслятора 1 и ротора 3 удовлетворяют условию

p_t - p_r = 1, 2, 3 … n,

где n - в общем случае любое целое число (наилучшие результаты достигаются при минимально возможном по технологическим соображениям n).

При внутреннем расположении статора полюсное деление транслятора 5 и ротора 3 выполнены близкими по значению. Для обеспечения этого требования между внешним радиусом транслятора 5 и внутренним радиусом ротора 3 выполняется соотношение

r_ri / p_r ≈ r_to / p_t,

где r_ri - внутренний радиус ротора 3; r_to - внешний радиус транслятора 5.

Эксцентриситет e выбирается из геометрических соображений согласно выражению

e = r_ri - r_to - δ_min.o,

где δ_min.o - минимальное значение внешнего воздушного зазора между статором 1 и транслятором 5 выбирается произвольно, но желательно минимально возможным по технологическим соображениям.

По геометрическим соображениям внешний радиус статора 1 определяется как

r_so = r_ti - e - δ_min.o,

где r_ti - внутренний радиус транслятора 5 выбирается произвольно по результатам расчёта магнитной системы; δ_min.i - минимальное значение внутреннего воздушного зазора между ротором 3 и транслятором 5 выбирается произвольно, но желательно минимально возможным по технологическим соображениям.

Числа пар полюсов транслятора 1 и ротора 3 удовлетворяют условию

p_r - p_t = 1, 2, 3 … n,

где n - любое целое число (наилучшие результаты достигаются при минимально возможном по технологическим соображениям n).

Ротор 4 закреплён с возможностью вращения только вокруг главной оси O₁, для чего установлена подшипниковая опора 7, а транслятор 5 закреплён с возможностью поступательного кругового движения вокруг главной оси O₁, что обеспечивается при помощи минимум двух опор на каждом из торцов, каждая из которых содержит эксцентрик 8 с подшипником статора 9 и подшипником транслятора 10. В отличие от электрической машины с катящимся ротором, такая опора транслятора блокирует его вращение относительно оси O₂.

Число пар полюсов обмотки p_a статора 1 не связано с числом пар полюсов постоянных магнитов 4 ротора 3 p_r и может быть выбрано произвольно (наилучшие результаты достигаются при p_r = 1 и числе пар полюсов на полюс и фазу 0,5).

Электрическая машина с интегрированным трансформатором момента работает следующим образом.

На обмотку 2 подаётся переменное напряжение, за счёт чего по ней протекают токи, создающие вращающееся магнитное поле, которое создает реактивный электромагнитный момент M_t, действующий на транслятор 5 со стороны, свободной от постоянных магнитов 6. Под действием электромагнитного момента и в связи с отмеченными особенностями крепления транслятора 5, он начинает совершать поступательное круговое движение относительно главной оси. Минимальный воздушный зазор вращается с двойной синхронной скоростью, об/мин:

n_δ = 2⋅60⋅f /p_a

Это движение транслятора 5 является быстроходным, как следствие момент M_t относительно мал.

Постоянные магниты 6 двигаются вместе с транслятором 5 и взаимодействуют с постоянными магнитами 4 ротора 3, за счёт чего ротор 3 начинает вращаться вокруг главной оси с частотой в передаточное число раз меньшей, чем n_δ, где передаточное число определяется как

i = p_t / (p_r - p_t)

Таким образом, частота вращения ротора 3 будет равна

n_r = 2⋅60⋅f ⋅ ( p_r - p_t ) / p_t p_s

Таким образом, момент транслятора, передаваясь на ротор, кратно увеличивается в i раз, что и представляет собой встроенный трансформатор момента. На практике этот эффект может значительно увеличивать удельный момент машины, так как передаточное число i может быть в диапазоне 20-100 в зависимости от диаметра машины.

Преимуществами данного технического решения является улучшение технологичности за счёт того, что сложная конструкция внешнего ротора-модулятора прототипа заменяется на полый цилиндрический магнитопровод транслятора 5 с постоянными магнитами 6. Это упрощает процесс изготовления устройства и позволяет обеспечить надлежащую механическую прочность. За счёт отсутствия магнитомягких сегментов уменьшаются потоки рассеяния, что позволяет увеличить естественное передаточное отношение вплоть до 20-100 в одной ступени, что до 5 раз больше, чем в прототипе.

Использование изобретения позволяет создавать электрические машины с высоким удельным моментом и КПД, а также улучшить технологичность и прочность конструкции относительно прототипа, что положительно скажется на эксплуатационных показателях редукторных электромеханических систем прямого привода. Расположение постоянных магнитов на трансляторе позволяет их экранировать, тем самым увеличив стойкость машины к размагничиванию в аварийных режимах.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в увеличении передаточного отношения и удельного момента электрической машины при улучшении технологичности и прочности конструкции его магнитной системы. Электрическая машина с интегрированным трансформатором момента содержит статор в виде полого цилиндра с осью O₁ и пазами, в которые уложена обмотка с числом пар полюсов p_a. Ротор выполнен в виде полого цилиндра и расположен концентрично статору. На роторе размещены постоянные магниты с числом пар полюсов p_r. Для достижения технического результата электрическая машина содержит также промежуточный ротор, выполненный как транслятор в виде полого цилиндра, установленного с эксцентриситетом относительно оси O₁ с возможностью кругового поступательного движения вокруг неё за счет эксцентриковой опоры, выполненной в виде экcцентрика, расположенного между статором и транслятором, с установленными на его концах подшипником статора и подшипником транслятора. На поверхности транслятора закреплены постоянные магниты с числом пар полюсов p_t. Предусмотрено как внешнее, так и внутреннее расположение статора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрическая машина с интегрированным трансформатором момента, содержащая статор в виде полого цилиндра с осью O₁ и пазами, в которые уложена обмотка с числом пар полюсов p_a, ротор в виде полого цилиндра, расположенный концентрично статору и имеющий постоянные магниты с числом пар полюсов p_r, промежуточный ротор, отличающаяся тем, что промежуточный ротор выполнен как транслятор в виде полого цилиндра, установленного с эксцентриситетом относительно оси O₁ с возможностью кругового поступательного движения вокруг неё за счет эксцентриковой опоры, выполненной в виде экcцентрика, расположенного между статором и транслятором, с установленными на его концах подшипником статора и подшипником транслятора, на поверхности транслятора закреплены постоянные магниты с числом пар полюсов p_t.

2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что постоянные магниты установлены на внешней поверхности ротора и охвачены транслятором с установленными на его внутренней поверхности постоянными магнитами транслятора, статор со своей обмоткой установлен с внешней стороны транслятора.

3. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что статор с его обмоткой охвачен транслятором, на внешней поверхности которого расположены постоянные магниты транслятора, ротор с уставленными на его внутренней поверхности постоянными магнитами расположен с внешней стороны транслятора.

4. Электрическая машина по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что размеры транслятора и ротора находятся в соотношении r_ro / p_r ≈ r_ti / p_t , где r_ro - внешний радиус ротора, r_ti - внутренний радиус транслятора, расстояние между осями O₁ и O₂ выбрано согласно выражению e = r_ti – r_ro – δ_min.i, где δ_min.i - минимальное значение внешнего воздушного зазора между статором и транслятором, размер статора выбран, как r_si = r_to + e + δ_min.o, числа пар полюсов транслятора и ротора удовлетворяют условию p_t – p_r = 1, 2, 3 … n, , где n в общем случае любое целое число.

5. Электрическая машина по любому из пп. 1, 3, отличающаяся тем, что размеры транслятора и ротора находятся в соотношении r_ri / p_r ≈ r_to / p_t, где r_ri - внутренний радиус ротора, r_to - внешний радиус транслятора, расстояние между осями O₁ и O₂ выбрано согласно выражению e = r_ri - r_to - δ_min.o, где δ_min.o - минимальное значение внутреннего воздушного зазора между статором и транслятором, размер статора выбран как r_so = r_ti - e - δ_min.o, числа пар полюсов транслятора и ротора удовлетворяют условию p_r – p_t = 1, 2, 3 … n, где n в общем случае любое целое число.