ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2025 года по МПК H02K1/16 H02K1/27 H02K21/14 H02K5/00 

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами на роторе, и может быть применено в электроприводах и генераторных установках.

Аналогом предлагаемой электрической машины является электрическая машина, описанная в книге «Проектирование электрических машин автономных объектов» за авторством А.М. Сугробова и А.М. Русакова (М.: Издательский дом МЭИ 2012), имеющая:

- корпус статора из нешихтованного ферромагнитного материала,

- вал,

- втулку из нешихтованного ферромагнитного материала, насаженную на вал,

- один или несколько шихтованных пакетов статора, установленные в корпус с промежутком, без поворота друг относительно друга,

- p-полюсную обмотку (p = 2, 4, 6, 8 … - любое натуральное четное число), установленную в пазы пакетов статора, выполненную с шагом катушек по пазам более единицы,

- шихтованные пакеты ротора с p/2 зубцами, установленные на втулку напротив пакетов статора и с поворотом между соседними пакетами на полюсное деление, т.е. на угол 360°/p,

- одну или несколько катушек возбуждения, закрепленных на статоре и установленных в каждый промежуток между пакетами ротора или статора.

Эта и другие упоминаемые в этом описании машины могут также иметь другие узлы, обеспечивающие конструктивную целостность машины: различные крепежи; подшипники, обеспечивающие вращение ротора; подшипниковые щиты и т.п. Для предотвращения замыкания магнитного потока возбуждения через вал этот вал и/или подшипниковые щиты выполняют из немагнитного или слабомагнитного материала. Кроме того, корпус, втулка ротора и вал могут быть как цельными, так и состоять из отдельных частей, причем разбивка на части не препятствует протеканию магнитного потока по этим элементам. Также p-полюсная обмотка статора может как состоять из отдельных обмоток, установленных в каждый из пакетов статора, так и быть общей для всех пакетов, то есть пазовые части каждой катушки этой обмотки проходят через все пакеты статора. Обмотка же возбуждения может располагаться в следующих областях промежутков между парами пакетов статора и ротора: область между р-полюсной обмоткой и втулкой ротора, область между p-полюсной обмоткой и корпусом.

Недостатком данной конструкции является неполное использование поверхности статора, а именно: каждый пакет ротора формирует только половину общего числа полюсов p электрической машины. В результате снижается удельная мощность машины и её КПД.

Другим аналогом предлагаемой электрической машины является аксиальная индукторная машина с гибридным возбуждением, описанная в статье «Hybrid Excitation of the Axial Inductor Machine» за авторством S. Orlova, V. Pugachov, N. Levin, опубликованной в Latvian Journal of Physics and Technical Sciences (January 2012, 49(1):35-41, DOI: 10.2478/v10047-012-0004-6), разработанная в качестве подвагонного генератора, которая в дополнение к вышеперечисленным элементам содержит магниты c коэрцитивной силой не менее 3 кЭ (245 кА/м), установленные в пазы пакетов ротора, и намагниченные радиально или однородно, формируя на каждом пакете ротора только южные или только северные полюса, причем направления намагниченности этих полюсов на соседних пакетах противоположны.

У такой машины в результате лучшего использования поверхности статора увеличивается КПД и удельный момент, по сравнению с аксиальной индукторной машиной без магнитов. Вместе с тем наличие магнитов приводит к риску их необратимого размагничивания. Для предотвращения необратимого размагничивания постоянных магнитов машину делают многополюсной (аналог с гибридным возбуждением имеет 20 полюсов). Что приводит к росту частоты питающего напряжения и удорожанию инвертора. Кроме того, ограничивают токи обмотки якоря и обмотки возбуждения для предотвращения размагничивания.

Еще одним аналогом предлагаемой электрической машины является машина, описанная в статье «Design Optimization of a Synchronous Homopolar Motor with Ferrite Magnets for Subway Train» за авторством Дмитриевского В.А., Прахта В.А и Казакбаева В.М. опубликованной в Mathematics (January 2023, 11(3):1-17, DOI: 10.3390/math11030589)

характеризующаяся тем, что:

- имеет корпус статора из нешихтованного ферромагнитного материала,

- имеет вал,

- имеет втулку из нешихтованного ферромагнитного материала, насаженную на вал,

- имеет два шихтованных пакета статора, установленных в корпус с осевыми промежутками, без углового смещения относительно друг друга, и с 8-полюсной обмоткой, установленной в пазы пакетов статора,

- имеет два шихтованных пакеты ротора с 4 зубцами, установленные на втулку напротив пакетов статора и с угловым смещением между пакетами на полюсное деление, то есть на угол 45°,

- имеет обмотку возбуждения, закрепленную на статоре и установленную в осевой промежуток между установленными друг напротив друга пакетами статора и ротора,

- имеет постоянные магниты, установленные в пазы пакетов ротора, формирующие на каждом пакете ротора только южные или только северные полюса, причем эти полюса на соседних пакетах противоположны по направлению,

- коэрцитивная сила магнитов не менее 3 кЭ,

- поверхности каждого паза шихтованного пакета ротора и каждого магнита содержат два плоских боковых участка,

- зазор, образованный поверхностями зубцов ротора и поверхностями магнитов, обращённых к внутренней поверхности статора, и внутренними поверхностями пакетов статора одинаков во всей конструкции,

- к дну каждого паза примыкает магнит полностью,

- боковые стороны магнитов не примыкают к боковым сторонам зубцов ротора.

Благодаря этому оказываются вне сильных размагничивающих полей обмоток. Также для выведения постоянных магнитов из сильных размагничивающих полей обмоток в этой машине между плоскими боковыми поверхностями постоянных магнитов, установленных в пазы ротора, и поверхностями этих магнитов, обращенными к внутренней поверхности статора, могут быть выполнены фаски с целью дальнейшего выведения магнитов из наиболее сильных магнитных обмоток.

В результате повышается надежность электрической машины посредством уменьшения размагничивающей силы, действующей на магниты, предотвращение размагничивания магнитов, увеличение токовой нагрузки, а также увеличение КПД и удельной мощности без увеличения частоты питающего напряжения и стоимости инвертора вследствие избегания расположения магнитов в наиболее сильных размагничивающих полей обмоток.

Для уменьшения размагничивающего влияния поля обмотки возбуждения на магниты пазы ротора делают глубокими, а магниты делают большой радиальной ширины, что увеличивает массу магнитов и уменьшает размеры других частей машины, включая, обмотку якоря, корпус статора и втулку ротора. Увеличение массы магнитов приводит к росту цены машины и к росту центробежной силы, что уменьшает предельно допустимую скорость. Уменьшение размеров обмотки якоря, корпуса статора и втулки ротора приводит к увеличению электрического сопротивления обмотки и магнитному насыщению корпуса и втулки. В результате уменьшается КПД.

Вместе с тем напряженность магнитного поля формируется не только обмотками, но и самим магнитом. Однако в данном решении это поле не формируется чтобы предотвратить размагничивание магнитов.

Наиболее близкий аналог машины представлен на Фиг. 3 патента на изобретение SU213956A1 (авторы Пугачева В. А., Домбур Л. Э. и Сика З.К) и характеризуется тем, что:

- имеет магнитный участок корпуса из нешихтованного ферромагнитного материала, с установленным в него шихтованным пакетом статора,

- имеет магнитопроводящую часть ротора с зубчатым участком и гладким участком,

- имеет кольцевую катушку возбуждения, закрепленную на статоре в полости, образованной пакетами статора и ротора и магнитным участком корпуса,

- имеет постоянные магниты, установленные в пазы зубчатого участка ротора, формирующие только южные или только северные полюса,

- магнитный участок корпуса статора образует зазор с гладким участком магнитопроводящей части ротора,

Однако магнит в машине, описанной в SU 213956 A1, не формирует поле, препятствующее размагничиванию.

Кроме того, в многопакетных машинах результирующие момент и ЭДС формируются путём сложения момента и ЭДС от разных пакетов. В результате уменьшаются пульсации момента, вибрации, и искажения формы ЭДС. Однопакетные машины характеризуются простотой сборки. Однако пульсации момента и искажения формы ЭДС значительны.

Таким образом, технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является дальнейшее повышение надежности однопакетной электрической машины посредством уменьшения размагничивающей силы, действующей на магниты, предотвращение необратимого размагничивания магнитов, увеличение токовой нагрузки, увеличение КПД и удельной мощности без увеличения частоты питающего напряжения и мощности инвертора, снижение массы магнитов, а также увеличение предельно-допустимой скорости вращения ротора, уменьшение пульсаций момента и искажения ЭДС.

Сущность изобретения поясняется эскизами, на которых изображено:

- Фиг. 1 - трехмерный вид электрической машины с однокатушечной обмоткой возбуждения, который показан с вырезом 1/2 части статора, а ротор показан неразрезанным;

- Фиг. 2 - трехмерный вид электрической машины обмоткой возбуждения, состоящей из двух отдельных катушек, который показан с вырезом 1/2 части статора, а ротор показан неразрезанным;

- Фиг. 3 - часть поперечного сечения машины, проходящего через зубчатый участок магнитопроводящей части ротора, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- Фиг. 4 поясняет алгоритм построения сечения магнита.

- Фиг. 5 показывает дополнительные элементы 12, повышающие прочность ротора.

Как видно из Фиг. 1, машина:

- имеет магнитный участок корпуса 1 из сплошного ферромагнитного материала, с установленным в него шихтованным пакетом статора 4, с 8-полюсной обмоткой 5, установленной в пазы пакета статора; имеет магнитопроводящую часть ротора 3 с зубчатым участком 6, имеющим 4 зубца и установленным напротив пакета статора, и цилиндрическим участком,

- имеет кольцевую катушку возбуждения 8, закрепленную на статоре в полости, образованной пакетами статора и ротора и магнитным участком корпуса,

- имеет постоянные магниты 7, установленные в пазы зубчатого участка ротора, формирующие только южные или только северные полюса, выходящие в зазор,

- магнитный участок корпуса статора образует зазор с гладким участком магнитопроводящей части ротора,

- коэрцитивная сила магнитов составляет не менее 3 кЭ,

- поверхность магнита имеет участок, примыкающий к дну паза пакета ротора.

На Фиг. 2 показана электрическая машина с двумя отдельными катушками обмотки возбуждения.

Фиг. 3 показывает часть поперечного сечения машины, проходящего через зубчатый участок магнитопроводящей части ротора, соответствующую одному зубцовому делению ротора с установленными на роторе постоянными магнитами.

Фиг. 3 служит только для пояснения геометрического смысла различных отрезков и дуг с буквенным обозначением, упоминаемых далее, и показанные на нём геометрические соотношения между размерами могут не соответствовать соотношениям, описанным далее.

Поверхность магнита имеет участок, примыкающий к дну паза пакета ротора 13.

Постоянный магнит 7 имеет внешний участок 12, уширяющийся в направлении к дну паза ротора, радиальный размер которого составляет не менее 1/4 радиального размера магнита, а углы, образованные касательными плоскостями к противоположным боковым поверхностям 10, на менее 20°,

- расстояние от поверхности магнита 11, обращённой к статору, до внутренней поверхности пакета статора 14 не более десятой части радиального размера магнита.

Фиг. 4 поясняет пример построения сечения магнита.

MM’ - поверхность магнита, примыкающая к дну паза пакета ротора.

DCC’D’ - внешний участок, уширяющийся в направлении к дну паза ротора. Поверхность DCC’D’, обращённая к статору, представлена кривой CC’. Боковые поверхности представлены кривыми DC и C’D’.

Точки К и К’ выбраны на кривых DC и C’D’ на одинаковом расстоянии от центра вращения О. Поскольку DCC’D’ - уширяющийся участок, длина отрезка КК’ увеличивается при продвижении его в этом направлении.

Максимальный отрезок, отсекаемый от луча, проведённого через ось вращения ротора O, кривыми DD’ и СС’ есть радиальный размер внешнего участка h.

Максимальный отрезок, отсекаемый от луча, проведённого через ось вращения ротора O, кривыми MM’ и СС’ есть радиальный размер магнита участка H. h ≥ H/4.

Внутренней поверхностью пакета статора является цилиндр, вписанный в пакет статора. В проекции на Фиг. 2. он представляется окружностью.

Максимальный отрезок, отсекаемый от луча, проведённого через ось вращения ротора O, кривыми СС’ и проекцией внутренней поверхности пакета статора является расстоянием от поверхности магнита до внутренней поверхности статора δ. δ ≤ 0,1 H.

Касательные к кривых DC и C’D’ в любых произвольных точках, выбранных по одной на этих кривых, образуют угол не менее 20 механических градусов, что обеспечивает уширение участка магнита DCC’D’ в направлении к дну паза.

Намагниченность постоянного магнита создает магнитный поток, который, преодолевая расстояние от поверхности магнита, обращённой к статору, до внутренней поверхности пакета статора, создает магнитодвижущую силу, направленную на размагничивание магнита. При условии, что расстояние от поверхности магнита, обращённой к статору, до внутренней поверхности пакета статора составляет не более десятой части радиального размера магнита, эта магнитодвижущая сила недостаточно велика для размагничивания магнита.

Благодаря тому, что во внешнем участке, уширяющимся в направлении к дну паза ротора, углы, образованные касательными плоскостями к противоположным боковым поверхностям, не менее 20°, более глубокие части уширяющего участка магнита создают в более внешних частях напряжённость магнитного поля, препятствующую размагничивающему действию обмоток.

Благодаря форме магнита более глубокие части расширяющего участка напротив подвергаются размагничивающему действию, за счёт МДС, возникающей при преодолении расстояния от поверхности магнита до поверхности статора. Однако на них воздействует более слабое размагничивающее поле обмоток. В результате того, что радиальный размер расширяющегося участка составляет не менее ¹/₄ радиального размера магнита, размагничивающие факторы не достаточны для размагничивания магнита даже при увеличении тока в обмотках.

Кроме того, напряжённость магнитного поля, создаваемая самим магнитом и предотвращающая размагничивание магнита, предотвращает размагничивание магнита, даже если уменьшается высота паза ротора и радиальный размер магнита, что снижает его массу и действующую на него центробежную силу. Поэтому скорость вращения ротора может быть увеличена без риска его разрушения.

Кроме того, уширяющийся участок обеспечивает плавное изменение магнитного поля по бокам магнита, что приводит к уменьшению пульсаций момента и искажения ЭДС.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении надежности электрической машины посредством уменьшения размагничивающей силы, действующей на магниты; предотвращении размагничивания магнитов; увеличении токовой нагрузки; увеличении КПД и удельной мощности без увеличения частоты питающего напряжения и мощности инвертора; снижении массы магнитов, а также в увеличении предельно-допустимой скорости вращения ротора, уменьшении пульсаций момента и искажения ЭДС.

Конструкция машины может иметь прочие элементы, не влияющие или не влияющие существенно на протекание электромагнитных процессов. Например, пазы ротора могут заливаться клеем или смолой 15, иметь немагнитные вставки для лучшей фиксации магнитов и повышения прочности ротора, как показано на Фиг.5. Также на Фиг. 1. показан немагнитный участок корпуса 9 и подшипник 2.

Для повышения прочности ротора могут применяться бандажные кольца, клеи, смолы, немагнитные вставки и т.п. Это варианты конструкции могут быть применены, в частности, в высокоскоростных двигателях или генераторах, с повышенной центробежной силой, действующей на ротор.

Такими элементами могут быть смолы, клеи, пластмассы, немагнитные вставки и т.п.

Элементы машины могут быть составными. Например, ротор может состоять из немагнитного вала, втулки из сплошного ферромагнитного материала, на которой расположен шихтованный зубчатый пакет, или вал ротора может изготавливаться ферромагнитым, и на него устанавливается шихтованный зубчатый пакет.

Многофазная p-полюсная обмотка может быть распределённой. В результате улучшается гармонический состав поля, уменьшаются потери в стали и увеличивается КПД.

Также многофазная p-полюсная обмотка может быть сосредоточенной, то есть состоять из катушек, наматывающихся вокруг отдельных зубцов. В результате увеличивается количество полюсов, увеличивается отношение полюсного деления к глубине паза ротора и увеличивается толщина магнитов, что уменьшает вероятность размагничивания магнитов.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами на роторе, и может быть применено в электроприводах и генераторных установках. Технический результат заключается в повышении надежности электрической машины посредством уменьшения размагничивающей силы, действующей на магниты, предотвращении размагничивания магнитов, увеличении токовой нагрузки, увеличении КПД и удельной мощности без увеличения частоты питающего напряжения и мощности инвертора, снижении массы магнитов, а также в увеличении предельно допустимой скорости вращения ротора, уменьшении пульсаций момента и искажения ЭДС. Электрическая машина содержит магнитный участок корпуса из сплошного ферромагнитного материала, с установленным в него шихтованным пакетом статора, с p полюсной обмоткой (p = 2, 4, 6, 8 … – чётное число), установленной в пазы пакета статора. Также содержит магнитопроводящую часть ротора с зубчатым участком, имеющим p/2 зубцов, установленным напротив пакета статора, и цилиндрическим участком. Одна или две кольцевые катушки обмотки возбуждения закреплены на статоре в одной или двух полостях, образованных пакетами статора и ротора и магнитным участком корпуса. Постоянные магниты установлены в пазы зубчатого участка ротора, формирующие только южные или только северные полюсы, выходящие в зазор. Магнитный участок корпуса статора образует зазор с цилиндрическим участком магнитопроводящей части ротора. Коэрцитивная сила магнитов составляет не менее 3 кЭ. Поверхность магнита имеет участок, примыкающий к дну паза пакета ротора. Постоянный магнит имеет внешний участок, уширяющийся в направлении к дну паза ротора, радиальный размер которого составляет не менее 1/4 радиального размера магнита, а углы, образованные касательными плоскостями к противоположным боковым поверхностям, составляют не менее 20°. Расстояние от поверхности магнита, обращённой к статору, до внутренней поверхности пакета статора не более десятой части радиального размера магнита. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электрическая машина, характеризующаяся тем, что:

- имеет магнитный участок корпуса из сплошного ферромагнитного материала, с установленным в него шихтованным пакетом статора, с p-полюсной обмоткой (p = 2, 4, 6, 8 … – чётное число), установленной в пазы пакета статора,

- имеет магнитопроводящую часть ротора с зубчатым участком, имеющим p/2 зубцов, установленным напротив пакета статора, и цилиндрическим участком,

- имеет одну или две кольцевые катушки обмотки возбуждения, закрепленных на статоре в одной или двух полостях, образованных пакетами статора и ротора и магнитным участком корпуса,

- имеет постоянные магниты, установленные в пазы зубчатого участка ротора, формирующие только южные или только северные полюсы, выходящие в зазор,

- магнитный участок корпуса статора образует зазор с цилиндрическим участком магнитопроводящей части ротора,

- коэрцитивная сила магнитов составляет не менее 3 кЭ,

- поверхность магнита имеет участок, примыкающий к дну паза пакета ротора.

при этом:

- постоянный магнит имеет внешний участок, уширяющийся в направлении к дну паза ротора, радиальный размер которого составляет не менее 1/4 радиального размера магнита, а углы, образованные касательными плоскостями к противоположным боковым поверхностям, составляют не менее 20°,

- расстояние от поверхности магнита, обращённой к статору, до внутренней поверхности пакета статора не более десятой части радиального размера магнита.

2. Электрическая машина по п.1, в которой постоянные магниты намагничены радиально.

3. Электрическая машина по п.1, в которой постоянные магниты намагничены однородно.

4. Электрическая машина по п.1, имеющая дополнительные немагнитные элементы.

5. Электрическая машина по п.1, в которой p-полюсная обмотка сосредоточенная.

6. Электрическая машина по п.1, в которой p-полюсная обмотка распределённая.