Электрическая машина с вращательно-колебательным движением Советский патент 1984 года по МПК H02K1/34 H02K41/00 

2.Машина по п. 1,отличаю1Д а я с я тем, что поверхности магиитопроводов, обращенные к зазору, выполнены сферическими, центр которых расположен в центре опоры на оси машины.

3.Машина по пп. 1 и 2, о т л ичающаяся тем, что обмотка соленоидальной формы установлена на внутреннем магнитопроводе, укрепленном на подвижном элементе, а наружный магнитопровод с многофазной обмоткой установлен неподвижно на корпусе.

4.Машина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что обмотка

соленоидальной формы установлена на наружном магнитопроводе, который укреплен на подвижном элементе, а внутренний магнитопроводс многофазной обмоткой установлен неподвижно на корпусе;

5. Машина по пп. 1 и 2, о т л ичающа- яся тем, что обмотка соленоидальнойформы установлена на полой обечайке сферической формы, центр которой расположен в центре опоры, обечайка расположена в воздушном зазоре и укреплена на подвижном элементе, а магнитопроводы и . многофазная обмотка установлены неподвижно на корпусе.

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано в электротехнических установках повышенной надежности, работающих в условиях вакуума и высоких давлений, повышенных температур, в присутствии агрессивных сред и т.п. Известны электрические машины с вращательно-колебательным движением, содержащие статор и ротор, соединенный упругой связью с корпусом ij .

Недостатки известной конструкции состоят в том, что ротор может соaepiMTb только колебательные возврат но-поступательные движения, а опора ротора выполнена в виде подшипника; Это обуславливает снижение относительной мощности, сужает функциональные возможности и снижает надежность электрической машины.

Наиболее близкой к изобретению по, технической сущности и достигаемому эффекту является электрическая машина с вращательно-колебательньви движением, содержащая корпус, магнитопроводы, установленные друг относительно друга с воздушным зазором, многофазную обмотку и подвижный элемент осесимметричной формы, установленный на центральном стержне, который укреплен одним концом на корпусе посредством регулируемой опоры с возможностью углового смещения от продольной оси. Подвижный элемент (ротор) выполнен в виде диска с ферромагнитной активной частью, помещенного в аксиальном зазоре между сердечниками статора,который расположены друг за другом вдоль оси. Упругая опора размещена на оси по одну сторону от диска ротора. В такой электрической машине отсутствуют подшипники, что повышает надежность

и позволяет использовать ее в вакууме, при высоких давлениях и температурах и т.п. 2 J .

Недостатками конструкции машины являются пониженная удельная мощность (на единицу массы) и ограниченные функциональные возможности. Низкая удельная мощность машины определяется тем, что она может быть

0 выполнена только с большим воздушным зазором, что затрудняет работу машины при nyciice, сужает ее функциональные возможности.

Цель изобретения - повышение

5 удельной мощности, расширение функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что в электрической машине с вращательно-колебательным движением, со-« держащей корпус, магнитопроводы,

установленные друг относительно дру-га с воздушным зазором, многофазную обмотку и подвижный элемент осесимметричной формы, устаИовленнь й на

5 центральном стержне, который укреплен одним концом на корпусе посредством регулируемой опоры с возможностью углового смещения от продольной оси, магнитопроводы размещены. коаксиально, на подвижном элементе концентрично оси машины установлена обмотка соленоидальной формы.

В электрической машине, обращенные к зазору поверхности магнитопроводов могут быть сферическими, центр.

5 которых расположен в центре опоры на оси машины.

того, в электрической машине обмотка соленоидальной формы 0 может быть установлена на внутреннем магнктопроводе, укрепленном на подвижном элементе, а наружный магнии гровод с многофазной обмоткой уст новлен неподвижно на корпусе. Обмотка соленоидальной формы может быть установлена на наружном магнитопроводе, который в свою очередь, укреплен на подвижном элементе, а внутренний магнитопровод с мн гофазной обмоткой установлен непо- движно на корпусе. Обмотка соленоидальной формы может быть установлена на полой обе чайке сферической формы, центр которой расположен в центре опоры, обечайка размещена в воздушном зазоре и -укреплена на подвижном элементе, а магнитопроводы и мНогофазная обмотка установлены неподвижно на корпусе. На фиг. 1 приведена бесконтактна электрическая машина с обмоткой сол ноидальной формы на внутреннем магнитопроводе, укрепленном на подвижном элементе; продольный разрез на фиг. 2 - то же, поперечное сечение; на фиг. 3 - модификация предлагаемой машины с обмоткой соленоидальнрй формы на наружном магнитопроводе, установленном на подвижномэлементе, поперечный разрез; на фиг., 4 то же, поперечное сечение; на фиг.5 модификация предлагаемой машины с о моткой соленоидальной формы, устано ленной на полой обечайке сферической формы, укрепленной на подвижном элементе, продольный разрез. Электрическая машина (фиг.1 и 2) содержит корпус 1, на котором установлен наружный (внутренний) магнитопровод 2 с многофазной (обычно трех фазной) обмоткой 3, уложенной в пазах, 4 на внутренней (наружной) поверхности 5 магнитопровода 2, опору 6, выполненную, например, в виде ре зиновой втулки 7, центральный стержень 8, укрепленный одним концом в опоре -6 с возможностью углового сме щения от продольной оси, подвижный элемент 9, содержащий гильзу.10, закрепленную на центральном стержне 8, внутренний (наружный) магнитопровод 11, закрепленный на гильзе 10подвижного элемента 9. На наружной (внутренней) поверхности 12 магнитопровода 11 в кольцевых пазах 13 уложена обмотка 14 соленоидальной формы, снабженная гибкими токоподнодами (не показаны), f торые вы полнены известными способ . Наруж ный и внутренний магнитопроводы 2 и 11 разделены радиальным рабочим зазором 15. На внутреннем (наружном) магнитопроводе 11 для .снижения потерь d стали могут быть прорезаны щелевы пазы 16. Магнитопроводы 2 и 11 при повьвиенных частотах тока в обмотке 3 (более 20 Гц) рационально выполнять шихтованными, при низких частотах тока они могут выполняться сплоишьми. Жесткость и деформация опоры 6 (фиг.1) регулируется путем вдвигания стержня 8 во втулку 7 на определенную глубину. Массогабаритные и энергетические показатели машины будут наилучшими в том- случае, если поверхности5 и 12 пагнитопроводов, обращенные к рабочему зазору 15 имеют сферические профили с центром на оси машины, с которым совмещен центр опоры 6. . Обмотка 14 соленоидальной формы может быть уложена на гладкой поверхности магнитопроводов 2 и 11, не имеющей пазов. Это позволяет увеличить линейную нагрузку машины, но уменьшает магнитную индукцию в зазоре. Обмотка 14 соленоидальной формы может быть установлена на полой сферической формы обечайке 17, укрепленной на подвижном элементе 9 (фиг.5) и расположенной в зазоре 15. Для регулирования жесткости и деформации упругой опоры 6 используется штифт 18. Сферическая обечайка 17 выполнена из непроводящего или слабо проводящего материала (например, пластмассы). Обмотка 14 соленоидальной формы прикреплена к поверхности обечайки 17 с помощью клея или запечена в его материа.пе. Центр сферической обечайки 17 размещен в центре опорл б. Для облегчения сборки и разборки машины магнитопровод, содержащий многофазную обмотку 3 может выполняться разъемным в виде двух полуколец. Обмотка 3 на| полукольцах замыкается с помощью дополнительных разъемных контактов на лобовых частях (не показаны). Разъемным также может выполняться и магнитопровод 11, содержащий обмотку 14 соленоидальной формы. Разъем в этом случае рационально выполнять вдоль поперечной плоскости с последовательным соединением частей обмотки 14 с помощью разъемного контакта. G той же целью облегчения сборки машины наружный и внутренний магнитопроводы 2 и 11 могут выполняться сдвинутыми друг относительно друга вдоль оси машины так, что их средние поперечные плоскости взаимно смещены, а рабочий зазор имеет куполообразную сферическую форму. .Свободный конец центрального стержня В сопрягается с механической нагрузкой (в режиме двигателя), требующей вращательного движения, или с приводом (в режиме генератора), обеспечивающим круговое перемещение конца центрального стержня.8, который совершает при этом коническое сканирующее движение. Обмотка 3 подключается к источнику переменного т ка с соответствующим числом Фаз, благодаря чему в рабочем зазоре созд ется радиальный двухполюсный вращаю щийся магнитный поток, замыкающийся через наружный и внутренний магнито проводы 2 и 11, как, например, в обы ной двухполюсной асинхронной машине Обмотка 3 может подключаться к источ нику постоянного тока через полупроводниковый инвертор. В последнем слу чае она может выполняться как распре деленной, так и в виде сосредоточенных катушек, охватьюающих зубцовые выступы магнитопроводов 2 и 11. Электрическая машина работает следующим образом. Обмотка 14 соленойдальной формы подключается с помсадью гибких токопроводов к источнику постоянного тока и по ней течет кольцевой ток, мно гофазная обмотка 3 создает двухполюс ное вращающееся магнитное поле. За счёт их взаимодействия возникает объ емная электромагнитная сила, действующая на обмотку 14 в противоположные стороны относительно оси машины, Под действием момента подвижный .элемент перекашивается и центральный стержень наклоняется под углом относительно оси машины. Поскольку магнитный поток возбуждения вращается, будут вращаться и диаметральные, точки приложения противоположных сил. .Волна перекоса подвижного элемента 9 также вращается и свободН1лй конец центрального стержня 8, совершающего коническое движение, описывает круговые траектории, которые передаются механической нагрузке. Каждая тс5чка подвижного элемента 9 при работе двигателя совершает аксиальные колебания, причем диаметральные точки колеблются в противофазе. При этом вращение подвижного элемента 9 и центрального стерж ня 8 Вокруг собственной оси отсутствует, что и позволяет заменить подшипники опорой, обеспечивающей угловое смещение от продольной оси стержня 8. Предлагаемая электрическая машина может работать в режиме шагового или моментного двигателя, а также в режиме генератора.Можно выполнить мно гофазную обмот ку в виде отдельных катушек, подключанных к источнику постоянного тока через управляемые вентили (транзисторы или тиристорь с емкостной коммутацией) , которые включаются и отключаются с помощью сигналов от датчи коз положения подвижного элемента 9. Поскольку подвижный элемент 9 осесиймётричен и не вращается, достатруно иметь один датчик положения (например оптического типа), фиксирующий величину аксиального отклонения какойлибо точки подвижного элемента 9 от нейтрального положения и в зависимое ти от величины этого отклонения подающий сигналы на включение соответствующих катушек или секций многофазной обмотки.. Опора стержня 8 машины может выполняться как в виде эластичной (например, резиновой) втулки, так и в виде пружины, сильфона, упругого стержня и т.п. В некоторых случаях подвижный элемент 9 может крепиться С помощью упругих растяжек, мембран и т.п. Характеристики опоры 6 (зависимоети упругих сил от продольного и поперечного смещения) должны быть согласованы с углом отклонени я центрального стержня 8 и величиной рабочего зазора 15 таким образом, чтобы при работе Машины не происходило залипание подвижного элемента 9 на неподвижном магнитопроводе из-за магнитных сил. В качестве опоры 6 может быть также использован подпружиненный кардан :или сферический шарнир. Поскольку работа машины основана на балансе электромагнитных и упругих сил, рационально ее использование в режиме электромеханического резонанса. Угол отклонения стержня 8 и радиальные смещения подвижного элемента 9 ограничиваются узлом сопряжения коНца стержня В с нагрузкой или приводом Конкретные области использования конструктивных модификаций машины определяются их следующими особенностями. Конструкция машины с. подвижным элементом 9, содержащим внутренний магнитопровод 2 (фиг. 1 и 2) компактна и не имеет наружных подвижных деталей. Конструкция машины с подвижным элементом 9, содержащим наружный магнитопровод 11 (фиг.3 и 4) , позволяет повысить электромаг- . нитный моменту так как электромагнит ные силы действуют на наружные элементы с увеличенным плечом,однако нвлйчие наружных подвижных Элементов 9 не всегда допустимо. Конструкция машины с .подвижным элементом 9, содержащим полую сферическую обечайку 17 (фиг.5) обеспечивает малую инерционность машины, однако из-$а увеличенного рабочего зазора 15 электромагнитный момент в ней ниже, чем в других вариантах. Предлагаемая конструкция машины позволяет увеличить ее удельную мощность по сравнению с известными анаогичными устройствами, расширить . функциональные возможности машины благодаря облегчению ее запуска в двигательном режиме и работе в гене12

В i

16

(риг. раторном режиме, практически полностью устранить акустические шумы при работе. 16 , Фиг.3