Бесконтактная торцовая синхронная машина Советский патент 1992 года по МПК H02K19/24 

Изобретение относится к электрическим М1ашинам, а именно к бесконтактным торцовым синхронным машинам переменнополюсного типа, и может быть использовано как в системах электропитания, например в высокоскоростных автономных источниках питания средней мощности, так и в системах электропривода.

Целью изобретения является повышение быстродействия и надежности путем снижения массы ротора.

На фиг.1 изображен продольный разрез общего вида машины электромагнит«ого возбуждения, на фиг.2 - вид на полюсные системы со стороны статора для числа полюсов 2р 6, на фиг.З - продольный разрез общего вида машины с постоянным магнитом; на фиг.4 - продольный разрез общего вида машины со смешанным возбуждением: на фиг.5 - продольный разрез общего вида машины электромагнитного возбуждения с несколькими дополнительными кольцевыми элементами индуктора; на фиг.6 продольный разрез общего вида машины с возбуждением от трех постоянных магнитов.

Бесконтактная торцовая синхронная машина (фиг.1) содержит двухпакетный статор 1 с обмотками 2 и двухдисковый ротор 3, каждый из которых включает первую 4 и вторую 5 системы полюсов противоположной полярности, причем первая система 4 полюсов состоит из дополнительного сердечника 6 с торцовой поверхностью 7, на котором размещены полюсы 8, а вторая система 5 полюсов содержит наружный сердечник 9 с внутренней поверхностью 10 и полюсами 11, и внутренний сердечник 12 с наружной поверхностью 13 и полюсами 14, индуктор 15, состоящий из наружного магнитопровода 16 и дополнительного кольцевого элемента 17, разделяющего две коаксиальные катушки возбуждения 18 и 19, два подшипниковых щита 20 и 21, подшипники 22 и 23 на валу 24, основные воздушные зазоры 25 между полюсами 8, 11, 14 ротора 3 и торцовой поверхностью соответствуюЩего пакета 1 статора, добавочные воздушные зазоры: радиальныё 26 - между наружными цилиндрическими Поверхностями наружных сердечников 9 ротора 3 и внутренними цилиндрическими поверхностями наружного магнитопровода 16 и аксиальные 27 - между торцовыми поверхностями дополнительных сердечников каждого диска ротора 3 и торцовыми поверхностями дополнительного элемента 17,

Полюсные системы ротора 3, наружный магнитопровод 16 и дополнительный кольцевой индуктора 17 выполнены из магнитомнгкой стали, подшипниковые щиты 20 и 21 и вал 24 - из немагнитного материала (например, немагнитной стали, титана и др.).

Полюсы 11 и 14 второй полюсной системы ротора 3 имеют одну полярность (на фиг.1 и 2 северную) и чередуются с полюсами 8 первой полюсной системы 4, имеющими противоположную полярность (на фиг. 1 и 2 южную).

Полюсы 11 и 14 второй Полюсной системы 5 ротора 3 имеют одну полярность (на фиг.1 южную) и чередуются с полюсами 8 первой полюсной системы 4, имеющими противоположную полярность (на фиг.1 северную).

Суммарная активная длина полюсрв 11 и 14 равна длине полюса 8. равной активной длине пакета статора 1, при этом полюсы 11 и 14 могут быть различной длины (на фиг.1 и 2 активная длина полюсов 11 и 14 равна половине длины статора).

Первая 4 и вторая 5 полюсные системь ротора 3 могут соединяться между собой, например, путем заливки промежутков между ними немагнитным сплавом или с помощью сварки.

Конструктивно ротор 3 выполнен разборным. Неподвижные кольцевые коаксиальные катушки возбуждения 18 и 19 обеспечивают магнитные потоки, направленные согласно в дополнительном кольцевом элементе 17 индуктора.

Направление магнитных потоков, создаваемых катушками возбуждения 18 и 19, определяет пути замыкания магнитньлх потоков и полярность полюсов соответствующих полюсных систем ротора 3.

Пакеты статора 1 с обмотками 2 крепятся на подшипниковых щитах 20 и 21, которые, в свою очередь, крепятся к индуктору 15., : ; , X.

Бесконтактная торцовая синхронная машина, изображенная на фиг.З отличается от машины, изображенной на фиг.1, выполнением индуктора 15, в котором неподвижным источником возбуждения является дополнительный кольцевой элемент 17, который выполнен из магнитотвердого материала, например, редкоземельного (железо - неодим - бор) и намагничен в аксиальном направлении.

Бесконтактная торцовая синхронная машина, изображенная на фиг.4, отличается от машины фиг. 1 тем, что в индуктор 15 дополнительно введен кольцевой постоянный магнит 28, намагниченный аксиально и примыкающий к дополнительному кольцевому элементу 17, которые образуют добавочные аксиальные воздушные зазоры 27 с торцовыми поверхностями дополнительных сердечников 6 ротора 3. Постоянный магнит 28 обеспечивает магнитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, проходящим в дополнительном кольцевом элементе 17, обеспечиваемым катушками возбуждения 18 и 19.

На фиг.5 и 6 представлены варианты выполнения машины с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов, в которых в индуктор 15 введено три дополнительных кольцевых элемента (аналогичных дополнительному кольцевому элементу 17 фиг.1), каждый из которых образует аксиальный зазор с торцовой поверхностью каждого дополнительного введенного сердечника (аналогичного дополнительному сердечнику б на фиг.1) fcoответствующей полюсной системы каждого диска ротора 3. В общем случае количество дополнительных сердечников 6 в каждом

диске ротора 3 должно соответствовать количеству дополнительных кольцевых элементов индуктора 15.

Таким образом, первая система 4 полюсов каждого диска ротора 3 (фиг.5 и 6) содержит два дополнительных сердечника с полюсами одинаковой полярности. Активная длина полюсов равна активной длине пакета статора 1, а длина одного полюса равна половине активной длины пакета статора.

Между полюсами первой полюсной системы 4 каждого диска ротора 3 расположены полюсы одинаковой полярности второй полюсной системы 5 ротора 3, причем полярность полюсов второй полюсной системы 5 противоположна полярности полюсов первой полюсной системы 4 диска ротора 3. Вторая полюсная система 5 каждого диска ротора 3 состоит из дополнительного сердечника, на котором расположены полюсы с активной длиной, равной половине активной длины пакета статора, и наружного и внутреннего сердечников с расположенными на них полюсами, общая длина которых равна половине активной длины пакета статора. Таким образом, общая длина полюсов первой системы 4 каждого диска ротора 3 равна длине полюсов второй полюсной системы 5.

Работа машины осуществляется следующим образом.

При выполнении машины по фиг.1 магнитный поток, создаваемый катушками возбуждения 18 и 19, проходит по участку магнитной цепи, состоящему из дополнительного кольцевого элемента 17, двух аксиальных добавочных воздушных зазоров 27, двух дополнительных сердечников б и полюсов 8 первой полюсной системы 4 ротора 3, двух основных воздушных зазоров 25, и далее разветвляется в пакетах 4 статоров 1 на две параллельные ветви. Одна часть общего потока возбуждения замыкается через два основных воздушных зазора 25, полюса 11 и два сердечника 9 второй полюсной системы 5 ротора 3, два радиальных добавочных воздушных зазора 26 и наружный магнитопровод 16.

Другая часть общего потока возбуждения замыкается через два основных воздушных ,зазора 25, полюса 14 и два сердечника 12 второй полюсной системы 5 ротора 3. При выполнении машины по фиг.З магнитный поток, создаваемый дополнительным кольцевым элементом индуктора 16, изготовленным из магнитотвердого материала и являющимся источником потока возбуждения, проходит по участкам магнитной цепи, аналогично фиг.1.

При выполнении машины по фиг.4 магнитный поток создается как постоянным магнитом 28, так и катушками возбуждения 18 и 19. Распределение магнитных потоков аналогично фиг.1.

Таким образом, на роторе 3 образуется переменнополюсная система полюсов, а магнитные потоки, создаваемые источником 15 (источниками) возбуждения, создают суммарную ЭДС в обмотках 2 пакетов 4 статора 1 при работе машины генератором.

Работа машины в двигательном режиме аналогична работе известных бесконтактных синхронных двигателей переменного тока.

Проведенные расчеты показывают, что у машины мощностью 30 кВА масса ротора примерно в 1,5 раза меньше по сравнению с массой ротора машины той же мощности известной конструкции, а уменьшение аксиальных размеров позволяет снизить потери трения ротора об окружающую среду, примерно в 1,4 раза, при той же частоте вращения ротора.

Кроме того, предлагаемая конструкция обеспечивает возможность использования неподвижных постоянных магнитов в качестве источника потока возбуждения, что позволяет дополнительно уменьшить массу машины в целом и улучшить ее энергетические характеристики. Расчеты показывают, что у машины мощностью 30 кВА с возбуждением от постоянных магнитов (железо неодим - бор) масса машины уменьшается на 40%, а КПД увеличивается на 4%.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемая бесконтактная торцовая синхронная машина оберпечивает улучшение энергетических, электромагнитных характеристик и повышение надежности машины за счет снижения массы ее вращающихся частей.

Формула изобретения

1. Бесконтактная торцовая синхронная машина переменнополюсного типа, содержащая два пакета статора с обмотками, ротор с двумя дисками, каждый из которых включает первую и втррую системы полюсов противоположной полярности, расположенных между наружным и внутренним сердечниками диска, причем полюсы одной системы размещены между г1олюсами другой, а полюсы первой системы образуют радиальный зазор с наружной поверхностью внутреннего сердечника, к которой примыкают полюсы второй системы, индуктор с неподвижным кольцевым источником потока возбуждения и наружным магнитопроводом, Отличающаяся тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности путем снижения массы ротора, каждый диск ротора выполнен с дополнительным сердечником, на котором размещены полюсы первой магнитной системы, которые образу1бт радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного сердечника диска ротора, а полюсы второй системы примыкают к указанной поверхности, а в индуктор введен дополнительный кольцевой элемент, образующий аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительного серд€ чника каждого диска ротора.

2.Синхронная мащина по п. 1. о т л и чающаяся тем. что неподвижный кольцевой источник потока возбуждений выполнен в виде двух коаксиальных катушек, разделенных упомянутым дополнительным кольцевым элементом, который выполнен из магнитомягкого материала.

3.Синхронная машина по п. 1,отличающая с я тем, что дополнительный кольцевой элемент индуктора выполнен из магнитотвердого материала и намагничен в аксиальном направлении.

4; Синхронная машина по п.2, отличающаяся тем, что индуктор снабжен

кольцевым постоянным магнитом, намагниченным в аксиальном направлении, образующим аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника каждого Диска ротора.

5.Синхронная машина по n.2i отличающаяся тем, что индуктор снабжен п дополнительными кольцевыми элементами, каждый из которых установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы каждого диска ротора и. соответственно, п катушками возбуждения где п - целое четное

число, причем смежные катушки возбуждения включены встречно.

6.Синхронная машина по п.З, отличающаяся тем, что индуктор снабжен п дополнительными кольцевыми элементами,

каждый из которых образует аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительновведенногосердечникасоответствующей полюсной системы каждого диска ротора, где п - целое четное

число, при этом смежные дополнительные кольцевые элементы индуктора намагничены встречно друг относительно друга.

г

J9

фиг Л

П

/« //

1

11

(риг. 2

фигВ

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к бесконтактным торцовым синхронным машинам перемен- нополюсного типа. Целью изобретения является повышение быстродействия и надежности путем снижения массы ротора машины. Каждый диск ротора выполнен сдополнительным сердечником. На сердечнике размещены полюса первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного сердечника диска ротора. Полюсы второй системы примыкают к указанной поверхности. В индукторе размещен дополнительный кольцевой элемент, образующий аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника каждого диска ротора. Неподвижный кольцевой источник потока возбуждения может быть выполнен в виде двух коаксиальных катушек, разделенных дополнительным кольцевым элементом индуктора, который выполнен из магнитотвердого материала и намагничен в аксиальном направлении. Кроме того, индуктор может быть выполнен с кольцевым постоянным магнитом, намагниченным в аксиальном направлении. Магнит установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнител11ного сердечника каждого диска ротора. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.^чк«<в