Электрическая машина с постоянными магнитами
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в электромашиностроении при производстве электрических машин. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является: создание электрической машины с постоянными магнитами, с улучшенными параметрами активной части якоря в области низких частот вращения. При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технические результаты: А. Уменьшение активного сопротивления обмотки и расхода меди якоря. Б. Уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния обмотки якоря. В. Уменьшение массы активной части якоря. Указанные технические результаты достигаются за счет того, что магнитная цепь якоря, выполненная с аксиальным размещением полюсов, преобразует переменное радиальное поле индуктора в аксиально направленное переменное поле якоря, равное сумме всех пар полюсов индуктора и сцепленное с кольцевой обмоткой якоря.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в области производства электрических машин.
Аналогом полезной модели является устройство (Авторское свидетельство СССР №1594655, кл. Н 02 К 14/06, 1984), содержащее статор (якорь) и ротор.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков аналога: «содержащая статор, ротор, кольцевую обмотку».
Недостатками аналога являются:
А. Большой расход меди из-за недоиспользования стали модулей.
Б. Большое индуктивное сопротивления рассеяния кольцевой обмотки.
В. Большая масса активной части якоря.
Прототипом полезной модели является электрическая машина с постоянными магнитами, содержащая статор (якорь) с зубцовой зоной и ротор (индуктор) (Балагуров В.А., Кецарис А.А., Лохнин В.В. Перспективы развития магнитоэлектрических генераторов с применением высококоэрцетивных постоянных магнитов. Электричество. 1977. №3. с.54-58).
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: «содержит якорь с зубцовой зоной, вал со втулкой, левый и правый торцевые щиты, вращающийся индуктор коллекторного типа, состоящий из магнитомягких полюсов, выполненных в виде сегментов, между
которыми расположены призматические магниты, намагниченные в тангенциальном направлении».
Недостатками прототипа в области низких частот вращения являются:
А. Большие активные сопротивления обмотки и расход меди якоря.
Б. Большое индуктивное сопротивление рассеяния якоря.
В. Большая масса активной части якоря.
Устранение недостатков может быть достигнуто путем установки на якоре магнитной цепи с аксиальным путем замыкания магнитного потока.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является: создание электрической машины с постоянными магнитами, с улучшенными параметрами активной части якоря в области низких частот вращения.
При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технические результаты:
А. Уменьшение активных сопротивлений обмотки и расхода меди якоря.
Б. Уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния якоря.
В. Уменьшение массы активной части якоря.
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что у электрической машины с постоянными магнитами, содержащей одномодульный (однофазный) якорь с зубцовой зоной, вал со втулкой, левый и правый торцевые щиты, вращающийся индуктор коллекторного типа с числом пар полюсов Р и полюсным делением Т, состоящий из магнитомягких полюсов, выполненных в виде сегментов и установленных между ними призматических постоянных магнитов с
тангенциальным намагничиванием и, при этом, станина, торцевые щиты и втулка выполнены из немагнитного материала, а на якоре в пределах его активной части высотой h установлен сплошной магнитомягкий или аксиально шихтованный кольцевой прямоугольный магнитопровод высотой h/2, примыкающий верхней гранью к станине и так, что оси симметрии его и активной части якоря совпадают, а 2Р полюсов якоря выполнены в виде прямоугольных массивных или шихтованных пластин с толщиной Т и высотой h, и у которых с одной боковой стороны выполнен фигурный вырез, ниже которого расположен собственно полюс «когтеобразного типа», а выше - его фланцевая часть высотой, равной h/2 и установлены в аксиальном направлении радиально с шагом, равном 2·Т и Р из них - левые - между левым торцевым щитом и левой боковой поверхностью кольцевого магнитопровода, а другие Р полюсов - правые - между правой боковой поверхностью кольцевого магнитопровода и правым торцевым щитом и так, что левые и правые полюсы радиально смещены относительно друг друга на величину Т, а фигурные вырезы полюсов обращены друг к другу, образуя кольцевой паз, причем «когтеобразные» части левых и правых полюсов не пересекаются в радиальных плоскостях, и их фланцевые части образуют совместно с кольцевым магнитопроводом общий фланец якоря, а в кольцевом пазу установлена кольцевая обмотка якоря.
На фиг.1 показан продольный разрез машины; на фиг.2 показано взаимное расположение внутренних, обращенных к воздушному зазору, граней полюсов якоря и индуктора.
Электрическая машина с постоянными магнитами содержит вал 1, левый немагнитный торцевой щит 2, два немагнитных бандажных кольца 3, левые полюсы 4 и их фланцевые части 5, немагнитную станину 6, якорную кольцевую обмотку 7, кольцевой магнитопровод 9 и его установочные левые зубцы 8 и правые зубцы 10, правый полюс 11 и его фланцевая часть 12, правый немагнитный торцевой щит 13, постоянные магниты 14, немагнитная втулка 15 в виде двух торцевых колец, немагнитное цилиндрическое кольцо 16, магнитомягкие северные полюсы 17 индуктора и его южные полюсы 18, выводы обмотки якоря 19, пути потока индуктора во фланце полюсов якоря - линии 20 и в межполюсном пространстве индуктора - пунктирные линии 21.
Кроме того, полярность полюсов индуктора обозначена: S - южный полюс и N - северный.
Электрическая машина при одномодульном исполнении якоря работает в режиме генератора следующим образом.
При вращении индуктора от постороннего двигателя в определенный момент времени, левые полюсы 4 якоря числом Р, прилегающие к зазору, расположены над северными полюсами 17 индуктора, а правые полюсы 11 числом Р - над южными полюсами 18.
Таким образом Р пар полюсов индуктора создают одновременно аксиально направленный поток Ф=Р·Фп, где Фп - поток под одним полюсом якоря, и который замыкается по часовой стрелке вокруг катушки 7 по цепи 4-5-9-12-11-18-17-4. При повороте индуктора на его полюсное деление Т левые полюсы
якоря 4 будут уже располагаться над южными полюсами индуктора 18, а правые полюсы 11 якоря - над северными полюсами 17 индуктора. И в этом случае Р пар полюсов якоря создают поток Ф, замыкающийся в аксиальном направлении по указанной выше цепи, но против часовой стрелки. Следовательно, катушка 7 будет сцеплена с относительно большим знакопеременным потоком, изменяющимся с частотой F=Рn/60, где n - частота вращения индуктора. На зажимах ее обмотки 19 появляется переменное с частотой F напряжение и ток при подключенной нагрузке.
Сравнительные технические оценки предлагаемой и традиционной электрической машины прототипа с радиальным потоком якоря и с одним и тем же индуктором коллекторного типа с внешним диаметром D=350,14 мм, с заданным объемом и типом постоянных магнитов, мощностью 1500 Вт при n=60 об/мин, плотностью тока обмотки якоря i=7 А/мм и степенью защиты IP44, приведены в таблице 1, где индукция В указана в предположении, что полюс якоря равен по длине полюсу индуктора, что имеет место у традиционной электрической машины.
Таблица 1. | ||||
Параметры | Обозначение | Предлагаемый генератор | Генератор прототипа | |
1. | 2. | 3. | 4. | 5. |
Средняя индукция в воздушном зазоре машины, | В | 0,41 | 0,41 | 0,8 |
Число витков обмотки Якоря | W | 115,0 | 5030,0 | 2520,0 |
Сопротивление обмотки якоря, Ом при 20 С | R1 | 1,672 | 14,63 | 7,1 |
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря, Ом | X1 | 3,7 | 224,2 | 30,85 |
1. | 2. | 3. | 4. | 5. |
Масса меди обмотки якоря, кг | Gм1 | 1,5 | 13,128 | 6,346 |
Объем магнитов, о.е. | Vм | 1 | 1 | 2 |
Масса активной части якоря, Кг | G1 | 11,4 | 23,6 | 20,6 |
В графе 5 табл.1 значения отдельных величин получены при допустимых значениях В=0,8 Тл и линейной нагрузке А=360 А/см электромашины прототипа.
Одновременно отметим, что полюсы якоря 4 и 11 предлагаемой электромашины занимают меньше половины длины полюса индуктора 17 и 18, но под ними концентрируется поток, создающий индукцию В=0,8 Тл, поскольку указанные полюсы 17 и 18 - это полюсные наконечники для магнитов индуктора 14 и их поток свободно проходит в аксиальном направлении, концентрируясь под полюсами 4 или 11, поскольку обычно средняя индукция в самом полюсе индуктора не превышает 0,4-0,6 Тл. Поэтому коэффициент использования магнитов индуктора в предлагаемой электромашине составляет 85-95%.
С учетом сравнительных расчетов (табл.1) возможность осуществления полезной модели с реализацией указанного назначения подтверждается известностью средств и методов получения устройств.
Таким образом, подтверждена возможность осуществления полезной модели.
При осуществлении полезной модели будут получены следующие технические результаты:
А. Уменьшение активного сопротивления обмотки и расхода меди якоря за счет того, что обмотка якоря сцеплена с потоком, превышающим в Р раз поток одного полюса индуктора.
Б. Уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния обмотки якоря за счет отсутствия традиционной зубцовой зоны, малой магнитной проводимости поверхностей полюсов якоря, удаленных в пространстве относительно друг друга на сравнительно большие немагнитные промежутки, и сравнительно малого числа витков обмотки якоря.
В. Уменьшение активной массы якоря за счет отсутствия традиционной зубцовой зоны, уменьшения расхода меди якоря и особенностями предлагаемой конструкции магнитопровода якоря.
2. Пара - «левый и правый» полюсы якоря предлагаемой электрической машины с постоянными магнитами по п.1 изготовлены из одной, изогнутой в двух плоскостях массивной или шихтованной пластины с фигурным вырезом в ее центральной части.
Возможность выполнения подобных пластин подтверждена известностью технических средств и методов.
При осуществлении полезной модели будет получен дополнительно следующий технический результат:
- исключение стыков в магнитной цепи якоря;
- повышение жесткости конструкции якоря.
3. Возможность выполнения магнитной цепи якоря электрической машины с постоянными магнитами по п.1 путем литья и заполнения воздушных промежутков немагнитным материалом подтверждена известностью технических средств и методов.
При выполнении полезной модели будут получены дополнительно следующие технические результаты:
- повышение жесткости конструкции якоря;
- улучшение теплосъема с кольцевой обмотки якоря.
4. Возможность выполнения электрической машины с постоянными магнитами по п.1 в трехфазном исполнении подтверждена известностью технических средств и методов.
1. Электрическая машина с постоянными магнитами содержит неподвижный одномодульный (однофазный) якорь с зубцовой зоной, вал с втулкой, левый и правый торцевые щиты, вращающийся индуктор коллекторного типа с числом пар полюсов Р и полюсным делением Т, состоящий из магнитомягких полюсов, выполненных в виде сегментов и установленных между ними призматических постоянных магнитов с тангенциальным намагничиванием, отличающаяся тем, что станина, торцевые щиты и втулка выполнены из немагнитного материала, а на якоре в пределах его активной части высотой h установлен сплошной или аксиально шихтованный кольцевой прямоугольный магнитопровод высотой h/2, примыкающий верхней гранью к станине и так, что оси симметрии его и активной части якоря совпадают, а 2·Р полюсов якоря выполнены в виде прямоугольных массивных или шихтованных пластин толщиной, равной Т, и высотой h, и у которых с одной боковой стороны выполнен фигурный вырез, ниже которого расположен собственно полюс "когтеобразного" типа, а выше - его фланцевая часть с высотой, равной h/2, и установлены в аксиальном направлении радиально с шагом, равным 2·Т, и Р из них - левые, между левым торцевым щитом и левой боковой поверхностью кольцевого магнитопровода, а другие Р полюсов - правые, между правой боковой поверхностью кольцевого магнитопровода и правым торцевым щитом и так, что левые и правые полюсы радиально смещены относительно друг друга на величину Т, а фигурные вырезы полюсов обращены друг к другу, образуя кольцевой паз, причем "когтеобразные" части левых и правых полюсов не пересекаются в радиальных плоскостях и их фланцевые части образуют совместно с кольцевым магнитопроводом общий фланец якоря, а в кольцевом пазу установлена кольцевая обмотка якоря.
2. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.1, отличающаяся тем, что каждая пара разноименных полюсов якоря выполнена из одной, изогнутой в двух плоскостях, массивной или шихтованной пластины с фигурным вырезом в ее центральной части.
3. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.1, отличающаяся тем, что полюсы и их фланцевые части совместно с кольцевым магнитопроводом выполнены одновременно путем литья, а воздушные промежутки магнитной цепи якоря заполнены немагнитным материалом.
4. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.1, отличающаяся тем, что в пределах активной части якоря установлены три модуля, аналогичных модулю в однофазном варианте и сдвинутых относительно друг друга на 120 электрических градусов, а между 1 и 2 и 2 и 3 модулями размещены дистанционно-установочные диски из немагнитного материала.