Бесконтактная электрическая машина

Бесконтактная электрическая машина, относится к электротехнике и может быть использована в автономном электроприводе в качестве электродвигателя или генератора постоянного или переменного тока. Бесконтактная электрическая машина содержит статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами, причем число зубцов статора Z кратно числу фаз m. Новым по сравнению с прототипом является выполнение ротора с осевым намагничиванием и соотношение между активной длиной статора L_a и ее максимально возможным диаметром D_m, которое определяется как: L_a/D_m=0.5-0.01·Z_i; L _a - активная длина статора (мм); D_m - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (Dm=50 мм150 мм); Z_i - число зубцов статора (Z_i =236); Технический результат состоит в повышении критерия оптимизации, что позволяет минимизировать тепловые потери за счет обеспечения получения максимально возможного момента при максимальном постоянном диаметре и допустимом нагреве обмоток.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в автономном электроприводе в качестве электродвигателя или генератора постоянного или переменного тока.

Известна бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа (Патент РФ 2143777, НO2К 1/06, оп. 27.12.1999), содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами. Число зубцов статора Z кратно числу фаз m и число полюсов ротора 2р выбираются такими, чтобы разница между ними была ±1, где 1 - минимальное целое число, a m-фазная обмотка, каждая фаза которой состоит из 1-катушечных групп, намотана так, чтобы направление намотки на зубцах статора чередовались внутри каждой катушечной группы и чтобы на зубцах одной фазы, сдвинутых на 180°/1 направление было бы согласным при нечетном 1 и встречным при четном 1, а сдвиг между фазами m определяется как

при m=2·l;

при m=(2·l+1), где l=1, 2, 3,

Известна бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа (Патент РФ 2190292, НO2К 29/00, 1/16 оп. 27.09.2002), содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами.

Число зубцов статора Z, кратное числу фаз m и числу полюсов ротора 2р, выбирается как 2р=Z±1, при 1 - минимальное целое число. При этом его отношение между активной длиной L и его активным диаметром D и числом равномерно расположенных зубцов статора Z определяется как

при Z=2p±l;

Z - число зубцов статора;

l - минимальное целое число;

р - число пар полюсов.

Наиболее близким аналогом является бесконтактная электрическая машина (Патент РФ 31070, НO2К 29/00 НO2К 1/16 НO2К 19/10 от 10.07.2003), содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами, причем число зубцов статора Z кратно числу фаз m. При этом соотношение между активной длиной ротора L_a и его активным диаметром D_a определяется как

при ;

Z - число зубцов статора;

р - число пар полюсов ротора.

Недостатком известных аналогов, в том числе и прототипа, является определение критерия оптимизации без учета максимально допустимого внешнего диаметра бесконтактной машины (например, в случае ее встраивания в другие узлы), а также без учета предельных тепловых ограничений и факторов стоимости изделия, что определяется в основном стоимостью активного объема машины. Кроме того, различные типы магнитных систем (с осевым или радиальным возбуждением) не всегда могут быть сведены к общему критерию максимальной жесткости механической характеристики при одном и том же соотношении (L_a/D_a) _opt, так как существуют различные условия для реализации электромеханических характеристик даже при наличии одинакового активного объема машины V_a.

В прототипе указанные соотношения связаны зависимостями, которые приводят к нерациональным соотношениям основных параметров L_a и D_a не приемлемых для данного конструктивного исполнения при ограничении максимально возможного диаметра D_m150 мм.

Задачей полезной модели является создание устройства, позволяющего создавать необходимый электромагнитный момент на валу машины при ограничении его внешнего диаметра (не более 150 мм) при ограничении его тепловых параметров и стоимости.

Технический результат состоит в повышении критерия оптимизации, что позволяет минимизировать тепловые потери за счет обеспечения получения максимально возможного момента при максимальном постоянном диаметре и допустимом нагреве обмоток.

Новая совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения указанного технического результата. Бесконтактная электрическая машина, содержит статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами, причем число зубцов статора Z кратно числу фаз m. Новым является выполнение ротора с осевым намагничиванием и определение соотношения между активной длиной статора L_a и максимально возможным диаметром D _m бесконтактной электрической машины как:

L_a/D_m=0.5-0.01·Z_i;

L_a - активная длина статора (мм);

D _m - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D_m=50 мм150 мм);

Z_i - число зубцов статора (Z_i=236);

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на фиг.1 которого показаны основные конструктивные элементы статора бесконтактной электрической машины, на фиг.2 - основные конструктивные элементы ротора бесконтактной электрической машины, а на фиг.3 - поперечное сечение (А-А) бесконтактной электрической машины.

На фиг.1 показаны следующие обозначения:

1. Диск статора.

2. Зубцы статора.

3. Обмотка статора.

D_m - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D_m=50 мм150 мм);

L_a - активная длина бесконтактной электрической машины (мм);

b _z - ширина зубца статора (мм);

l_a - активная длина зубца статора (мм);

b_k - ширина катушки статора (мм);

l_cp - средняя длина витка катушки статора (мм);

D _a - активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);

На фиг.2 показаны обозначения:

4. Магниты ротора.

5. Магнитопровод ротора.

L_a - активная длина ротора (мм);

b_p - ширина полюса ротора (мм);

l _а - активная длина полюса ротора (мм);

На фиг.3 показаны обозначения:

1. Диск статора.

2. Зубцы статора.

3. Обмотка статора.

4. Магниты ротора.

5. Магнитопровод ротора.

h_{st s} - высота стали статора (мм);

h_k - высота катушки статора (мм);

L_m - высота магнита ротора (мм);

h_{st R} - высота стали ротора (мм);

L_i - изменяемая активная толщина бесконтактной электрической машины при i=236 (мм).

Бесконтактная электрическая машина состоит из статора 1 с Z зубцами 2 статора 1, на которых размещена m фазная обмотка 3, примыкающая через рабочий зазор к торцевым поверхностям (2р) магнитов 4 ротора, намагничиваемых вдоль оси машины и расположенные симметрично на дисковом магнитопроводе 5 ротора.

Для выбора оптимальных геометрических соотношений при заданном максимально возможном диаметре Dm бесконтактной электрической машины и для сравнения различных модификаций предлагается использовать приведенный критерий оптимизации удельной жесткости механической характеристики K_oi, приходящей на единицу активного объема машины V_ai.

;

M_i - суммарный момент машины (Нм);

P_i - суммарные (омические) потери в машине (Вт);

- активный объем машины (мм³);

D_m - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D_m=50 мм150 мм);

L_i - изменяемая активная толщина бесконтактной электрической машины (мм);

L_i=h_{st s}+h_k+L_m+h _{st R} - изменяемая активная толщина бесконтактной электрической машины (мм);

h_{st s} - высота стали статора (мм);

h_k - высота катушки статора (мм);

L_m - высота магнита ротора (мм);

h_{st R} - высота стали ротора (мм).

Записывая: ;

Br - остаточная индукция магнита ротора (Тл);

l_ai=L_ai-2b_ki - изменяемая активная длина полюса катушки (мм);

L_ai - изменяемая активная длина машины (мм);

b_ki - изменяемое значение ширины катушки статора (мм);

D_ai - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);

Z_i - число зубцов статора (Z_i=236);

jk - плотность тока в катушке статора (А/мм²);

(qw_k)_i - изменяемое значение суммарного сечения меди катушки статора (мм²),

а - изменяемые суммарные (омические) потери в машине (Вт);

jk - плотность тока в катушке статора (А/мм² );

- удельное сопротивление меди статора (Ом·мм ²/м);

l_cpi - изменяемая средняя длина витка катушки статора (мм);

(qw_k )_i - изменяемое значение суммарного сечения меди катушки статора (мм²);

Z_i - число зубцов статора (Z_i=236);

и учитывается, что ;

А - линейная нагрузка (А/мм);

Z_i - число зубцов статора (Z_i=236);

D_ai - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм),

а ;

b_ki - изменяемое значение ширины катушки статора (мм);

К₃ - коэффициент заполнения меди катушки статора;

А - линейная нагрузка (А/мм);

- изменяемое значение ширины катушки статора (мм);

b_zi=2b_ki - ширина зубца статора (мм);

b_pi=3b_ki - ширина полюса ротора (мм);

D_ai - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);

Z_i - число зубцов статора (Z_i =236),

и задавая предельные значения А (линейной нагрузки), jk (плотности тока), можем, изменяя D_ai (изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины) и L_ai (изменяемая активная длина бесконтактной электрической машины) в зависимости от i, то есть от Z_i находим (после преобразования), что K_oi (критерий оптимизации удельной жесткости механической характеристики) достигает максимума при - оптимальное число зубцов машины, что приводит к соотношению

;

L_ai - изменяемая активная длина бесконтактной электрической машины;

D_ai - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины;

Z_o - оптимальное число зубцов бесконтактной электрической машины;

Zmax=36 - максимальное число зубцов статора;

тогда, при D_m=50 мм150 мм и Z_i=236,

(L_a)_opt=0.26D _m;

(D_a)_opt=0.74D _m;

(L_a)_opt - оптимальная активная длина бесконтактной электрической машины (мм);

(D_a)_opt - оптимальный активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);

D _m - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D_m=50 мм150 мм);

Данные соотношения позволяют определить самые важные параметры в двигателе. При условии задания Z _i - числа зубцов статора (в поворотных устройствах Z _i задают в зависимости от требуемого угла поворота исполнительного механизма, то есть когда двигатель работает при m=1 режиме моментного двигателя), что также резко уменьшается мощность потребления при заданных габаритах за счет рационального выбора L_a (активной длины статора), D_a (активного диаметра машины), h_k (высоты катушки статора) и b_k (ширины катушки статора).

Общая формула при различных Z_i (иногда задаваемых из эксплуатационных особенностей применения этих двигателей) будет такой:

L_ai=Dm·(0.5-0.01·Z_i);

D_ai=Dm·(0.5+0.01·Z_i);

при Z_i=236 и D_m=50 мм150 мм

L_ai - изменяемая активная длина бесконтактной электрической машины (мм);

D_ai - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);

D_m - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D_m=50 мм150 мм);

Z_i - число зубцов статора (Z_i=236), т.е.

L_a/D_m=0.5-0.01·Z _i;

L_ai - активная длина статора (мм);

Зная эти соотношения, можно быстро и рационально выбрать важные соотношения как в роторе, так и в статоре.

Выполненная по данной конструктивной схеме бесконтактная электрическая машина весом около 3 кг при мощности Р=8×24=192 Вт развивает максимальный допустимый момент 8 Нм, что соответствует С_m=m/I>1,3 Нм, а в рабочем режиме развивает 3 Нм при мощности всего P=I²·R, Р=21 Вт при максимально возможном внешнем диаметре D_m=100 мм и длине L=50 мм.

При этом динамические параметры машины позволяют реализовать входные сигналы в виде прямоугольных и треугольных импульсов тока с ошибкой не превышающей 10% и 2% соответственно.

Бесконтактная электрическая машина, содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами, причем число зубцов статора Z кратно числу фаз m, отличающаяся тем, что ротор выполнен с осевым намагничиванием, а соотношение между активной длиной статора L_a и ее максимально возможным диаметром D _m определяется как:

L_a/D_m=0,5-0,01·Z _i,

L_a - активная длина статора, мм;

D_m - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D_m=50 мм150 мм);

Z_i - число зубцов статора (Z _i=236).