Электрическая машина с постоянными магнитами

Электрическая машина с постоянными магнитами, содержащая, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная, число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число сердечников статора z и число катушечных групп в фазе d связаны специальными формулами, с целью концентрации магнитного потока полюса индукторов образованы постоянными магнитами, расположенными в промежутках между сегментами ярем из магнитомягкого материала, магниты намагничены в тангенциальном направлении.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в качестве низкооборотных высокомоментных двигателей и низкооборотных генераторов.

Известен синхронный электродвигатель (А.с. СССР SU №1345291 по МПК Н02К 19/02, бюл. №38, 1987 г., автор Шевченко А.Ф.), содержащий статор с трехфазной обмоткой и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов..., катушки обмотки статора, принадлежащие одной фазе, расположены на полюсах, сдвинутых на 360 эл. град, включены встречно. Недостатком аналога является то, что сдвиг на 360 эл. град. между катушками одной фазы делает гармонический состав зависимости ЭДС от времени этого двигателя весьма обширным, что ухудшает виброакустические показатели, создает дополнительные потери мощности и ухудшает КПД.

Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является Электромеханический преобразователь (Патент Ru 2302692 С1, авторы Авдонин А.Ф., Дашко О.Г., Захаренко А.Б. и др. МПК Н02К 19/10), содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов - магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная, отличающийся тем, что число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число сердечников статора Z и число катушечных групп в фазе d связаны соотношениями:

p/d=k,

где: k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5... - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5 и d равно четному числу (2, 4, 6...) обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно и

0,5<Z/(2·p)<2,

и при этом

Z/(2·p)1.

Недостатком прототипа является неоптимальное расположение постоянных магнитов на роторе, не позволяющее сконцентрировать (увеличить) магнитный поток на малых диаметрах.

Целью настоящей полезной модели является создание оптимальной конструкции магнитоэлектрической машины, которая позволяла бы концентрировать магнитный поток постоянных магнитов. В двигательном режиме это позволяет увеличить вращающий момент, в генераторном - увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку.

Одним из лучших вариантов, как и в прототипе, является выполнение электрической машины, исходя из соотношения:

2р=d(b·m±1),

b - число катушек в катушечной группе якоря, m - число фаз.

Техническим результатом является концентрация магнитного потока за счет значительного увеличения радиального размера постоянного магнита по сравнению с тангенциальным. Направление намагниченности постоянного магнита в настоящем случае - в тангенциальном направлении, а в прототипе - было в радиальном. Магнитный поток магнита, определяется, в конечном итоге, его объемом и характеристикой намагничивания магнитной цепи. Однако, сам магнит имеет в рабочей точке низкую магнитную проницаемость, его магнитное сопротивление определяется размером в направлении намагниченности. Поэтому для оптимизации магнитной системы необходимо увеличивать объем постоянного магнита, снижая размер с направлении намагниченности, то есть надо увеличивать два других размера магнита. В прототипе для этого потребовалось бы увеличивать диаметры индукторов. В настоящем случае это осуществляется за счет увеличения толщины индукторов ротора в радиальном направлении.

Настоящая полезная модель поясняется фигурой чертежа 1 - эскизом поперечного сечения активной части электрической машины с внешним индуктором и внутренним якорем, Z=18, 2р=16. Катушки якоря на фиг.1 соединены параллельно, они могут быть также соединены последовательно.

Рассмотрим фигуру 1. На зубцах 1 сердечника якоря размещена трехфазная обмотка 2, где буквами А, В, С обозначены начала соответствующих фаз, каждая фаза состоит из двух катушечных групп 3 и 4, соединенных параллельно. Следует отметить, что число катушечных групп в фазе может быть равно d=1, 2, 3, 4... - целое положительное число, между собой они могут соединяться не только последовательно, но и параллельно (при d>1), а также образовывать параллельные ветви по нескольку последовательно соединенных катушечных групп в случае, если d=4, 6, 8, 10.... Для снижения числа высших гармонических в составе зависимости ЭДС от времени число катушек в катушечной группе якоря =2, 3, 4, 5, 6, 7... - целое положительное число большее или равное 2. Полюса индукторов ротора образованы постоянными магнитами 5, расположенными в промежутках между сегментами ярем 6, выполненных из магнитомягкого материала. Скрепление постоянных магнитов и сегментов ярем осуществляется при помощи опорных роторных колец, расположенных с боков, на фиг.1 - не показаны. Боковые опорные роторные кольца, как и опорные статорные кольца, подробно описанные в прототипе, соединяются с подшипниками и, таким образом, происходит позиционирование ротора относительно статора с возможностью вращения.

Сегменты ярем 6 индукторов должны быть изготовлены при помощи механообработки из отливки или поковки конструкционной стали с высокой магнитной проницаемостью, например, стали 10. При частотах перемагничивания, меньших 10÷15 Гц, зубцы 1 якоря, могут быть изготовлены аналогично сегментам 6 индуктора. При больших значениях упомянутой частоты зубцы 1 якоря должны быть шихтованы из листов электротехнической стали. С целью снижения стоимости сердечников якоря и индуктора они могут быть изготовлены из порошкового магнитомягкого материала, например, путем прессования.

Катушки обмотки 2 якоря наматываются из обмоточного провода, например, медного эмаль-провода, на электроизолирующие каркасы, либо на зубцовую (пазовую) изоляцию на каждый зубец. Для снижения электрических («омических») потерь катушечная группа, либо фаза обмотки якоря в целом, может наматываться непрерывным проводом.

Магнитоэлектрическая машина работает следующим образом. Магнитный поток полюсов индукторов наводится постоянным магнитом 5 индуктора, проходит ярмо 6 индуктора, воздушный зазор, ближайший зубец 1 якоря, другой воздушный зазор, ярмо 6 другого индуктора, постоянный магнит 5 другого индуктора, следующее ярмо 6 другого индуктора, другой воздушный зазор, зубец 1 якоря, воздушный зазор и замыкается по ярму 6 индуктора.

В двигательном режиме на зажимы каждой фазы обмотки 2 якоря электрической машины подается переменное напряжение, по обмотке протекает ток, вызывая вращающуюся МДС якоря. При взаимодействии магнитного потока обмотки 2 якоря с магнитным потоком индуктора в обмотке наводится ЭДС. Перемещаясь, волна МДС якоря вращает индуктор. Величина ЭДС обусловлена величиной магнитного потока индуктора и частотой вращения. При вращении ротора, магнитоэлектрическая машина будет отдавать механическую мощность в нагрузку. В режиме генератора ротор магнитоэлектрической машины приводится во вращение сторонним источником механической энергии, например, ветродвигателем, при этом вращающий момент прикладывают к ротору. Магнитный поток индукторов пересекает проводники обмотки 2 якоря, в которых наводится ЭДС. Если цепь нагрузки замкнута, по обмотке якоря протекает ток. Получаемая при этом электрическая энергия передается в нагрузку.

Обмотка якоря может быть соединена в звезду, как на фиг.1, а также в треугольник.

1. Электрическая машина с постоянными магнитами, содержащая, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах напротив друг друга, согласная, число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число сердечников статора z и число катушечных групп в фазе d связаны соотношениями:

p/d=k,

где k=1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5... - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0,5, при этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k отличном от целого числа на 0,5 и d равно четному числу (2; 4; 6...) обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно и

0,5<z/(2·p)<2,

и при этом

z/(2·p)1,

отличающаяся тем, что, с целью концентрации магнитного потока, полюса индукторов образованы постоянными магнитами, расположенными в промежутках между сегментами ярем из магнитомягкого материала, магниты намагничены в тангенциальном направлении.

2. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.1, отличающаяся тем, что отношение z/(2·р) для статорно-роторной пары устанавливают близким к единице.

3. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.2, отличающаяся тем, что соотношение z/(2·р) устанавливают исходя из соотношения

2·р=d·(b·m±1),

где b - число сердечников статора, приходящихся на одну фазную группу, m - число фаз.

4. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.1, отличающаяся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки якоря соединены между собой последовательно.

5. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.1, отличающаяся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки якоря соединены между собой параллельно.

6. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.1, отличающаяся тем, что при d=4; 6; 8; 10... катушечные группы одной и той же фазы обмотки якоря соединены последовательно-параллельно.

7. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.1, отличающаяся тем, что обмотка якоря соединена в звезду.

8. Электрическая машина с постоянными магнитами по п.1, отличающаяся тем, что обмотка якоря соединена в треугольник.