Электрическая машина
Полезная модель относится к обратимым преобразователям энергии, применимым в области нетрадиционной энергетики, машиностроении и других областях техники. Электрическая машина содержит ротор с осью (1), диск (2) ротора из немагнитного материала, кольцеобразный ряд кольцевых постоянных магнитов (3, 4, 5) с осевой и радиальной намагниченностью, экранированный статор с кольцеобразным рядом статорных обмоток (6, 7). Кольцевые постоянные магниты (3) размещены навстречу друг другу одноименными полюсами, а кольцевые постоянные магниты (4, 5) с радиальной намагниченностью размещены между одноименными полюсами магнитов (3). Статорные обмотки (6, 7), симметрично с двух сторон огибающие кольцевые постоянные магниты (3, 4, 5), могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. В пространстве над зазорами кольцевых постоянных магнитов (3) достигается высокая концентрация магнитных потоков, пересекающих витки статорных обмоток (6, 7), за счет чего достигается высокий КПД преобразователя энергии.
Полезная модель относится к преобразователям нетрадиционных источников энергии, предназначена для использования в энергетике, машиностроении, в стационарных и мобильных энергетических установках.
Известно устройство, работающее как двигатель, генератор или комбинированный двигатель-генератор, содержащее кольцеобразный ряд обмоток статора и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора. В известном устройстве обмотки статора размещены на железных сердечниках из листов или прессованного порошка железа, а, нераспределенные в пазах, сердечники с обмотками чередуются с железными сердечниками без обмоток (см. патент 2234788 С2, опубликованный 25.05.2000), прототип.
Недостатком прототипа является низкий КПД преобразования энергии, обусловленный потерями механической мощности на преодоление сил притяжения постоянных магнитов якоря с сердечниками статорных обмоток для генераторов, и аналогичными потерями электрической энергии в двигателях при смещении якоря от нейтрального положения, когда силы притяжения между постоянными магнитами ротора с сердечниками обмоток статора, кроме радиальных составляющих, будут иметь тангенциальные составляющие, на преодоление которых затрачивается определенная энергия.
Технический результат заключается в повышении КПД преобразования энергии за счет уменьшения потребляемой мощности преобразователя, как в режиме генерации электрической энергии, так и в режиме двигателя, а так же в уменьшении веса, уменьшении металлоемкости за счет использования обмоток статора без железных сердечников и повышении интенсивности магнитных потоков путем комбинирования системы постоянных магнитов.
Технический результат достигается тем, что электрическая машина содержит экранированный статор с кольцеобразным рядом обмоток, ротор с осью, диск ротора с кольцеобразным рядом кольцевых постоянных магнитов.
Особенностью является то, что кольцевой ряд кольцевых постоянных магнитов выполнен из кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью и кольцевых постоянных магнитов с радиальной намагниченностью, размещенных по окружности диска ротора из немагнитного материала, чередующихся между собой, а кольцевые постоянные магниты с осевой намагниченностью расположены навстречу друг другу одноименными полюсами с зазорами, в каждом из которых с зазорами размещены кольцевые постоянные магниты с радиальной намагниченностью, причем между северными полюсами кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью размещены кольцевые постоянные магниты с радиальной намагниченностью, северные полюсы которых находятся на внешней образующей этих кольцевых постоянных магнитов, а в зазорах между южными полюсами кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью размещены кольцевые постоянные магниты с радиальной намагниченностью, на внешней образующей которых находятся южные полюсы, статорные обмотки имеют в развернутом виде в плане форму равнобедренной трапеции, огибающей боковыми сторонами полуокружности кольцевых постоянных магнитов, а большая и малая стороны каждой статорной обмотки имеют длину, обеспечивающую расположение боковых сторон, огибающие кольцевые постоянные магниты, над двумя соседними зазорами между кольцевыми постоянными магнитами с осевой намагниченностью на их середине и над кольцевыми постоянными магнитами с радиальной намагниченностью, при этом экран, выполненный в виде двух одинаковых кольцеобразных пластин из магнитомягкого железа симметрично облегает статорные обмотки с внешних сторон корпуса. Между статорными обмотками, размещенными в пазах двух профилированных сопрягающихся половин корпуса статора, и кольцевыми постоянными магнитами имеется зазор с минимальной величиной, обеспечивающей прохождение кольцеобразного ряда кольцевых постоянных магнитов без касания статорных обмоток и корпуса статора. Между составляющими корпуса со статорными обмотками со стороны оси ротора имеется зазор, обеспечивающий свободное размещение способного свободно вращаться диска ротора. Относительные размеры упомянутых элементов ротора находятся в следующих пределах: длина каждого кольцевого постоянного магнита с осевой намагниченностью составляет (0,2÷0,4) от его внешнего диаметра; длина каждого кольцевого постоянного магнита с радиальной намагниченностью составляет (0,1÷0,15) от его внешнего диаметра; величина зазора между кольцевыми постоянными магнитами с осевой намагниченностью не более 1,5 от длины каждого из них, а ширина намотки каждой статорной обмотки не должна превышать величины зазора между одноименными полюсами кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображено: на фиг.1 - схематически показано взаимное расположение кольцевого ряда кольцевых постоянных магнитов и кольцеобразного ряда обмоток; на фиг.2 - показана форма обмоток и их взаимное расположение; на фиг.3 - показана часть корпуса в разрезе; на фиг.4 - схематическое изображение визуализированных силовых магнитных линий кольцевых постоянных магнитов, пересекающих витки обмоток.
Электрическая машина (фиг.1) содержит ротор с осью 1, диск 2 ротора из немагнитного материала, закрепленный на оси 1, по периферии диска 2 закреплен кольцеобразный ряд кольцевых постоянных магнитов 3, 4, 5. Кольцевые постоянные магниты 3 с осевой намагниченностью расположены навстречу друг другу одноименными полюсами с зазорами 
M1, в каждом из которых с зазорами М2, размещены кольцевые постоянные магниты 4, 5 с радиальной намагниченностью. Между северными полюсами кольцевых постоянных магнитов 3 с осевой намагниченностью размещены кольцевые постоянные магниты 4 с радиальной намагниченностью, северные полюсы которых находятся на внешней образующей этих кольцевых постоянных магнитов 4, а в зазорах М1 между южными полюсами кольцевых постоянных магнитов 3 с осевой намагниченностью размещены кольцевые постоянные магниты 5 с радиальной намагниченностью, на внешней образующей которых находятся южные полюсы. Статорные обмотки 6, 7 имеют в развернутом виде в плане форму равнобедренной трапеции, огибающей боковыми сторонами АВС и DEF (см. фиг.2) полуокружности кольцевых постоянных магнитов 3, 4, 5, а большая и малая стороны AD и CF каждой статорной обмотки 6, 7 имеют длину, обеспечивающую расположения боковых сторон АВС и DEF, огибающих кольцевые постоянные магниты 3, 4, 5 над двумя соседними зазорами М1 между кольцевыми постоянными магнитами 3 с осевой намагниченностью по их середине и над кольцевыми постоянными магнитами 4, 5 с радиальной намагниченностью. Экран, выполненный из двух одинаковых кольцеобразных пластин 8, 9 (см. фиг.3) из магнитомягкого железа симметрично облегает статорные обмотки 6, 7 с внешних сторон корпуса статора 10, состоящего из двух симметричных профилированных сопрягающихся половин. Между статорными обмотками 6, 7, размещенные в пазах двух профилированных сопрягающихся половин корпуса статора 10 и кольцевыми магнитами 3, 4, 5 имеется зазор 
1 с минимальной величиной, обеспечивающий прохождение кольцеобразного ряда кольцевых постоянных магнитов 3, 4, 5 без касания статорных обмоток 6, 7 и корпуса статора 10. Между составляющие корпуса статора 10 со статорными обмотками 6, 7 со стороны оси 1 ротора имеется зазор 2, обеспечивающий свободное размещение способного вращаться диска 2 ротора. Относительные размеры элементов ротора находятся в следующих пределах: длины Lм1 каждого кольцевого постоянного магнита 3 с осевой намагниченностью составляет (0,2÷0,4) от его внешнего диаметра Dм1; длина Lм2 каждого кольцевого магнита 4, 5 с радиальной намагниченностью составляет (0,1÷0,15) от его внешнего диаметра Dм2 ; величина зазора M1 между кольцевыми постоянными магнитами 3 с осевой намагниченностью составляет не более 1,5 от длины Lм1 каждого из них, а ширина намотки каждой статорной обмотки 6, 7 не должна превышать величины зазора M1 между одноименными полюсами кольцевых постоянных магнитов 3 с осевой намагниченностью.
Отсутствие железных сердечников у обмоток статора облегчает конструкцию машины и ее вес. За счет размещения между кольцевыми постоянными магнитами 3 с осевой намагниченностью, их встречного размещения и установкой между ними кольцевых постоянных магнитов 4, 5 с радиальной намагниченностью достигается высокая концентрация магнитного поля (см. фиг.4) в область статорных обмоток 6, 7, что приводит к повышению КПД преобразователя энергии, а отсутствие неоднородностей магнитопроводов экрана по окружности диска 2 ротора не вызывает появления тангенциальных составляющих сил притяжения между кольцевыми постоянными магнитами 3, 4, 5 и экраном что в свою очередь приведет к уменьшению затрат энергии на вращение ротора. Все это справедливо как для режима генератора, так и для режима электрического двигателя.
1. Электрическая машина, содержащая экранированный статор с кольцеобразным рядом обмоток, ротор с осью, диск ротора с кольцеобразным рядом кольцевых постоянных магнитов, отличающаяся тем, что кольцеобразный ряд кольцевых постоянных магнитов выполнен из кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью и кольцевых постоянных магнитов с радиальной намагниченностью, размещенных по окружности диска ротора из немагнитного материала, чередующихся между собой, а кольцевые постоянные магниты с осевой намагниченностью расположены навстречу друг другу одноименными полюсами с зазорами, в каждом из которых с зазорами размещены кольцевые постоянные магниты с радиальной намагниченностью, причем между северными полюсами кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью размещены кольцевые постоянные магниты с радиальной намагниченностью, северные полюсы которых находятся на внешней образующей этих кольцевых постоянных магнитов, а в зазорах между южными полюсами кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью размещены кольцевые постоянные магниты с радиальной намагниченностью, на внешней образующей которых находятся южные полюсы, статорные обмотки имеют в развернутом виде в плане форму равнобедренной трапеции, огибающей боковыми сторонами полуокружности кольцевых постоянных магнитов, а большая и малая стороны каждой статорной обмотки имеют длину, обеспечивающую расположение боковых сторон, огибающие кольцевые постоянные магниты, над двумя соседними зазорами между кольцевыми постоянными магнитами с осевой намагниченностью на их середине и над кольцевыми постоянными магнитами с радиальной намагниченностью, при этом экран, выполненный в виде двух одинаковых кольцеобразных пластин из магнитомягкого железа симметрично облегает статорные обмотки с внешних сторон корпуса.
2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что между статорными обмотками, размещенными в пазах двух профилированных сопрягающихся половин корпуса статора, и кольцевыми постоянными магнитами имеется зазор с минимальной величиной, обеспечивающей прохождение кольцеобразного ряда кольцевых постоянных магнитов без касания статорных обмоток и корпуса статора.
3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что между составляющими корпуса со статорными обмотками со стороны оси ротора имеется зазор, обеспечивающий свободное размещение способного свободно вращаться диска ротора.
4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что относительные размеры упомянутых элементов ротора находятся в следующих пределах: длина каждого кольцевого постоянного магнита с осевой намагниченностью составляет 0,2÷0,4 от его внешнего диаметра; длина каждого кольцевого постоянного магнита с радиальной намагниченностью составляет 0,1÷0,15 от его внешнего диаметра; величина зазора между кольцевыми постоянными магнитами с осевой намагниченностью не более 1,5 от длины каждого из них, а ширина намотки каждой статорной обмотки не должна превышать величины зазора между одноименными полюсами кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью.
