Бесщеточная электрическая машина

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обратимым бесщеточным электрическим машинам с электромагнитным возбуждением. Техническим результатом, достигаемым изобретением, является повышение компактности электрической машины с электромагнитным возбуждением, работающей в одном исполнении как электрогенератор, в другом - как электродвигатель, в третьем - исполняющей обе функции. Указанный технический результат достигается в электрической машине, имеющей вращающийся магнитопровод, на котором закреплены два венца несущих и навесных когтей. Модуль электромагнитного возбуждения состоит из неподвижного магнитопровода и обмотки возбуждения. Имеются фиксатор навесных когтей на несущих, средства управления и система охлаждения с вентилятором. Фиксатор представляет собой несколько вариантов перемычек различных форм. Сердечник обмотки возбуждения выполнен из двух втулок с зазором. Одна является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - вращающегося. Поверхности втулок, образующие зазор, имеют форму конусов. Втулка неподвижного магнитопровода дополнена диском, наружная поверхность которого образует с поверхностью вращающегося магнитопровода радиальное продолжение зазора между втулками. Каркасом обмотки возбуждения является кольцевая поверхность неподвижного магнитопровода с электроизоляционным покрытием. 21 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к обратимым бесщеточным электрическим машинам, работающим в режиме электрогенератора и/или электродвигателя, и может найти применение преимущественно в тех объектах техники, которым необходим источник электрического тока или механической энергии, сочетающий качества компактности, надежности и долговечности с низкой стоимостью.

Проблема повышения надежности и долговечности решается путем перехода на бесщеточные обратимые электрические машины.

Известна бесщеточная электрическая машина, содержащая смонтированные в корпусе статор с якорной обмоткой, роторный модуль, состоящий из вала, установленного в подшипниковых опорах, и закрепленной на валу системе постоянных магнитов, а также систему управления и охлаждения /1/.

Ее недостатками являются высокая стоимость из-за наличия постоянных магнитов, которые в большинстве случаев для повышения мощности изготавливают из редкоземельных материалов, а также низкий коэффициент полезного действия (КПД) на режимах частичной мощности из-за постоянного токосцепления со статорным пакетом.

Этих недостатков лишена взятая в качестве прототипа бесщеточная электрическая машина, имеющая средства управления и систему охлаждения с вентилятором и содержащая смонтированные в корпусе статор с якорной обмоткой, роторный модуль, включающий установленный в подшипниковых опорах вал с вращающимся магнитопроводом, на котором закреплен венец несущих когтей с расположенным в его промежутках венцом навесных когтей, имеющих фиксатор от окружных и осевых перемещений. Внутри венцов несущих и навесных когтей соосно расположен закрепленный на корпусе неподвижный магнитопровод с обмоткой возбуждения на нем в электроизолирующем каркасе, размещенной так, что сердечник обмотки составляют две втулки с зазором, одна из которых имеет минимально возможную толщину и является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - частью вращающегося магнитопровода. Фиксатор выполнен в виде кольца из диамагнитного материала, механически закрепленного изнутри к венцу несущих и навесных когтей /2/.

Недостатками прототипа являются повышенные массогабаритные показатели /3, с. 54/. Это вызвано появлением двух дополнительных воздушных зазоров, создающих повышенное сопротивление магнитному потоку и снижающих мощность электрической машины. Нерациональные конструкции фиксатора, обмотки возбуждения и магнитопроводов дополнительно увеличивают габаритные размеры.

Единой целью заявляемого изобретения является достижение общего технического результата - достижения наивысшей компактности бесщеточной электрической машины с электромагнитным возбуждением. Компактность конструкции достигается либо снижением габаритных размеров при сохранении мощности, либо повышением мощности при неизменных габаритных размерах. Повышение компактности конструкции приводит также к снижению ее удельной массы, а следовательно, к улучшению массогабаритных показателей.

Первый шаг в достижении единой цели изложен в пункте 1 формулы изобретения. В нем предлагается усовершенствовать электрическую бесщеточную машину обратимого типа, имеющую средства управления и систему охлаждения с вентилятором и содержащую смонтированные в корпусе статор с якорной обмоткой, роторный модуль, включающий установленный в подшипниковых опорах вал с вращающимся магнитопроводом, на котором закреплен венец несущих когтей с расположенным в его промежутках венцом навесных когтей, имеющих фиксатор от окружных и осевых перемещений. Внутри венцов несущих и навесных когтей соосно расположен закрепленный на корпусе неподвижный магнитопровод с обмоткой возбуждения на нем в электроизолирующем каркасе, выполненной так, что сердечник обмотки составляют две втулки с зазором, одна из которых является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - частью вращающегося магнитопровода.

Усовершенствование заключается в том, что фиксатор изготовлен из магнитопроводного материала и выполнен минимум у двух когтей хотя бы одного из венцов в виде перемычек между торцевой частью когтя и прилежащей к ней поверхностью выемки.

Такое техническое решение позволяет выполнять фиксатор за одно целое с материалом когтей или осуществлять посредством фиксатора сварку венцов когтей. Этим достигается снижение осевого и диаметрального габаритного размера за счет переноса конструктивных элементов крепления когтей из зоны, где размещены когти, функционально предназначенной для прохождения магнитного потока, в зону воздушного зазора, в которой имеется свободное пространство для размещения элементов конструкции.

Следующее усовершенствование заключается в том, что в электрической машине по пункту 1 перемычки выполнены из диамагнитного материала.

Такое техническое решение позволяет закреплять венец навесных когтей на венце несущих посредством фиксатора путем сварки, пайки или склеивания. Диамагнитный материал уменьшает замыкание магнитного потока в роторе. За счет этого повышается магнитная индукция в главном воздушном зазоре - между ротором и статором. Рост магнитной индукции приводит к пропорциональному росту мощности электрической машины, а следовательно, ее компактности.

Следующий шаг в достижении единой цели отражен в пункте 3 формулы. Он заключается в том, что в электрической машине по пункту 2 перемычки имеют U-образную форму в окружном направлении. При таком решении фиксатор пространственно занимает весь воздушный зазор. За счет увеличения длины перемычек удается снизить ее высоту, что в свою очередь позволяет снизить толщину венца навесных когтей и за счет этого уменьшить диаметральный габарит электрической машины.

Усовершенствование по пункту 4, заключающееся в том, что в электрической машине по пункту 3 перемычки соединены в сплошной кольцевой зигзагообразный фиксатор, усиливает эффект по пункту 3.

Следующий шаг в достижении единой цели -повышение компактности - отражен в пункте 5 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пункту 3 перемычки образуют сплошной замкнутый контур, охватывающий боковые поверхности навесных когтей со всех сторон. Такое усовершенствование дополнительно уменьшает толщину венца навесных когтей и снижает диаметральный размер, Наименьшая толщина венца навесных когтей реализуется при усовершенствовании по пункту 6. Оно заключается в том, что в электрической машине по пункту 5 перемычки, прилежащие к каждой торцевой стороне когтей, соединены между собой так, что они образуют замкнутые кольца.

Усовершенствование по пункту 7 приводит к возникновению принципиально другой возможности повышения компактности. Изобретение заключается в том, что в электрической машине по пунктам 5 и 6 перемычки выполнены из диамагнитного материала с удельным электрическим сопротивлением ниже, чем у материала когтей. В результате такого технического решения в синхронной машине образуются замкнутые электрические контуры, реализующие в ней асинхронные полюсы. Синхронные полюсы ротора наводят в якорной обмотке статора электродвижущую силу (ЭДС). Первая гармоника вращается синхронно с ротором, а более высокие гармоники асинхронно. Гармоники четных порядков быстрее ротора, а нечетные медленнее. Гармоники четных порядков наводят в замкнутых контурах ротора ЭДС, а значит, в них протекает электрический ток, который в свою очередь усиливает магнитный поток ротора. В результате этого мощность электрической машины повышается. Дополнительный эффект, снижающий габаритные размеры в режиме генератора, заключается в том, что для исключения окружного колебания роторов при параллельной работе нескольких синхронных генераторов на полюсах выполняют успокаивающую асинхронную обмотку, которая конструктивно занимает часть пространства полюсов, уменьшая тем самым магнитную индукцию в главном зазоре, а значит, и мощность. В заявляемой конструкции асинхронная обмотка занимает пространство между полюсами и не снижает магнитную индукцию в зазоре.

Усовершенствование по пункту 8 выполнено в электрической машине по пунктам 1 - 7 и заключается в том, что сердечник обмотки возбуждения выполнен из двух втулок с равным по величине поперечным сечением, установленных с зазором, одна из которых является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - частью вращающегося магнитопровода. Такое техническое решение позволяет снизить массу ротора путем переноса ее на неподвижный магнитопровод, который крепится на корпусе. При этом снижается нагрузка на подшипниковые опоры вала, что в свою очередь позволяет уменьшить их размеры, а значит, и габаритные размеры всей электрической машины.

Следующий шаг в достижении единой цели -повышение компактности - отражен в пункте 9 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 8 поверхности втулок, образующие зазор в сердечнике, выполнены в форме соосных конусов. Это позволяет магнитному потоку более равномерно проходить по сердечнику обмотки возбуждения, что снижает общее магнитное сопротивление магнитопроводов. В результате магнитная индукция в главном воздушном зазоре повышается, а следовательно, и мощность электрической машины.

Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 10 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 9 на конце втулки неподвижного магнитопровода выполнен диск из магнитопроводного материала, наружная поверхность которого образует с поверхностью подвижного магнитопровода радиальное продолжение зазора между втулками, образующими сердечник обмотки возбуждения. При этом площадь воздушного зазора между вращающимся и неподвижным магнитопроводами увеличивается, а следовательно, снижается его магнитное сопротивление. В результате повышаются магнитная индукция в главном воздушном зазоре, а следовательно, и мощность электрической машины.

Усовершенствование по пункту 11 выполнено в электрической машине по пункту 10 и заключается в том, что каркасом обмотки возбуждения является кольцевая поверхность неподвижного магнитопровода, защищенная электроизоляционным покрытием. Такое техническое решение позволяет отказаться от отдельного электроизолирующего каркаса, перенеся его функцию на неподвижный магнитопровод. Его материал позволяет повысить интенсивность теплоотвода от обмотки возбуждения и за счет этого повысить в ней плотность тока. Что в свою очередь при сохранении намагничивающей силы позволяет снизить диаметр провода или уменьшить число витков. Это приводит к снижению габаритных размеров обмотки возбуждения и электрической машины в целом.

Следующий шаг в достижении единой цели -повышение компактности - отражен в пункте 12 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 11 обмотка возбуждения выполнена из двух согласно подключенных частей, одна из которых через регулятор напряжения соединена параллельно с контактами электросети, а вторая - последовательно и напрямую. Это позволяет снизить мощность части системы управления электрической машины, отвечающей за управление обмоткой возбуждения, а значит, уменьшает размеры системы управления и элементов ее охлаждения. Реализация такого технического решения в бесщеточной электрической машине с электромагнитным возбуждением, по сравнению с контактными, обуславливает появление сверхсуммарного эффекта. Он заключается в том, что приводит к повышению КПД, надежности и долговечности благодаря исключению негативных эффектов, создаваемых в контактных машинах, подключением последовательной обмотки возбуждения, сила тока в которой имеет максимальное значение, через скользящие контакты. Негативные эффекты в контактных машинах столь велики, что в генераторах последовательная обмотка возбуждения практически не применяется, несмотря на значительное упрощение системы управления.

Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 13 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пункту 12 проводник последовательной обмотки выполнен из ленты шириной, равной осевому размеру катушки возбуждения. Это повышает коэффициент заполнения медью обмотки возбуждения и снижает ее габаритные размеры.

Усовершенствование по пункту 14 выполнено в электрической машине по пунктам 12, 13 и заключается в том, что начало последовательной обмотки электрически соединено с неподвижным магнитопроводом. Это уменьшает габаритные размеры, занимаемые выводами обмотки возбуждения, и уменьшает пространство, резервируемое для соединения выводов, за счет использования неподвижных частей электрической машины в качестве электропроводника.

Следующий шаг в достижении единой цели - повышение компактности - отражен в пункте 15 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пунктам 12 - 14 конец последовательной обмотки возбуждения соединен с началом параллельной обмотки. Это дополнительно уменьшает габаритные размеры, занимаемые выводами обмотки возбуждения.

Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 16 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пунктам 12 - 15 последовательная обмотка размещена ближе к сердечнику и выполнена из магнито- и электропроводного материала. Такое техническое решение позволяет совместить функции части обмотки возбуждения и ее сердечника, что снижает габаритные размеры ее и электрической машины в целом.

Усовершенствование по пункту 17 выполнено в электрической машине по пунктам 1 - 16 и заключается в том, что роторный модуль имеет симметрично себе второй тождественный роторный модуль, а статор выполнен общим для обеих половин ротора. Это позволяет снизить диаметральные размеры электрической машины.

Следующий шаг в достижении единой цели -повышение компактности - отражен в пункте 18 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пункту 17 параллельная и последовательная обмотки возбуждения выполнены на различных катушках возбуждения. Это дополнительно уменьшает пространство, резервируемое для соединения выводов.

Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 19 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 18 минимум один вентилятор расположен коаксиально внутри статорной обмотки так, что выходные кромки направлены на лобовые вылеты статорной обмотки, а сами лопатки выполнены за одно целое с фиксатором когтей. Такое техническое решение снижает габаритные размеры электрической машины на размеры вентилятора, т.к. в заявляемой конструкции он занимает ранее свободное пространство. Дополнительным эффектом, повышающим компактность, является повышение эффективности охлаждения статорной обмотки и непосредственно самого ротора. Снижение температуры статорной обмотки повышает ее КПД, а значит, и полезную мощность.

Усовершенствование по пункту 20 выполнено в электрической машине по пунктам 1 - 18 и заключается в том, что минимум один вентилятор расположен коаксиально внутри статорной обмотки так, что выходные кромки направлены на лобовые вылеты статорной обмотки, а сами лопатки выполнены за одно целое с материалом когтей. Эффект от такого технического решения аналогичен и равнозначен эффекту от решения по пункту 19 формулы изобретения.

Следующий шаг в достижении единой цели - повышение компактности - отражен в пункте 21 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 20 по крайней мере одна подшипниковая опора роторного модуля и узел крепления на корпусе модуля возбуждения объединены в единую конструкцию, содержащую внутренний фланец, который одновременно является радиальной частью неподвижного магнитопровода и боковой стенкой катушки возбуждения, и ответный наружный фланец корпуса, имеющий соосно валу посадочную поверхность под втулку подшипника, являющегося частью неподвижного магнитопровода, а также средства крепления. Средствами крепления могут быть, например, болты или общая гайка. Такое техническое решение снижает габаритные размеры электрической машины за счет конструктивного объединения в одном элементе центрирующего кольца неподвижного магнитопровода и посадочной втулки под подшипник. Поскольку посадочная втулка под подшипник в этом случае металлическая, снижается разбивка гнезда под подшипник в результате эксплуатации. Это позволяет уменьшить монтажную величину главного воздушного зазора. За счет этого увеличить магнитную индукцию в нем и как следствие мощность электрической машины.

Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 22 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 21 якорная обмотка статора выполнена m-фазной, где m -любое целое число больше единицы, статор выполнен с числом пазов Z = 2pm, где p - количество когтей одного из венцов ротора, фазные обмотки уложены со сдвигом на один паз, а ближайшие друг к другу выводы попарно соединены. В этом случае якорная обмотка соединена в так называемый "треугольник" таким образом, что отсутствует скрещивание выводов. Это позволяет уменьшить пространство, резервируемое для соединения выводов. Из-за скрещивания выводов, в общем случае, якорные обмотки соединяются в так называемую "звезду" с общим спаем. Наличие изолированного спая приводит к увеличению пространства, резервируемого под лобовые вылеты обмотки, и габаритных размеров машины.

Сущность изобретения поясняют прилагаемые эскизные чертежи и схемы.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез электрической машины, выполняющей функцию автомобильного генератора постоянного тока с усовершенствованиями по пунктам 1 и 2.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез электрической машины, выполняющей функцию электродвигателя постоянного тока с усовершенствованиями по пунктам 1 и 2.

На фиг. 3 изображен поперечный разрез электрической машины, выполняющей функцию автомобильного генератора с усовершенствованиями по пунктам 1 и 2.

На фиг. 4 изображен вид фиг. 3 на фиксатор когтей по пункту 1.

На фиг. 5 изображена конструкция обмотки возбуждения по пунктам 12 - 16.

На фиг. 6 изображена диаметральная развертка наружной поверхности ротора с фиксатором по пункту 3.

На фиг. 7 изображена диаметральная развертка наружной поверхности ротора с фиксатором по пункту 4.

На фиг. 8 изображена диаметральная развертка наружной поверхности ротора с фиксатором по пункту 5.

На фиг. 9 изображена диаметральная развертка наружной поверхности ротора с фиксатором по пункту 6.

На фиг. 10 изображена схема якорной обмотки по пункту 22.

На фиг. 11 изображена схема управления обратимой электрической машины, выполняющей функции стартер-генератора.

Бесщеточная электрическая машина (фиг. 1 и 2) содержит корпус, состоящий из передней 1 и задней частей 2, в которых установлены статор 3 с якорной обмоткой 4 и роторный модуль.

Роторный модуль включает установленный в подшипниковых опорах 5 вал 6 с вращающимся магнитопроводом 7. На магнитопроводе закреплен или выполнен за одно целое венец 8 несущих когтей 9. В промежутках между когтями 9 расположены навесные когти 10, объединенные в венец 11. Навесные когти 10 имеют фиксатор 12 от окружных и осевых перемещений.

Внутри венцов 8 и 11 несущих и навесных когтей соосно расположен закрепленный на корпусе модуль возбуждения с неподвижным магнитопроводом 13 и обмоткой возбуждения 14, расположенной внутри электроизолирующего каркаса 15 (фиг. 3).

Обмотка возбуждения выполнена так, что сердечник обмотки составляет две втулки с зазором 16. Одна из втулок 17 является частью неподвижного магнитопровода, а вторая втулка 18 - частью вращающегося. Фиксатор 12 выполнен минимум у двух когтей хотя бы одного венца. Оптимальный вариант - у двух диаметрально противоположных когтей. При этом фиксатор 12 представляет собой созданную из магнитопроводного материала перемычку 19 (фиг. 3, 4), между торцевой частью когтя 9 и прилежащей к ней поверхностью выемки 20 между соседними когтями 10. Это первый работоспособный и эффективный вариант фиксатора. Он за счет замыкания магнитного потока снижает мощность электрической машины на 1-3%, а диаметральный размер на 5 - 10%. В результате компактность повышается.

Для уменьшения замыкания магнитного потока в роторе перемычка 19 выполнена из диамагнитного материала или алюминиевого сплава, или нержавеющей стали.

На фиг. 6 показан более эффективный для достижения основной цели - повышения компактности - вариант перемычки 19. Она имеет U-образную форму в окружном направлении, благодаря чему средство фиксации пространственно занимает весь воздушный зазор между когтями. Это позволяет снизить толщину венца 11 навесных когтей 10.

На фиг. 7 показан следующий более эффективный вариант фиксатора в виде перемычек 19. Они соединены в сплошной кольцевой зигзагообразный фиксатор 21, что усиливает эффект U-образных перемычек.

На фиг. 8 показан еще более эффективный вариант фиксатора. Здесь перемычки образуют сплошной замкнутый контур 22, охватывающий боковые поверхности навесных когтей 10 со всех сторон. В данном случае - с четырех сторон. Это дополнительно уменьшает толщину венца 11 навесных когтей и снижает общий диаметральный размер.

На фиг. 9 показан наиболее эффективный вариант фиксатора. Здесь перемычки, прилежащие к каждой торцевой стороне когтей 10, соединены между собой так, что образуют два замкнутых кольца 23 и 24.

Для образования в заявляемой синхронной электрической машине замкнутых электрических контуров, реализующих в ней асинхронные полюсы, ранее описанные перемычки (см. фиг. 8 и 9) выполнены из диамагнитного материала с удельным электрическим сопротивлением ниже, чем у материала когтей 9 и 10, или алюминиевого сплава.

Для дальнейшего снижения габаритных размеров машины предлагается снизить массу ротора путем переноса части его массы на неподвижный магнитопровод 13, закрепленный на корпусе. В этом случае (фиг. 3) сердечник обмотки возбуждения 14 выполнен из двух втулок 17 и 18 с равным по величине поперечным сечением. При этом втулка 17 является частью неподвижного магнитопровода, а втулка 18 - частью вращающегося.

Повышает компактность машины и то, что поверхности втулок 17 и 18, образующие зазор 16, выполнены в форме соосных конусов (см. фиг. 1 и 2). На конце втулки 17 неподвижного магнитопровода 13 выполнен диск 25 из магнитопроводного материала, например за одно целое с неподвижным магнитопроводом 13. Его наружная поверхность образует с поверхностью вращающегося магнитопровода 7 зазор 26, являющийся радиальным продолжением зазора 16. При этом площадь воздушного зазора между вращающимся 7 и неподвижным 13 магнитопроводами увеличивается, а следовательно, снижается его сопротивление магнитному потоку.

На фиг. 1, 2 и 5 показано следующее усовершенствование патентуемой машины. Каркасом обмотки возбуждения 14 является кольцевая поверхность 27 неподвижного магнитопровода 13, защищенная электроизоляционным покрытием, например лаком или грунтовкой. Это позволяет отказаться от отдельного электроизолирующего каркаса, перенеся его функции на неподвижный магнитопровод.

Следующий шаг в достижении единой цели - повышение компактности - показан на фиг. 5. Обмотка возбуждения выполнена из двух согласно подключенных частей. Одна обмотка 28 через регулятор соединена параллельно электросети, а вторая обмотка 29 - последовательно и напрямую. Это позволяет снизить мощность части системы управления электрической машины, отвечающей за управление обмоткой возбуждения, а значит, уменьшает размеры системы управления и элементов ее охлаждения.

Чтобы повысить коэффициент заполнения медью обмотки возбуждения 14 и снизить ее габаритные размеры, вносится усовершенствование, показанное на фиг. 5. Проводник последовательной обмотки 29 выполнен из ленты шириной, равной осевому размеру обмотки возбуждения 14.

Предлагается (фиг. 2) использовать неподвижные части электрической машины в качестве электропроводника. Для этого вывод 30 последовательной обмотки электрически соединен с неподвижным магнитопроводом 13, например, посредством пайки.

Следующее изменение - повышающее компактность - в особенности расположения последовательной обмотки. Она размещена ближе к сердечнику и выполнена из магнито- и электропроводного материала, что позволяет совместить функции части обмотки возбуждения 14 и части ее сердечника.

На фиг. 2 показан в разрезе второй вариант компоновки заявляемой электрической машины. Его суть - удвоение роторного модуля и удвоение длины статора 3. В этом варианте роторный модуль имеет симметрично себе второй тождественный роторный модуль, в результате чего ротор состоит из двух половин, расположенных по обе стороны плоскости симметрии, показанной линией А. Количество модулей возбуждения также удваивается. Статор 3 выполнен общим для обеих половин ротора. Такое удвоение значительно повышает компактность. Мощность генератора удваивается, а длина машины возрастает в среднем на 25%.

Следующий шаг для повышения компактности показан на фиг. 2. Он заключается в том, что последовательная и параллельная обмотки возбуждения выполнены в различных модулях возбуждения.

Внесено усовершенствование и в средства охлаждения (фиг. 1 и 2). Минимум один вентилятор 31 расположен коаксиально внутри статорной обмотки 3 так, что выходные кромки 32 лопаток вентилятора 31 направлены на лобовые вылеты 33 статорной обмотки. Сами лопатки 31 выполнены за одно целое с фиксатором 12 когтей. Это уменьшает общие габаритные размеры на длину вентилятора. Возможен вариант этого решения. Лопатки вентилятора 31 выполнены за одно целое с материалом когтей. Наиболее эффективно решение с двумя вентиляторами - по одному на каждой торцевой стороне ротора.

Все вышеизложенные усовершенствования обеспечили существенное снижение массы роторного модуля за счет увеличения веса модуля возбуждения. Снижение массы вращающихся частей снижает нагрузки на подшипниковые опоры, что в свою очередь позволяет снизить их размеры.

Учитывая тенденции перераспределения масс внутри электрической машины, изменены средства установки роторного модуля и средства крепления модуля возбуждения, что показано на фиг. 1 и 2.

Предложено по крайней мере одну подшипниковую опору роторного модуля и ближайший узел крепления на корпусе модуля возбуждения объединить в единую конструкцию. Она включает внутренний фланец 34 с резьбовыми отверстиями под болты 35. Этот фланец одновременно является радиальной частью неподвижного магнитопровода 13 и боковой стенкой обмотки возбуждения 14. Ответный наружный фланец 36 выполнен на корпусе. Этот фланец имеет соосно валу посадочную поверхность 37 под втулку 38 подшипника. При этом втулка 38 является частью неподвижного магнитопровода 13 и может быть выполнена, например, за одно целое с основным материалом.

Последним усовершенствованием, направленным на повышение компактности, является особенность якорной обмотки, схематично показанная на фиг. 10. Якорная обмотка 4 (фиг. 1 - 3) выполнена m-фазной, где m -любое целое число больше единицы. Статор 3 выполнен с числом пазов Z = 2pm, где p - количество когтей одного из венцов ротора. Фазные обмотки уложены со сдвигом на один паз, а ближайшие друг к другу выводы попарно соединены. На фиг. 10 показан пример осуществления для 3-фазной якорной обмотки при 6-полюсном роторе. Количество пазов статора в этом случае равно 36. Фазные обмотки уложены со сдвигом на один паз. Соединение фазных обмоток, реализуемое таким образом, носит название "треугольник".

Заявляемая бесщеточная электрическая машина может работать в режиме электрогенератора (вариант исполнения фиг. 1, 3) и в режиме электродвигателя (вариант исполнения фиг. 2). В последнем случае, в зависимости от системы управления, она может автоматически переходить в режим генератора и обратно (вариант исполнения системы управления фиг. 11).

В режиме электрогенератора машина работает в следующем порядке. На вал 6 подают механическую энергию вращения от внешнего источника. Вращение передают на вал, например, через шкив 39, через муфту или любое иное кинематическое средство. Вал 6 приводит в движение вращающийся магнитопровод 7 и выполненные на нем венцы 8 несущих когтей и 11 навесных когтей.

За счет остаточной намагниченности магнитопровода и когтей или в результате подачи пускового импульса тока на обмотку возбуждения 14 в когтях возникает начальный магнитный поток, который "сцепляясь" с якорной обмоткой 4 статора 3, наводит в ней ЭДС. Этот начальный ток через систему управления, которая может включать выпрямитель 40 (фиг. 1), подводится к выводным клеммам 41. От них часть тока идет потребителю, а другая часть через регулятор напряжения 42 системы управления - на параллельную обмотку возбуждения 14. Регулятор напряжения управляет силой тока в параллельной обмотке возбуждения для стабилизации напряжения электрического тока, направляемого потребителю. В случае наличия последовательной обмотки возбуждения она подключается напрямую к одной из выводных клемм 41. В ней сила тока равна силе тока, проходящего по выводным клеммам. Регулировать ее не требуется, т.к. она обладает свойствами автоуправления электрической машиной.

Электрический ток в обмотке возбуждения индуцирует в ее сердечнике однонаправленный магнитный поток. При выходе из сердечника магнитный поток раздваивается. Одно направление идет по магнитопроводу 7 к периферии и к несущим когтям 9, а другое через воздушный зазор 16 в сердечнике - по неподвижному магнитопроводу 13, через зазор 43 в венец навесных когтей 11 и непосредственно в навесные когти 10. При этом на несущих когтях 9 образуется один магнитный полюс, а на навесных когтях 10 - другой полюс.

При вращении ротора сквозь якорную обмотку 4 протекает магнитный поток чередующейся полярности. В результате этого реализуется работа бесщеточного синхронного генератора.

В режиме электродвигателя машина работает в следующем порядке. На клеммы 41 (фиг. 2) подают электрический ток от внешнего источника. Часть этого тока идет на обмотку возбуждения 14, а основная часть - в якорную обмотку 4. В результате этого на когтях ротора по окружности образуется ряд магнитных полюсов, а в статоре 3 - другой ряд магнитных полюсов. Силовое взаимодействие между ними создает крутящий момент на валу 6 ротора. Он начинает вращаться, передавая крутящий момент на полезную нагрузку потребителя. При этом магнитные полюса на когтях ротора сохраняют свое значение, а магнитные полюса на статоре меняют знак в строго определенном порядке. Для этого система управления машиной имеет блок управления силовыми транзисторами. Они в зависимости от угла положения ротора переключают фазные обмотки статора 3. Угол положения ротора определяется специальными датчиками, например, датчиками Холла 44, которые реагируют на магнитный поток от закрепленного на валу специального индуктора 45 с числом магнитных полюсов, равным числу полюсов на роторе.

Заявляемая машина, в варианте электродвигателя, предусматривает использование любой известной электрической схемы управления бесконтактным (бесщеточным) электродвигателем постоянного тока, например, указанную в источнике /4, с. 56/. Для обеспечения режима обратимости электрической машины, например, для выполнения функций стартер-генератора могут применяться уже известные схемы или как вариант - схема системы управления 42 (фиг. 2), указанная на фиг. 11.

Переключение с генераторного в стартерный режимы работы в ней осуществляется с помощью кнопки SB 1, механически соединенной с замком зажигания. Так как ток сигнала "Режим" ничтожно мал (единицы миллиампер), включать стартер возможно без мощного промежуточного контактора. В двигательном режиме 3-фазная электрическая машина работает следующим образом. Сигналы с датчиков положения 44 (фиг. 2) ротора D1-D3 представляют собой три импульсные последовательности, сдвинутые друг относительно друга на угол, равный 120 электрическим градусам. Скважность этих импульсов равна 2, поэтому продолжительность открытого состояния каждого транзистора равна 180 электрическим градусам. Переключение транзисторов по сигналам датчиков положения приводит к формированию на статорной обмотке напряжений прямоугольной формы, первые гармоники которых сдвинуты друг относительно друга на угол, равный 120 электрическим градусам, и образуют симметричную трехфазную систему напряжений. Связь между электрическим и механическим углами обеспечивает индуктор 45 (фиг. 2).

Обратимость заявляемой бесщеточной электрической машины при работе на переменном токе обеспечивается автоматически. В этом случае работа в режиме двигателя аналогична синхронному двигателю переменного тока, а в режиме генератора - синхронному генератору переменного тока.

Настоящей заявкой патентуется обратимая бесщеточная электрическая машина, выполняющая функции или электрогенератора, или электродвигателя, или сразу обе. Из патентуемых 22 пунктов все реализованы в работающих опытных образцах.

Испытания опытных образцов заявляемой электрической машины доказали не только работоспособность всех патентуемых существенных отличий, но и явную технико-экономическую эффективность объекта в целом.

Объект заявки изготавливался в опытных образцах как выполняющий функции автомобильного генератора, 3-фазного генератора общепромышленного назначения, генератора сварочного тока, стартер-генератора, электродвигателя. Опытные образцы охватывают диапазон мощностей от 0,5 до 30 кВт.

Источники информации 1. Патент США N 4 365 187, H 02 K 29/00 - аналог.

2. Патент N 2 513 036, H 02 K 19/22, 21/38 - прототип.

3. Электрооборудование автомобилей и тракторов. Ю.М. Галкин. Учебник для вузов. M., Машиностроение, 1968, 280 с.

4. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ. - М., Энергоатомиздат, 1989, 184 с.

Формула изобретения

1. Бесщеточная электрическая машина, имеющая средства управления и систему охлаждения с вентилятором и содержащая смонтированные в корпусе статор с якорной обмоткой, роторный модуль, включающий установленный в подшипниковых опорах вал с вращающимся магнитопроводом, на котором закреплен венец несущих когтей, с расположенным в его промежутках венцом навесных когтей, имеющих фиксатор от окружных и осевых перемещений, внутри венцов несущих и навесных когтей соосно расположен закрепленный на корпусе модуль возбуждения с неподвижным магнитопроводом и с обмоткой возбуждения на нем в электроизолирующем каркасе, выполненной так, что сердечник обмотки возбуждения составляют две втулки с зазором, одна из которых является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - частью вращающегося магнитопровода, отличающаяся тем, что фиксатор выполнен минимум у двух когтей, входящих в венец несущих или навесных когтей из магнитопроводного материала в виде перемычки между торцевой частью вышеуказанного когтя и прилежащей к ней поверхностью выемки между когтями ответного венца.

2. Бесщеточная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что перемычки выполнены из диамагнитного материала, или алюминевого сплава, или нержавеющей стали.

3. Бесщеточная электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что перемычки имеют U-образную форму в окружном направлении.

4. Бесщеточная электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что перемычки соединены в сплошной кольцевой зигзагообразный фиксатор.

5. Бесщеточная электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что перемычки образуют сплошной замкнутый контур, охватывающий боковые поверхности навесных когтей со всех сторон.

6. Бесщеточная электрическая машина по п.5, отличающаяся тем, что перемычки, прилежащие к каждой торцевой стороне когтей, соединены между собой так, что они образуют замкнутые кольца.

7. Бесщеточная электрическая машина по п.5 или 6, отличающаяся тем, что перемычки выполнены из диамагнитного материала с удельным электрическим сопротивлением ниже, чем у материала когтей или алюминевого сплава.

8. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что сердечник обмотки возбуждения выполнен из двух втулок с равным по величине поперечным сечением.

9. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что поверхности втулок, образующие зазор в сердечнике, выполнены в форме соосных конусов.

10. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что на конце втулки неподвижного магнитопровода выполнен диск из магнитопроводного материала, наружная поверхность которого образует с поверхностью подвижного магнитопровода радиальное продолжение зазора между втулками, образующими сердечник обмотки возбуждения.

11. Бесщеточная электрическая машина по п.10, отличающаяся тем, что каркасом обмотки возбуждения является кольцевая поверхность неподвижного магнитопровода, защищенная электроизоляционным покрытием.

12. Бесщеточная электрическая машина по любому пп.1-11, отличающаяся тем, что обмотка возбуждения выполнена из двух согласно включенных частей, одна из которых через регулятор напряжения соединена параллельно с контактами электросети, а вторая - последовательно и напрямую.

13. Бесщеточная электрическая машина по п.12, отличающаяся тем, что проводник последовательной обмотки возбуждения выполнен из ленты шириной, равной осевому размеру обмотки возбуждения.

14. Бесщеточная электрическая машина по п. 12 или 13, отличаю- щаяся тем, что начало последовательной обмотки возбуждения электрически соединено с неподвижным магнитопроводом.

15. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.12-14, отличающаяся тем, что конец последовательной обмотки возбуждения соединен с началом параллельной обмотки возбуждения.

16. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.12-15, отличающаяся тем, что последовательная обмотка возбуждения размещена ближе к сердечнику и выполнена из магнито- и электропроводного материала.

17. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.1-16, отличающаяся тем, что роторный модуль имеет симметрично себе второй тождественный роторный модуль, а статор выполнен общим для обеих половин ротора.

18. Бесщеточная электрическая машина по п.17, отличающаяся тем, что параллельная и последовательная обмотки возбуждения выполнены на различных катушках возбуждения.

19. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.1-18, отличающаяся тем, что минимум один вентилятор расположен коаксиально внутри статорной обмотки так, что выходные кромки направлены на лобовые вылеты статорной обмотки, а сами лопатки выполнены за одно целое с фиксатором когтей.

20. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.1-18, отличающаяся тем, что минимум один вентилятор расположен коаксиально внутри статорной обмотки так, что выходные кромки направлены на лобовые вылеты статорной обмотки, а сами лопатки выполнены за одно целое с материалом когтей.

21. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.1-20, отличающаяся тем, что по крайней мере одна подшипниковая опора роторного модуля и узел крепления на корпусе модуля возбуждения объединены в единую конструкцию, содержащую внутренний фланец, который одновременно является радиальной частью неподвижного магнитопровода и боковой стенкой катушки возбуждения, и ответный фланец корпуса, имеющий соосно валу посадочную поверхность под втулку подшипника, являющегося частью неподвижного магнитопровода, а также средства крепления.

22. Бесщеточная электрическая машина по любому из пп.1-21, отличающаяся тем, что якорная обмотка выполнена m - фазной, где m любое целое число больше единицы, статор выполнен с числом пазов Z=2pm, где р - количество когтей одного из венцов ротора, фазные обмотки уложены со сдвигом на один паз, а ближайшие друг к другу выводы попарно соединены.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11