способ изготовления якоря для электромагнитного преобразователя (варианты)

Формула изобретения

1. Способ изготовления якоря для электромагнитного преобразователя, заключающийся в том, что изготавливают обмотку якоря, которая имеет множество открытых полостей, затем устанавливают множество магнитопроводных элементов в множестве открытых полостей, отличающийся тем, что изготавливают множество прессованных отдельных продолговатых магнитопроводных элементов с высокой магнитной проницаемостью, изготавливают n пучков проводов, каждый из которых имеет установленную длину и состоит из множества параллельных проводов, осуществляют намотку n пучков проводов и получают распределенную обмотку, имеющую множество продолговатых открытых полостей, устанавливают множество магнитопроводных элементов в множество открытых продолговатых полостей, чтобы по меньшей мере один магнитопроводный элемент находился в одной открытой полости, для получения узла обмотки в сборе с магнитопроводными элементами, соединяют соседние участки обмотки друг с другом на обоих торцах посредством торцевых витков проводов, наносят неэлектропроводное связующее вещество на узел обмотки в сборе с магнитопроводными элементами для получения жесткой конструкции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют количество пучков проводов, равное 6, а количество продолговатых открытых полостей, равное 144.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что открытые полости выполняют так, чтобы они были расположены между множеством разнесенных удлиненных участков обмотки, соседние участки которой соединены друг с другом на обоих торцах посредством торцевых витков проводов, а магнитным элементам придают форму, соответствующую форме открытых продолговатых полостей.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на каждом участке обмотки размещают один виток пучков проводов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на каждом участке обмотки размещают два витка пучков проводов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на каждом участке обмотки размещают три витка пучков проводов.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что на каждом участке обмотки размещают четыре витка пучков проводов.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что намотку n пучков проводов осуществляют так, чтобы получить распределенную обмотку в форму пустотелого цилиндра, содержащего множество разнесенных продолговатых участков обмотки, соседние участки которой соединены друг с другом, причем между участками обмотки расположено множество открытых полостей.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что изготовление n пучков проводов осуществляют следующим образом: используют колесо, имеющее установленную длину окружности, приблизительно равную требуемой длине множества пучков проводов, наматывают провод на колесо для получения первого пучка проводов, состоящего из заданного количества витков проводов на колесе, разрезают первый пучок в начальной точке на колесе, где была начата операция наматывания, для образования двух концов первого пучка, устанавливают защитную трубку на первый пучок, отмечают среднюю точку первого пучка между двумя концами, повторяют операции намотки, разрезания, установки защитной трубки и отметки средней точки для получения n пучков, одинаковых с первым пучком.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения распределенной обмотки, имеющей множество продолговатых открытых полостей, при намотке n пучков проводов проводят следующие операции: используют цилиндр с множеством пазов на его поверхности, расположенных параллельно продольной оси цилиндра и равномерно распределенных по его окружности, используют множество съемных пластинок, один конец которых размещают в множестве пазов цилиндра, а другой конец ориентируют перпендикулярно поверхности цилиндра, причем пластинки имеют такую же толщину и ширину, как и магнитопроводные элементы, а соседние пластинки образуют между собой полость, устанавливают n пучков проводов последовательно в первом направлении по окружности цилиндра между соседними пластинками так, чтобы средние точки пучков были расположены посередине полостей, продвигают два конца первого пучка в первом направлении под пучками через n пучков к следующей соседней полости (n + 1), прилегающей к второй через n полостей, вводят два конца в следующую соседнюю полость (n + 1) и натягивают два конца для образования петли между первой и (n + 1)-й полостями, повторяют предыдущий шаг для каждого последующего от второго до n-го пучка путем продвижения двух концов от второго до n-го пучка последовательно в первом направлении к следующим соседним полостям, вводят два конца в соответствующие следующие соседние полости и натягивают два конца для образования петель, повторяют предыдущие два шага для размещения всех пучков в полостях по окружности цилиндра, затем оформляют под выводы концы от первого до n-го пучка, удаляют пластинки из пазов в цилиндре, отделяют с первого по n-й пучки от цилиндра и получают распределенную обмотку, образованную пучками проводов.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что увеличивают по меньшей мере в два раза количество витков в пучках с первого по n-й в каждой полости путем повторного продвижения заданное число раз в первом направлении по окружности цилиндра двух концов первого пучка.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изготовления магнитопроводных элементов используют большое количество изолированных мелких частиц железного порошка и спрессовывают эти частицы.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что открытые полости, образованные пластинками и предназначенные для размещения пучков проводов, выполняют так, что они имеют в сечении, перпендикулярном продольной оси полости, форму прямоугольника.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что на операции получения узла обмотки в сборе узел нагревают.

15. Способ изготовления якоря для электромагнитного преобразователя, заключающийся в том, что изготавливают обмотку якоря, которая имеет множество открытых полостей, затем устанавливают множество магнитопроводных элементов в множестве открытых полостей, отличающийся тем, что изготавливают множество прессованных отдельных продолговатых магнитопроводных элементов с высокой магнитной проницаемостью путем прессования большого количества изолированных мелких частиц железного порошка, изготавливают n пучков проводов установленной длины, каждый из которых содержит множество параллельных проводов, изготавливают обмотку якоря с множеством открытых полостей, для чего используют цилиндр с множеством пазов на поверхности, расположенных параллельно продольной оси цилиндра и равномерно распределенных по окружности цилиндра, и множество съемных пластинок, один конец которых размещают в множестве пазов цилиндра, а другой конец ориентируют так, чтобы он выступал над поверхностью цилиндра, причем пластинки имеют такую же толщину и ширину, что и магнитопроводные элементы, а соседние пластинки образуют между собой полость, устанавливают n пучков проводов последовательно в полости между соседними пластинками в первом направлении по окружности цилиндра так, чтобы средние точки пучков были расположены посередине полостей, продвигают два конца первого пучка в первом направлении под пучками через n пучков к следующей соседней полости (n + 1), прилегающей к второй через n полостей, вводят два конца в следующую соседнюю полость (n + 1) и натягивают два конца для образования петли между первой и (n + 1)-й полостями, повторяют предыдущий шаг для каждого последующего пучка от второго до n-го путем продвижения двух концов пучков с второго до n-го в первом направлении к следующим соседним полостям, выводят два конца в соответственные следующие соседние полости и натягивают два конца для образования петель, повторяют предыдущие два шага до тех пор, пока пучки от первого до n-го будут установлены в полости по окружности цилиндра, после установки в полости оформляют под выводы концы от первого до n-го пучков, удаляют пластинки из пазов в цилиндре, отделяют с первого по n-й пучки от цилиндра и получают распределенную обмотку, образованную пучками проводов, имеющую форму цилиндрического барабана и включающую множество разнесенных продолговатых участков обмотки, причем соседние участки обмотки соединены друг с другом и между ними имеется множество вытянутых открытых полостей, устанавливают множество магнитопроводных элементов в множество открытых полостей так, чтобы по меньшей мере один магнитопроводный элемент находился в одной открытой полости, и получают узел обмотки в сборе с магнитопроводными элементами, причем форма магнитопроводных элементов повторяет форму открытых полостей, наносят неэлектропроводное связующее вещество на узел обмотки в сборе с магнитопроводными элементами для получения жесткой конструкции.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что открытые полости, образованные пластинками и предназначенные для размещения пучков проводов, выполняют так, что они имеют в сечении, перпендикулярном продольной оси полости, форму прямоугольника.

17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что на операции получения узла обмотки в сборе узел нагревают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам изготовления электромагнитного преобразователя, имеющего легкий вес, большую мощность, а более конкретно, касается способов изготовления якоря или статора преобразователя, пригодного для использования в качестве электродвигателя, альтернатора или генератора.

Способы изготовления электромагнитного преобразователя упомянутого типа были уже раскрыты, в заявке N 125781.

Известны электромагнитные преобразователи, используемые как для преобразования электрической энергии в механическую, так и для преобразования механической энергии в электрическую. В обоих случаях способность вырабатывания энергии является, как хорошо известно, результатом относительного перемещения между полями, например, при применении этого явления к электродвигателям, альтернаторам и генераторам.

Хорошо известно, что электродвигатели, альтернаторы и генераторы могут быть изготовлены очень легкими по весу и что по крайней мере некоторые из этих устройств способны работать на высоких скоростях, но такие устройства не способны работать на высоких скоростях для получения большой мощности. Например, известны устройства с большой удельной мощностью порядка 0,6 л.с. на фунт массы (около 1,32 л.с. на килограмм массы) для прерывистой работы, но такие устройства не способны к непрерывной работе с большими удельными мощностями выше 1,0 л.с. на фунт (2,2 л.с. на килограмм).

Известные электромагнитные преобразовательные устройства не способны также к работе одновременно с высокой скоростью и с большим крутящим моментом и/или не обеспечивают достаточной эффективности в работе. Кроме того, в известных устройствах барабанного типа не используют ни пучковые проводники, ни дисперсные магнитопроводные средства в якоре и потому они ограничены также низкой частотой вращения, которая даже при большом крутящем моменте приводит к малой удельной мощности.

Известно также, что электромагнитный преобразователь может содержать статорно-роторную систему и что такая система может включать в себя позиционирующие магнитные элементы на роторе (например, патенты США N 3663850, N 3858071 и N 4451749), а также на статоре (например, патенты США N 3102964, N 3312846, N 3602749, N 3729642 и N 4114057). Ранее было также предложено использование двух комплектов полюсов (например, патент США N 4517484).

Кроме того, уже были предложены ротор барабанного типа (например, патенты США N 295368, N 3845338 и N 4398167) и двухбарабанная конструкция ротора (например, патент США N 3134037).

Уже было также предложено использование пучка проводов вместо одного проводника в собранном якоре электродвигателя (например, патенты США N 497001, N 1227185, 3014139, N 3128402, N 3538364 и N 4321494, а также патент Великобритании N 9557), причем такие провода должны быть пригодны для применения при высоком напряжении и большом токе И/ЕЛИ для уменьшения потерь от течения тока (так называемого поверхностного эффекта) и уменьшения нагрева, обусловленного вихревыми токами, и их используют в сочетании со сплошными или шихтованными (пластинчатыми) сердечниками (например, патенты США N 3014139 и N 3128402 и патент Великобритании N 9557).

Также уже был предложен электромагнитный преобразователь с мощностью на единицу массы до примерно одной лошадиной силы на один фунт (например, патент США N 3275863). Кроме того, известно охлаждение электродвигателя для повышения способности к регулированию мощности посредством газа, жидкости или смеси газа и жидкости (например, патент США N 4128364, N 4631814).

Хотя, таким образом, уже были предложены и/или использованы различные конструкции электромагнитных преобразователей, все же такие преобразователи, как было установлено, не являются полностью пригодными по крайней мере для некоторых применений, включая создание легкого преобразователя, способного развивать большую мощность.

В частности, известный уровень техники не предполагает необходимости пучкового исполнения проводников для обеспечения возможности работы с высокими частотами вращения из-за (по крайней мере частично) широко распространенной теории, что магнитное поле в проводниках очень мало. Однако было установлено, что если проводники выполнены в соответствии с традиционными технологиями, то крутящий момент (при постоянной величине тока) уменьшается с увеличением частоты вращения, что противоречит традиционному представлению, что крутящий момент при увеличении частоты вращения остается большим (этот результат получают, используя настоящее изобретение).

Известные преобразователи обычно имеют такую конструкцию, в которой магнитопроводные элементы собраны из пакетов пластин кремнистой стали, причем толстый провод намотан непосредственно в широких открытых пазах между зубцами пластинчатого железа. Головки зубцов часто являются причиной разрыва провода.

Традиционные бесщеточные электродвигатели постоянного тока диаметром до 6 дюймов (примерно 15 см) обычно имеют реально максимум 36 зубцов в пластинчатом железе. В традиционном трехфазном электродвигателе число зубцов на полюс равно трем. Такие электродвигатели имеют клиновые или V-образные пазы (фиг. 31), образованные зубцами в пластинчатом железе, в результате чего медные провода в обмотке не могут быть расположены равномерно и потому медь в некоторых проводниках (витках) не может быть расположена близко к зубцам железа. Например, в традиционном электродвигателе диаметром 6 дюймов расстояние между зубцом и самым дальним от него проводником (но находящимся внутри паза) составляет 0,158 дюйма (4 мм). Получаемая электродвижущая сила (ЭДС), индуцируемая в витках секций обмотки, не совсем одинакова. Эта неравномерность ЭДС требует регулирования циркулирующих (выравнивающих) токов путем скручивания проводов в секции обмотки, в результате чего получается меньше провода в пазу и больше в торцевой части витков и затрудняется изготовление.

Традиционные электродвигатели обычно также требуют большого числа витков на паз. Это является причиной увеличенного реактивного действия и больших противоположно действующих магнитных полей. Это приводит к увеличению потери отдаваемой мощности.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается усовершенствованный электромагнитный преобразователь, который легок по весу и при этом все же обеспечивает преобразование большой мощности благодаря его способности развивать большую удельную мощность, причем преобразователь в соответствии с настоящим изобретением способен работать как высокоэффективный электродвигатель, альтернатор или генератор и способен непрерывно работать с большими удельными мощностями выше 1,0 л.с. на фунт (2,2 л.с. на килограмм).

Большую удельную мощность обеспечивают путем использования якоря в сборе, имеющего пучковые проводники, которые разделены посредством дисперсных магнитопроводных элементов так, чтобы возникали малые противодействующие индуктированные токи и малые вихревые токи для обеспечения возможности работы преобразователя о высокой эффективностью с сохранением большого крутящего момента при работе на высоких частотах вращения.

Когда якорь движется относительно узла создания магнитного потока, в электропроводящих частях якоря возникают токи (которые часто называют вихревыми токами), которые вызывают нагрев и поверхностные эффекты (и то, и другое известно как потери от вихревых токов). Однако эти вихревые токи создают также другой, до сих пор не понятый эффект, а именно магнитный поток, называемый здесь как противодействующий поток, так как этот поток изменяет картину основного магнитного потока и уменьшает крутящий момент с увеличением частоты вращения. Это снижение способности преобразовывать энергию с увеличением частоты вращения может произойти, даже когда потери, вызванные этими токами, приемлемы, а традиционная практика не предлагает пучкового исполнения проводников, как это сделано в электромагнитном преобразователе в соответствии с настоящим изобретением.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного электромагнитного преобразователя.

Другой целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного электромагнитного преобразователя, легкого по весу и тем не менее дающего большую мощность, в результате чего преобразователь имел бы большую удельную мощность.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного электромагнитного преобразователя, работающего с высокой эффективностью.

Следующей целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного электромагнитного преобразователя, пригодного для использования в качестве высокоэффективного электродвигателя, альтернатора или генератора.

Очередной целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного электромагнитного преобразователя, способного к непрерывной работе с большими удельными мощностями выше одной лошадиной силы на фунт (2,2 л.с. на килограмм).

Еще одной целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного электромагнитного преобразователя, имеющего якорь в сборе, в котором между различными частями пучковых проводников расположены магнитопроводные элементы, причем проводники и магнитопроводные элементы выполнены и расположены так, чтобы имели место малые вихревые токи и ослабление основного магнитного потока.

И еще одной целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного электромагнитного преобразователя, имеющего оптимальной толщины якорь в сборе, обеспечивающий равновесие между теплопередачей к охлаждающей среде, тепловыделением от нагрева сопротивлением и других источников, и получаемым крутящим моментом.

С учетом указанных и других целей, очевидных для специалиста в данной области техники из последующего описания, настоящее изобретение состоит в новых: конструкции, комбинации и расположении частей, по существу, как описано ниже и, в частности, определено в прилагаемой формуле изобретения, понятно, что возможны различные изменения в конкретных вариантах осуществления предлагаемого изобретения, не выходящие за пределы объема формулы изобретения.

Целью настоящего изобретения является также создание способа изготовления электромагнитного преобразователя (например, бесщеточного электродвигателя постоянного тока) с использованием традиционных материалов, который (преобразователь) позволяет работать при высокой частоте вращения с высокой эффективностью и высокой отдаваемой мощностью.

В соответствии с настоящим изобретением потери от вихревых токов и от гистерезиса предельно уменьшают путем использования распределенной обмотки, имеющей множество узких щелей, в сочетании с магнитопроводными средствами из уплотненного металлического порошка, вставленными в собранную обмотку, узких магнитов и соответствующего большого числа полюсов. При простом принудительном воздушном охлаждении электродвигатель диаметром шесть с половиной дюймов (16,5 см) и длиною четыре дюйма (10 см) при массе 11 фунтов (5 кг) показал удельную мощность приблизительно 2 л.с. на фунт (4,2 т.с. на килограмм). При охлаждении жидкостью или газообразным хладагентом с преобразованием фаз возможны удельные мощности выше четырех л.с. на фунт (8,8 л.с. на килограмм).

Составным элементом, который обеспечивает эти необычные характеристики электродвигателя, является якорь или статор этого бесщеточного электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами.

Первой особенностью этого якоря или статора является цельный магнитопроводный стержень, который держит на высоком уровне напряженность радиального поля. Магнитопроводные стержни состоят из спрессованного железного порошка с изолированными мелкими частицами. Чтобы сохранить изоляцию и избежать сплавления частиц друг с другом, магнитопроводные стержни не спекают, как это обычно делают в других областях применения. Так как стержни не спекают, то их механическая прочность низка. Особенность, заключающаяся в изоляции частиц, дает снижение потерь от вихревых токов в переменном магнитном поле, таком как поле, создаваемое ротором. На наружную поверхность магнитопроводных стержней наносят дополнительный изоляционный слой для обеспечения сохранности структуры и обеспечения сопротивления истиранию проводом, которое (истирание) в противном случае могло бы вызвать электрические короткие замыкания.

Другой особенностью является проводник в виде пучка проводов, который равномерно рассеивает электрический ток в проводнике. Это уменьшает потери от поверхностного эффекта (скин-эффекта), когда ток высок, например, при нагрузке. Провода (проволоки) параллельны друг другу и вместе имеют низкое сопротивление. Это низкое сопротивление проводника уменьшает I²R, т.е. потери от токового нагрева. Четкость проводника в виде пучка проводов мала, что облегчает изготовление. Жесткость всего пучка немного больше, чем жесткость одной из жил, составляющих пучок.

Еще одной особенностью этого якоря или статора является волновое или распределенное наматывание проводника, в результате чего каждый пучок проводов взаимодействует с каждым магнитным полюсом. В предпочтительном варианте имеется 24 магнитных полюса и шесть пучков проводов, причем каждый пучок проходит через 24 щели. Намотку пучка производят через каждую шестую щель. Торцевые витки, не находящиеся в магнитном поле, коротки. Эти факторы увеличивают эффективность меди и обеспечивают малую массу.

В этом предпочтительном варианте шесть пучков проводов образуют волновой статор. Схема соединения звездой в трехфазной электрической цепи допускает два пучка проводов на луч. Эти две секции обмотки соединяют снаружи с якорем последовательно для большого крутящего момента или параллельно для большой частоты вращения. Соединение звездой оказывается более эффективным, чем соединение треугольником, потому что не допускает выравнивающих токов. Шестью пучками проводом обматывают статоры, имеющие один, два, три или четыре витка проводов на щель, в зависимости от требований, предъявляемых к току и напряжению.

Якорь или статор в соответствии с предпочтительным вариантом имеет 144 магнитопроводных стержня и 144 щели при двух витках проводов на щель. Как показано на якоре или статоре, вращающееся магнитное поле имеет 12 пар полюсов. Три датчика Холла, приводимые в действие посредством магнитного кольца, соответствующего основному полю, управляют электронной коммутацией. В любой данный момент две группы пучков проводов имеют положительный ток и два пучка - отрицательный. В любой данный момент два из шести пучков проводов всегда отключены. Таким образом, соединение трехфазной цепи звездой обеспечивает использование тока двумя третями медных проводников, что является эффективным использованием меди. Это означает, что каждый луч трехфазного соединения звездой получает такой пульсирующий ток, который в течение одного периода (1/12 оборота ротора) положителен 1/3, отключен 1/6, отрицателен 1/3, отключен 1/6 этого периода. Последовательность, в которой каждый луч звезды принимает ток, определяет направление вращения. Амплитуда импульса тока определяет крутящий момент электродвигателя.

Якорь или статор в соответствии с предпочтительным вариантом представляет собой барабанную конструкцию с толщиной в пределах между приблизительно 0,25 и 0,35 дюйма. Он прикреплен к неподвижной торцевой тарелке и должен противостоять силам, создающим крутящий момент, а также теплу от потерь в секциях обмотки и в магнитопроводных стержнях. Он должен поэтому быть непроводящим узлом. Таким образом, якорь или статор в сборе предпочтительно состоит из литого изделия из эпоксидной смолы со стекловолокнистым наполнителем. Этот материал обладает стойкостью к воздействию высоких температур порядка 180^o. Воздушный зазор между ротором и статором является путем для прохождения воздуха, охлаждающего оба эти составные элементы.

Настоящее изобретение касается способа изготовления якоря для электромагнитного преобразователя, включающего в себя (способа) изготовление множества удлиненных магнитопроводных элементов с высокой магнитной проницаемостью; изготовление n пучков проводов, имеющих заданную длину; намотку n пучков проводов для получения распределенной обмотки, имеющей множество продолговатых открытых полостей; вставление множества магнитопроводных элементов в множество открытых полостей для получения обмотки в сборе с магнитопроводными элементами; нанесение связующего вещества на обмотку в сборе с магнитопроводными элементами для получения жесткой конструкции.

На известном уровне техники нет технологии, в соответствии с которой сначала бы изготовляли обмотку, а затем вставляли в ее полости магнитопроводные элементы. Известный уровень техники предусматривает лишь изготовление сначала снабженной пазами железной конструкции, выполненной из собранных в пакет пластин с получением между пазами зубцов, действующих как магнитопроводные элементы. Затем в пазы железной конструкции укладывают наматываемый провод. Настоящее изобретение в одном из вариантов его осуществления делает переворот в области сборки якоря, состоящий в том, что в процессе сборки нужно сначала изготовить обмотку якоря, имеющую множество открытых полостей, а затем вставить множество магнитопроводных элементов в упомянутое множество открытых полостей.

Указанные выше цели, преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут легко поняты из следующего ниже подробного описания, сделанного со ссылками на прилагаемые чертежи.

На прилагаемых фиг. 1-31 показаны все варианты осуществления настоящего изобретения, обеспечивающие наилучший способ практического применения принципов изобретения. На фиг. 1 дан изометрический вид показанного в разобранном состоянии электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением во вращательном варианте его исполнения;

на фиг. 2 - вид сбоку в разрезе собранного электромагнитного преобразователя (фиг.1), вместе с дополнительными элементами, показанными в виде блок-схемы для лучшей иллюстрации настоящего изобретения;

на фиг. 3 - неполный изометрический вид, иллюстрирующий использование электромагнитного преобразователя этой конструкции в качестве тягового электродвигателя для приведения во вращение колеса соответственного транспортного средства;

на фиг.4 - неполный изометрический вид, на котором показано расположение пучковых проводников и магнитопроводных элементов в электромагнитном преобразователе (фиг.1 и 2);

на фиг. 5 - схема, иллюстрирующая типичное устройство двухслойной обмотки, выполненной пучковыми проводниками, причем показаны магнитопроводные элементы, расположенные между витками обмотки;

на фиг. 6 - разрез по линиям 6-6 на фиг.2, причем показан также путь магнитного потока в преобразователе;

на фиг. 7 - частный разрез, подобный показанному на фиг.6, но иллюстрирующий альтернативный вариант электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 8 - частный разрез, подобный показанному на фиг.6, но иллюстрирующий другой альтернативный вариант электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 9 - частный разрез, подобный показанному на фиг.6, но иллюстрирующий еще один альтернативный вариант электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 10 - частный разрез, подобный показанному на фиг.6, но иллюстрирующий еще один альтернативный вариант электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 11 - неполный вид с торца, иллюстрирующий пучковый проводник (лучше всего показан на фиг.4) и слой изоляции вокруг проводника;

на фиг. 12 - вид с торца, подобный показанному на фиг.11, но иллюстрирующий альтернативный вариант конструкции якоря, в котором проводники имеют покрытие из магнитопроводящего средства (железа), используемого вместо магнитопроводных элементов, таких как показаны на фиг.4-10;

на фиг. 13 - вид с торца, подобный показанному на фиг.11 и 12, но иллюстрирующий, другой альтернативный вариант конструкции якоря, в котором изолированные проводники имеют покрытие из магнитопроводящего средства (железа), используемого вместо магнитопроводных элементов, таких как показаны на фиг. 4-10;

на фиг. 14 - неполный вид, иллюстрирующий использование в качестве якоря варианта, показанного на фиг. 12 или 13, без использования отдельных магнитопроводных элементов;

на фиг. 15 - неполный вид, подобный показанному на фиг. 14, но иллюстрирующий использование чередующихся частей пучковых проводников и пучковых проводников, покрытых, как показано в варианте, показанном на фиг. 12 или 13;

на фиг. 16 - вид сбоку в разрезе альтернативного варианта электромагнитного преобразователя, такого как показан на фиг. 2, иллюстрирующий якорь, закрепленный на валу подходящим для преобразователя с щеточной коммутацией образом;

на фиг.17 - изометрический вид в разобранном состоянии другого альтернативного варианта электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением, на котором показано цилиндрически симметричное линейное исполнение преобразователя;

на фиг. 18 - изометрический вид в разобранном состоянии еще одного альтернативного варианта электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением, на котором показано плоское линейное исполнение преобразователя;

на фиг. 19 - график, иллюстрирующий зависимость между крутящим моментом и частотой вращения для традиционного преобразователя (b) и для преобразователя в соответствии с настоящим изобретением (a);

на фиг. 20 - график, иллюстрирующий полученные при испытаниях значения потерь от вихревых токов, от гистерезиса и вентиляционных потерь при различных частотах вращения одного из примеров преобразователя в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.21 - магнитопроводный элемент в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.22 - обмоточная оправка в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 23 - съемные пластинки для использования с оправкой, показанной на фиг.22;

на фиг. 24 - обмоточная оправка, установленная на монтажном приспособлении, и весь якорь, намотанный на оправку;

на фиг.25 и 26 - торцевые чашки обмоточной оправки;

на фиг.27 - перспективный вид обмоточной оправки;

на фиг.28 - устройство обмотки якоря в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.29 и 30 - дополнительные чертежи, иллюстрирующие устройство обмотки якоря и ее фазы;

на фиг.31 - традиционная конструкция железа с пазами, полученная из собранных в стопку пластин.

Ниже подробно описаны альтернативные варианты нового электромагнитного преобразователя. Понятно, что электромагнитный преобразователь в соответствии с настоящим изобретением может быть использован в качестве электродвигателя (переменного или постоянного тока) или в качестве альтернатора или генератора в зависимости от того, подают ли электрический сигнал на якорь (обычно через коллектор или эквивалентное устройство), чтобы создать усилие, вызывающее движение создающей магнитный поток конструкции относительно якоря для приведения тем самым в движение вала, или вращают вал, чтобы тем самым вызвать перемещение создающей магнитный поток конструкции относительно якоря для создания электродвижущей силы, которая в свою очередь может вызвать, как хорошо известно, движение тока по проводникам якоря при приложении нагрузки.

Электромагнитный преобразователь 35 (фиг. 1 и 2) легок по весу и при этом все же способен развивать большую мощность, причем преобразователь является устройством с высокой удельной мощностью, особенно пригодным, например, для использования в сочетании с самоходными транспортными средствами (такими как пассажирские автомобили), хотя это не означает, что настоящее изобретение должно быть этим ограничено.

В применении к приведению в движение транспортного средства в качестве смонтированного на колесе тягового электродвигателя может быть использован электромагнитный преобразователь 35 в форме полого цилиндра с постоянными магнитами, который может быть установлен непосредственно на каждом колесе 37 (вблизи оси 39), причем привод предпочтительно обеспечивают через зубчатый редуктор 41.

Электромагнитный преобразователь 35 (фиг. 1,2) содержит наружный цилиндрический корпус 43, имеющий передний и задний торцевые щиты 45 и 46, закрепленные на противоположных концах цилиндрического корпуса посредством пружинящих стопорных колец 48 и 49.

Вал 51 имеет среднюю часть 52, проходящую через цилиндрический корпус, причем вал установлен в центральных втулках 54 и 55 торцевых щитов 45 и 46 (соответственно) посредством подшипников 57 и 58, так что средняя часть вала расположена соосно с цилиндрическим корпусом, имеющая уменьшенный диаметр задняя часть 60 вала установлена в подшипнике 58 и передняя часть 62 вала выступает вперед от переднего торцевого щита 45, а вблизи подшипника 57 во втулке 54 установлено уплотнение 64.

Как показано на фиг. 2, вблизи заднего торцевого щита 46 установлен вентилятор 65, причем щит имеет смещенное воздуховсасывающее отверстие 66 и множество выпускных отверстий 67, распределенных по периферии торцевого щита, вблизи которой они расположены. В указанном применении преобразователь, таким образом, работает в газовой (воздушной) среде (в противоположность жидкой среде, которой может быть, например, масло или т.п., как в некоторых известных преобразователях). Кроме того, предусмотрено дугообразное отверстие 68 для обеспечения возможности соединения с проводниками якоря через торцевой щит 46.

Как показано на фиг.2, ротор 70 имеет двухбарабанную конструкцию, образованную внутренней и наружной разнесенными цилиндрическими частями (или стенками) 72 и 73, которые отходят перпендикулярно от опорного диска 75, так что цилиндрические части 72 и 73 расположены соосно с цилиндрическим корпусом 43 (и внутри его) и образуют между собой кольцевой промежуток 72А. Опорный диск 75 имеет кольцевую опорную часть 77, сидящую на шлицевой части 78 вала 51, расположенной внутри от подшипника 57.

На внутренней цилиндрической части 72 ротора 70 установлены магнитные элементы 80, которые, как показано, представляют собой постоянные магниты (но, при необходимости могут быть использованы электромагниты). Цилиндрические части 72 и 73 изготовлены из имеющего высокую магнитную проницаемость магнитного материала с низкими потерями на гистерезис (такого, например, как железо или сталь), а опорный диск 75 изготовлен из немагнитного материала (такого, например, как пластмасса или алюминий), магнитные же элементы 80 представляют собой высокопрочные постоянные магниты, предпочтительно изготовленные из неодимферробора (NdFeB), но могущие быть изготовленными из керамики феррита бария (BaFe керамика), самарийкобальта (SmCo) или т.п.

Якорь 82 содержит кольцевой элемент, по крайней мере частично расположенный в промежутке 72А и неподвижный относительно корпуса, и закреплен на заднем торцевом щите 46 (фиг. 2), так что ротор 70 вращается относительно якоря 82 (а также корпуса 43). Таким образом, якорь 82 представляет собой неподвижный цилиндрический пустотелый элемент, проходящий по длине цилиндрического корпуса 43 между внутренней и наружной цилиндрическими частями 72 и 73 ротора.

Важным для настоящего изобретения является то, что якорь 82 содержит (фиг. 4) пучковые проводники 84, различные части 85 которых расположены между магнитопроводными элементами 86 (фиг.6). Проводники 84 имеют (фиг. 4 и 5) раздельные (разнесенные) активные участки 84А. Как показано на фиг.6, активные участки 84А имеют, по существу, прямоугольное сечение. Между активными участками 84А имеется множество раздельных продолговатых открытых полостей 86А (фиг. 5 и 6). В открытых полостях 86А между активными участками 84А расположены магнитопроводные средства, состоящие из множества магнитопроводных элементов 86 из спрессованного железного порошка. Пучковые проводники 84 предпочтительно образованы из пучка медных проводов малого диаметра, покрытых изоляционным материалом 88 (фиг.11), причем проводники 84 намотаны в связывающую систему, как показано в качестве примера на фиг.5, и противоположные концы пучков проводов присоединены к соединителям 89, проходящим через отверстие 68 в торцевом щите 46 (фиг.2).

Проводники 84 (фиг.4) сформированы в обмотку по всему якорю (при кольцевой обмотке, например), и каждый виток содержит расположенный в нем магнитопроводный элемент 86 (фиг. 5 и 6), причем типичная обмотка представляет собой единую кольцевую конструкцию, схематически показанную на фиг.5.

Магнитопроводные элементы 86 предпочтительно выполнены железными (по крайней мере частично) и проходят между активными участками 84А проводников 84. Проводники 84 имеют также торцевые (лобовые) витки 84В, которые проходят за активными участками 84А, соединяя активные участки друг с другом подходящим образом, таким как при волновой обмотке, показанной, например, на фиг. 5. Магнитопроводные элементы 86 предпочтительно представляют собой дисперсные магнитопроводные элементы, что обеспечивает возможность производить с высокой частотой перемагничивание с малыми противоположно направленными индуктированными токами и малыми потерями от вихревых токов. Поскольку железо является электропроводящим материалом, оно должно быть диспергировано, чтобы предотвратить (или по крайней мере предельно уменьшить) создание противоположно действующих индуктированных токов. Было обнаружено, что подходящий магнитопроводный элемент 86 может быть отпрессован из тонкого (10-100 микрон) железного порошка, ранее химически покрытого фосфатной изоляцией, с использованием в качестве связующих веществ эпоксидной смолы стадии "В", которая, как известно, является частично отвержденной эпоксидной смолой, еще термопластичной в момент использования, и воска.

Благодаря наличию проводников, содержащих множество проводов (проволок) малого диаметра, с магнитопроводными элементами дисперсной структуры между витками проводников создание противодействующих индуктированных токов уменьшается в достаточной степени, чтобы позволить работу электромагнитного преобразователя с высокими частотами вращения и с больших крутящим моментом с обеспечением при этом высокого коэффициента полезного действия. В работающем варианте был успешно использован неподвижный пустотелый якорь барабанного типа, содержащий обмотки из меди со стержнями из порошкового железа для пропускания магнитного потока и пропитанный эпоксидным изоляционным материалом со стекловолокнистым наполнителем, (материалом) залитым в качестве связующего вещества 180 между обмотками и стержнями.

Было обнаружено, что при использовании преобразователя в соответствии с настоящим изобретением в качестве электродвигателя (при постоянной величине тока) выходной крутящий момент может быть поддержан приблизительно постоянным даже при увеличении частоты вращения ротора (фиг.19, линия "a"). Это совершенно непохоже на известные устройства, в которых, как установлено, крутящий момент уменьшался с увеличением частоты вращения (фиг.19 линия " b") быстро, когда в качестве проводников и в качестве магнитопроводных элементов были использованы монолитные стержни. Сочетание большого крутящего момента и высокой частоты вращения, сделанное возможным в электромагнитном преобразователе в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивает высокую удельную мощность.

Как показано на фиг.6, якорь 82 (образованный пучковыми проводниками 84 и магнитопроводными элементами 86) расположен близко к магнитам 80, распределенным по внутренней цилиндрической стенке 72, и близко к цилиндрической стенке 73, причем стенки 72 и 73 являются соответственно внутренним и наружным путями замыкания магнитного потока. На фиг.6 показаны некоторые типичные пути потока. Как показано, эти пути магнитного потока представляют собой петли, каждая из которых пронизывает якорь дважды, проходя главным образом через магнитопроводные элементы 86. Таким образом, магнитопроводные элементы позволяют использовать толстый якорь для поддержания высокой магнитной индукции, которая важна для получения большого крутящего момента.

Как показано на фиг. 7, в электромагнитном преобразователе магниты 80 могут быть также размещены не на внутренней стенке 72, а на наружной стенке 73. Электромагнитный преобразователь (фиг. 8) может также иметь конструкцию, при которой магниты 80 размещены как на внутренней, так и на наружной стенках 72 и 73.

Как показано на фиг.9, может быть предусмотрен якорь 82 с обеих сторон магнитов 80. Кроме того (хотя это и не показано конкретно, но может быть осуществлено), электромагнитный преобразователь может быть выполнен с размещением дополнительных слоев элементов якоря и ротора радиально внутри и/или снаружи от тех, что показаны на чертежах. Магнитопроводные элементы 86 (в описанном выше варианте) имеют прямоугольное сечение, но они могут быть также выполнены в виде элемента, имеющего непрямоугольное сечение, такого, например, как двутавровые элементы 91 (фиг.10), между которыми проходят пучковые проводники 84.

Якорь может также иметь конструкцию (фиг.12), в которой магнитопроводные элементы 93 выполнены в виде покрытия из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (такого как железо) на некоторых или на всех пучковых проводниках 94. Проводники 94 (фиг.13) могут также иметь изоляционный слой 95, расположенный между проводником и магнитопроводным элементом. И в том, и в другом случае магнитопроводный элемент (если он сам не является неэлектропроводящим) покрыт изоляционным слоем 96.

Когда магнитопроводные элементы выполнены в виде покрытий на пучковых проводниках (фиг. 12 и 13), то нет необходимости использовать магнитопроводные стержни (показанные на фиг. 4-10). Пучковые проводники 94 с магнитопроводными элементами в виде покрытий на них могут быть использованы в качестве единственных элементов якоря (фиг.14) или могут чередоваться с частями 85 проводников, т.е. пучковыми проводниками, не имеющими нанесенного на них покрытия (фиг.15).

Порошковое железо, используемое в качестве магнитопроводных элементов 86 (на фиг. 6), дает трехмерную фазовую дисперсию, а магнитопроводные элементы 93, нанесенные на пучковые проводники (фиг.12 и 13), дают двухмерную фазовую дисперсию (с другой стороны, стержни из листов железа при использовании в качестве магнитопроводных элементов дают только одномерную фазовую дисперсию).

Электромагнитный преобразователь в соответствии с настоящих изобретением, таким образом, содержит узел создания магнитного потока (имеющий по крайней мере одну пару полюсов, которые могут быть выполнены путем использования постоянных магнитов или электромагнитов (и узел якоря), который пересекает магнитный поток, создаваемый посредством узла создания магнитного потока, и имеет конструкцию, в которой чередуются проводящие обмотки и магнитопроводные элементы, которые можно назвать железом якоря). Обмотка может быть использована как основной составной элемент якоря и состоит из пучков отдельных проводов (называемых в данном описании пучковыми проводниками), причем используют пучковые проводники из тонкого провода, что позволяет высокую частоту вращения ротора при использовании в сочетании с дисперсными магнитопроводными элементами.

Использование множества параллельно проходящих изолированных проводов для уменьшения потерь от нагрева при больших токах уже было предложено ранее (например, патент США N 497001) и хорошо известно в области производства электродвигателей - как способ уменьшения потерь от поверхностного эффекта в электродвигателях. Но поверхностный эффект вызывает потери только при нагрузке, тогда как потери от вихревых токов (при вращении известных устройств с большой частотой вращения) имеют место без нагрузки. Это различие объясняет механизм эффекта.

В случае проводников большого сечения или проводящих магнитопроводных элементов большого сечения, используемых по крайней мере в некоторых ранее известных устройствах, при увеличении частоты перемагничивания величина индуктированных токов в стержнях увеличивается, и индуктированные токи, взаимодействуя с магнитным полем, создают момент сопротивления, противодействующий увеличению частоты вращения. Таким образом, известные барабанного типа устройства по своей природе ограничены низкой частотой вращения из-за наличия реактивного крутящего момента и не могут вращаться с высокой частотой вращения, и потому (в отличие от устройства в соответствии с настоящим изобретением) не пригодны, например, для использования в качестве тяговых электродвигателей в большинстве областей практического применения.

При использовании преобразователя в качестве электродвигателя должны быть, конечно, также предусмотрены средства для перемещения (т.е. вращения) магнитного поля относительно якоря с большой скоростью, чтобы можно было преобразовывать электрическую энергию в механическую в манере, подобной той, что используют в известных электродвигателях. Как показано на фиг.2, это может быть осуществлено путем присоединения проводов 97 между соединителями 89 якоря 82 и блоком 98 управления с генератором тока, в результате чего блок 98 подает ток к проводникам 84, чтобы заставить вращаться ротор 70, который, вращаясь, заставляет вращаться вал 51, приводящий в действие нагрузку 99.

При использовании электромагнитного преобразователя в качестве альтернатора или генератора привод 99 вызывает вращение вала 51, который вращает ротор 70, в результате чего индуцируется напряжение на проводниках 84 и, следовательно, генерируется электрический ток, текущий от проводников 84 к нагрузке 98. Хотя это конкретно и не показано на фиг. 1-15, но понятно, что блок управления с генератором тока (или в соответствии с другим вариантом - якорь) содержит необходимые электрические коммутационные устройства, включая те устройства, в которых коммутацию осуществляют с помощью электронных средств (как, например, в бесщеточном электродвигателе постоянного тока), а также устройства, использующие выпрямители вместо коммутации (как часто делают в области вырабатывания энергии).

На фиг. 16 показан вариант электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением, в котором якорь 82 соединен с валом 51 посредством опорного диска 101, а внутренняя и наружная цилиндрические стенки 72 и 73 прикреплены к корпусу 43. В данном варианте якорь, таким образом, становится ротором, причем электрическая энергия связана с якорем посредством щеток или токосъемных (контактных) колец 102 (щетки используют в случае машины постоянного тока, а токосъемные кольца - в случае машины переменного тока). Вариант, показанный на фиг. 16, является предпочтительным в некоторых областях применения, в частности в случае коллекторной машины постоянного тока.

Преобразователь в соответствии с настоящим изобретением обладает существенным преимуществом по сравнению с традиционным электродвигателем благодаря использованию минимального количества железа, подвергаемого перемагничиванию, то есть лишь железо в магнитопроводных элементах в якоре подвергается перемагничиванию при прохождении мимо каждого полюса, и потому имеют место малые потери от гистерезиса. Кроме того, снижаются эффекты рассеяния магнитного потока, в результате чего все обмотки якоря испытывают полное изменение магнитного потока и, следовательно, одинаково полезны в создании крутящего момента.

Предлагаемое устройство имеет также существенные преимущества в теплопередаче. По этой причине дополнительно увеличивается очень высокая мощность на единицу массы (удельная мощность). Поскольку якорь собирают полностью из изолированных проводников, за исключением необходимого объема магнитопроводных элементов, то это позволяет получить тонкий якорь. Следовательно, можно обеспечить охлаждение как внутренней, так и наружной поверхностей якоря.

В соответствии с принципами теплопередачи накопление тепла в якоре (при постоянной температуре поверхности и равномерном внутреннем нагреве на единицу объема) зависит от квадрата его толщины. Сравним, например, якорь толщиною 0,25 дюйма (примерно 0,64 см), что возможно в данном изобретении, с массивным ротором диаметром пять дюймов (12,7 см), что обычно для известных устройств. Накопление тепла в таких известных устройствах приблизительно в 400 раз больше, чем в преобразователе в соответствии с настоящим изобретением с таким якорем. Очевидно, что электромагнитный преобразователь в соответствии с настоящим изобретением может рассеивать больше тепла, чем любой известный традиционный преобразователь такой же номинальной мощности.

Злектромагнитный преобразователь в соответствии с настоящим изобретением может быть исполнен в нескольких топологических вариантах основной конструкции. Кроме исполнения в форме цилиндрического барабана для вращательного движения, электродвигатель может быть исполнен (путем изменения ориентации магнитов и обмоток) для линейного движения. К другим вариантам (не показаны) относятся плоскопараллельная и коническая конфигурации.

На фиг.17 показано предназначенное для линейного возвратно- поступательного движения исполнение электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением, в котором создающая магнитный поток часть движется линейно относительно якоря цилиндрической формы. Для достижения этой цели якорь 105 снабжен пучковыми проводниками 106 и магнитопроводными элементами 107, намотанными радиально вокруг вала 51 (а не проходящими параллельно ему, как в варианте, показанном на фиг.1), а ротор 109 снабжен магнитами 110, проходящими по окружности внутренней цилиндрической стенки 72 (а не параллельно валу 51, как в варианте, показанном на фиг.1).

На фиг. 18 показано другое предназначенное для линейного возвратно-поступательного движения исполнение электромагнитного преобразователя в соответствии с настоящим изобретением, в котором конструкция выполнена плоской. Как показано, магниты 113 установлены на плоской нижней возвратной плите 114. Якорь 115 снабжен пучковыми проводниками 116 и магнитопроводными элементами 117, размещенными так же, как описано выше в отношении к другим показанным вариантам, за исключением того, что якорь выполнен, по существу, плоским, а не цилиндрическим. Предусмотрена также верхняя возвратная плита 118, и якорь 115 может быть перемещен линейно относительно (и между ними) нижней и верхней плит 114 и 118 по роликам 120, установленным на краях верхней плиты 118, и роликам 121, установленным в опорных коробках 122 (размещаемых на нижней плите 114).

Ниже приведены основные данные о конфигурации и геометрии образца преобразователя, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретенная на основе расчетов, произведенных на вычислительной машине (на основе использования 24 магнитов, проводников диаметром 0,008 дюйма, т.е. 0,2мм, и 144 магнитопроводных элементов, описанных более подробно ниже):

Мощность (при 10000 об/мин) - 40 л.с.

Напряжение - 72 В пост. тока

Ток - 425 А пост. тока

Диаметр - 6,5 дюймов

Полная толщина якоря - 0,28 дюйма

Длина - 3,5 дюймов

Масса - 15,0 фунтов

КПД (вычисленный при 10000 об/мин) - 97,6%

В частности, расчеты электродвигателя, приведенные выше, основаны на следующих расчетах, касающихся двигателя:

Геометрические параметры:

L1 = 0,125; L2 = 0,02; L3 = 0,25; L4 = 0,02;

L5 = 0,3; L6 = 0,125; L9 = 2; R1 = 2,488;

M1 = 0,684; M2 = 0,513; M3 = 0,171; M5 = 0,109; M6 = 0,54;

X1 = 0,5; M4 = 0,75.

Свойства материалов:

R9 = 0,075; U9 = 0,0000004; DE = 0,54; R0 = 1,7241;

BR = 11506; UR = 1,05; RD = 5000; MD = 0,3;

WD = 0,5; KM = 0,000001; N1 = 2.

Переменные обмотки:

DW = 8,000001E-03; PF = 0,42; V0 = 72; IM = 425; NP = 3;

NM = 24; NS = 2; NL = 2; SR = 1; JD = 2;

NT = 1; M1 = 2.

Магнитные поля:

BA = 8000; BM = 10053; HM = 1378; BS = 16000;

B - внут. RP = 15181; B - наруж. RP = 17136;

B - задн. при 424А = 754; Макс. ток при HD = 2042;

P/1/ = 7,3; P/2/ = 1,2; P/3/ = 0,3; P/4/ = 3,7.

Массы составных частей:

Медь = 0,72. Эпоксидная смола = 0,30. Магниты = 2,22.

Железо статора = 1,11. Пути замыкания = 2,32. Корпус = 5,87.

Вал = 2,26. Полная масса = 15,0.

Электрические параметры:

Сопротивление = 0,0027. R на фазу = 0,004.

Частота вращ. без нагрузки = 11164,7 об/мин.

Фут- фунт при опрокидывании (36154А) = 1644.

Провода на кондуктор = 56. Эффективная длина = 48.

Объем статора = 7,8. Размеры проводника - 0,0540,125.

Расчетные характеристики в зависимости от частоты вращения даны в таблице (потери в Вт).

Единицы длины - дюймы,

Поля - в гауссах B, эрстедах H.

Потери - в Вт.

Силы - в фунтах (когда это массы).

P/ / = гауссы /эрстеды, магнитные проводимости путей потока.

R = сопротивление, Ом.

Параметр - Определение

L1 - Толщина внутреннего пути 72 замыкания потока

L2 - Внутренний воздушный зазор

L3 - Толщина якоря 82

L4 - Наружный воздушный зазор

L5 - Толщина магнита 80

L6 - Толщина наружного пути 73 замыкания потока

L9 - Длина магнита 80

M1 - По выбору: 1 для магнитов внутри, 2 для магнитов снаружи, 3 для тех и других

M1 - Шаг магнитов

M2 - Ширина магнитов

M3 - Промежуток между магнитами по делительной линии

М4 - M2 как функция MЗ

M5 - Шаг железа якоря

M6 - Ширина железа якоря

X1 - Фракция железа

NS - Железные детали 88 на фазу и на полюс

NT - Количество проводников 84 на железную деталь 86

NL - Количество слоев обмотки

NC - Полное число проводников 84 на фазу

SR - Количество проводников на фазу при последовательном соединении

NP - Количество фаз

YD - По выбору: 1 для звезды и 2 для треугольника

NW - Количество проводов на проводник

NM - Количество магнитов 80

PF - Коэффициент плотности упаковки проводов

DW - Диаметр проводов

WD - Плотность материала проводов

DE - Плотность эпоксидного заливочного материала

VO - Приложенное напряжение

IM - Максимальный ток

NR - Частота вращения без нагрузки

RI - Средний радиус якоря

RO - Удельное сопротивление провода, микроом-см

KM - Постоянные потери на гистерезис

R9 - Плотность газа или жидкости, фунт-моль/куб. фут

U9 - Вязкость, фунт-сила-сек/квадратный фут

MG - Выбор магнитов: 1 для керамики, 2 для

HC - Псевдокоэрцитивная сила = ВР/Р

BP - Остаточная магнитная индукция

MD - Плотность магнитного материала

UR - Проницаемость возврата

HD - Коэрцитивная сила на загибе

Для проверки крутящего момента электродвигателя была измерена электромагнитная сила при эксплуатационном испытании в линейном исполнении, подобном на фиг.18, на основе компьютерного моделирования испытания вращательного исполнения. Ток в 125 А дал силу 50 фунтов.

Измеренное магнитное поле (с использованием керамических магнитов типа В) составляло 3500 гауссов. Активная длина проводника перекрывала три из четырех полюсов и состояла из двадцати стержней из меди, имевших каждый размеры в поперечном сечении 0,150 0,3125 дюйма. Каждый из 3 20 = 60 проводников имел активную длину, равную трем дюймах. Таким образом, полная активная длина проводников составляла 3 60 = 180 дюймов. По этим значениям была вычислена сила, которая была равна 45 фунтам. Измеренная сила 50 фунтов сравнима с расчетной силой, равной 45 фунтам, учитывая точность испытания (например, магнитное поле не везде абсолютно равномерно, а краевые эффекты поля не учитывались).

Измеренные потери на вихревые токи, гистерезис и вентиляционные для преобразователя, выполненного в соответствии с принципами изобретения и приведенным описанием, показаны на графике на фиг. 20. Предварительные испытания показали, что этот электродвигатель развивал 16 л. с. при 7800 об/мин.

Как можно понять из сказанного выше, электромагнитный преобразователь в соответствии с настоящим изобретением способен, таким образом, обеспечивать отдаваемую мощность на единицу массы (удельную мощность) более одной лошадиной силы на один фунт (2,2 л. с. на килограмм) в охлаждающей газовой среде (с использованием воздуха в качестве охлаждающей среды), и думается, что она может быть больше пяти лошадиных сил на один фунт (11 л. с. на кг) по крайней мере в некоторых охлаждающих средах (для описанного здесь образцового двигателя бьио вычислено отношение 5:1). Из описанного выше следует также понимать, что в соответствии с настоящим изобретением предлагается электромагнитный преобразователь, который легок по весу, компактен, эффективен и при этом все же способен развивать большую мощность.

Существо технологии изготовления преобразователя, лежащей в основе настоящего изобретения, заключается в устройстве механических элементов электродвигателя, в результате чего могут быть достигнуты с использованием традиционных материалов постоянные удельные мощности выше четырех лошадиных сил на фунт массы (8,8 л. с. на кг). Кроме того, такое устройство ограничивает постоянные потери (полные потери без медных потерь), что дает в результате коэффициенты полезного действия выше 90%, по существу, во всем диапазоне частот вращения и максимальный КПД при более высоких частотах вращения выше 95%. Кроме того, такое устройство механических элементов обеспечивает повышение теплопередающей способности якоря по сравнению с традиционной технологией.

Благодаря очень высокой удельной мощности данная электрическая машина имеет много областей применения, где традиционные устройства не столь эффективны или просто непригодны. К таким областям применения относятся те, которые особенно чувствительны к размерам, массе и энергетическому КПД, например, системы привода сухопутных транспортных машин, судовые приводы, вспомогательные силовые системы летательных аппаратов, электромеханические приводы и переносные силовые генераторные агрегаты. Например, заявитель смог разместить тяговые электродвигатели в пределах заданного пространства в ступицах небольших наземных транспортных машин, тогда как до сих пор считалось возможным размещение только механических или гидравлических систем передачи.

Настоящее изобретение способно обеспечивать большую удельную мощность в своих преобразователях следующими двумя путями.

Во-первых, благодаря эффективной работе машины на высоких частотах вращения до 10000 об/мин, что позволяет получить большей величины крутящий момент от данного устройства.

Во-вторых, путем исключения большинства неважных (неработающих) материалов (меди и железа) в конструкции машины.

Важно отметить, что в этом случае коэффициент полезного действия и удельная мощность взаимосвязаны. Традиционные электродвигатели имеют тенденцию становиться более неэффективными (т.е. увеличиваются постоянные потери) при повышении их частоты вращения. Следовательно, имеет место практическое ограничение величины мощности, которая может быть получена путем увеличения их частоты вращения.

Сравнение показывает, что предлагаемый электродвигатель имеет более высокие КПД при более высоких частотах вращения благодаря "распределенной" обмотке, в которой в промежутках между пучками тонкого провода расположены магнитопроводы высокой плотности потока. Распределенная обмотка обеспечивает уменьшение постоянных потерь, и отдаваемая мощность данного устройства фактически увеличивается с увеличением частоты вращения. В то же самое время габаритные размеры и масса устройства могут быть уменьшены, потому что конфигурация распределенной обмотки улучшает соотношение между материалом работающим и неработающим.

Таким образом, можно сказать, что суть технологии, лежащей в основе настоящего изобретения, заключается в основном устройстве обмотки якоря. Это есть устройство, которое определяет положение и объединяет механические элементы преобразователя (т.е. медные катушки, средства создания магнитного потока, магнитопроводы и путь замыкания потока) совершенно по-новому, обеспечивая возможность получения высокой частоты вращения и большой мощности с высокими КПД во всем диапазоне частот вращения, но особенно у верхней его границы. Основной состав этих механических элементов и описание того, как их суммарные электрические характеристики влияют на работу электродвигателя, даны ниже.

Якорь или статор в сборе содержит распределенную обмотку, в промежутках которой размещены стержни 86 (фиг.21) из порошкового железа, удерживаемые в обмотке посредством эпоксидной смолы, что дает в результате жесткую конструкцию, которая может быть изготовлена независимо как подузел с высокой степенью точности. Другими словами, он является пригодным по своей природе для производства составным элементом.

Способ изготовления в соответствии с настоящим изобретением, т.е. наматывание пучков провода, например, тонкого медного провода, в тонкий цилиндрический "моток", дает в результате очень короткие торцевые витки с радиальной толщиной, сравнимой с толщиной активной части обмотки. Минимальное количество меди, необходимое при этом для неработающих торцевых витков, существенно уменьшает сопротивление и потери на J²R якоря, а равномерность толщины торцевых витков упрощает установку обмотки в конечный узел.

Традиционные бесщеточные (бесконтактные) электродвигатели постоянного тока диаметром до 6 дюймов (15,2 см) практически имеют максимум 33 зубца в слоистом пакете железа. Конструкция в соответствии с настоящим изобретением может допускать до 144 стержней (эквивалентных зубцам) из порошкового железа.

Большое количество железных стержней (зубцов) в настоящем изобретении определяет большое количество предназначенных для обмотки пазов (щелей) малой ширины между стержнями. Это позволяет увеличить число пазов на полюс минимум втрое (для трехфазного бесщеточного электродвигателя). Для данного числа полюсов, например десяти, число пазов на полюс в традиционном трехфазном двигателе равно трем, тогда как двигатель в соответствии с настоящим изобретением может иметь их в пять раз больше, т.е. до пятнадцати. Следовательно, каждая фаза трехфазной обмотки в соответствии с настоящим изобретением может занимать, вместо одного, пять пазов на каждый полюс. Это и есть то, что подразумевают под "распределением" обмотки.

Вместо клино-, или V - образного паза, образованного зубцами шихтованного сердечника в традиционных электродвигателях, якорь в соответствии с настоящим изобретением имеет, по существу, прямоугольные пазы. При увеличении числа стержней в предлагаемом якоре форма получающихся пазов (щелей) приближается к форме идеального прямоугольника. Эта прямоугольная форма обеспечивает возможность более равномерного размещения катушек (секций) меди в пазу, что позволяет расположить медь ближе к железу. Например, в традиционном электродвигателе диаметром шесть дюймов (15,2 см) расстояние между проводником (витком), самым дальним от зубца (но внутри паза), составляет 0,158 дюйма (4 мм), тогда как в двигателе в соответствии с настоящим изобретением это расстояние может быть не более 0,030 дюйма (0,76 мм). Поэтому получающаяся электродвижущая сила (ЭДС), индуктируемая в витках секций обмотки, значительно более равномерна, чем в традиционном якоре.

Равномерность ЭДС, индуктируемой в большом количестве секций в предлагаемом якоре, важна, потому что она позволяет параллельное расположение проводов в секции, что обеспечивают существенное уменьшение выравнивающих токов и связанных с ними потерь. В традиционных электродвигателях неравномерность ЭДС не позволяет параллельную прокладку проводов, и регулирование выравнивающих (циркулирующих) токов приходится осуществлять путем скручивания проводов в катушке (т.е. по методу Литца). Возможность избежать использования метода Литца при намотке провода позволяет получить предлагаемую обмотку, которая может вмещать больше провода в пазу (и меньше в торцевых витках), что облегчает изготовление катушки.

Важной характеристикой электродвигателя в соответствии с настоящим изобретением является улучшение эксплуатационных качеств, обусловленное относительно низкой реакцией якоря. Реакция якоря определяется искажением первичного магнитного поля полем, создаваемым в результате протекания тока через обмотки двигателя.

Крутящий момент, развиваемый двигателем, пропорционален произведению тока на поток. Типичный эффект реакции якоря в электродвигателе - это уменьшение эффективного потока при увеличении тока, т.е. постоянная крутящего момента (крутящий момент/амп) уменьшается с увеличением тока. В конце концов (при высоких уровнях тока) противодействующее магнитное поле может стать достаточно сильным, чтобы размагнитить постоянные магниты.

Противодействующее магнитное поле в любом электродвигателе пропорционально уровню тока и числу витков в пазу. Число витков важно, потому что добавляется реактивный эффект, создаваемый каждым витком в пазу. В предлагаемом двигателе число витков в пазу намного меньше, потому что много пазов. В результате создаваемое противодействующее магнитное поле много меньше, чем в традиционном электродвигателе.

Это дает существенное преимущество, касающееся числа витков на паз. В наиболее целесообразных вариантах якоря в соответствии с настоящим изобретением является маловероятным, чтобы число витков на паз превышало четыре, тогда как в традиционном электродвигателе с аналогичными техническими характеристиками (напряжение, ток, частота вращения) число витков на паз составляет по крайней мере двенадцать. Большее число витков на паз в традиционном электродвигателе, таким образом, дает в результате большее снижение отдаваемой мощности, обусловленное влиянием реакции якоря двигателя.

Использование тонкого провода в обмотке дает по сравнению с толстым проводом существенную выгоду при изготовлении обмотки. Катушки обмотки могут быть выполнены с обеспечением намного более равномерной намотки, если использовать тонкий провод. В якоре в соответствии с настоящим изобретением может быть использован провод американского стандартного калибра (AWG) сорок (диаметр 0,079 мм) или даже меньше, так как катушки не нужно наматывать непосредственно в пазы, как в традиционной шихтованной конструкции, где кончики (вершины) зубца часто вызывают обрыв провода.

Использование тонкого провода также обеспечивает уменьшение потерь, связанных с поверхностными эффектами. Поверхностный эффект определяется как склонность тока, протекающего по проводу, мигрировать в направлении к поверхности (поверхностному слою) провода при повышении его частоты, в результате чего сердцевина провода остается неиспользованной и, следовательно, непродуктивной. Использование нескольких жил тонкого провода меньшего радиуса, в противоположность традиционной технологии с использованием незначительного количества жил или одной жилы провода большого радиуса, существенно уменьшает явление миграции. Это позволяет току пронизывать (использовать) больше имеющейся меди при высоких частотах.

Потери в железе в традиционных конструкциях обычно уменьшают путем сборки магнитопроводных элементов из пакетов пластин из кремнистой стали. В соответствии с настоящим изобретением этой цели достигают путем использования нового, порошкового железа, спрессованного в небольшие узкие пластинки (стержни), вставленные в обмотку якоря. Частицы железа обрабатывают химически, чтобы изолировать их друг от друга, что имитирует эффект расслоения стали, но со значительной экономией материала (т.е. массы). Это устройство возможно потому, что конструкция предлагаемой обмотки не требует механического поддерживания со стороны железа.

Магнитопроводные стержни 86 могут иметь простую прямоугольную форму, двутавровую или тавровую форму. Последние две формы дают в результате полузакрытые щели (проемы) между стержнями, которые уменьшают колебание магнитного сопротивления, иначе вызываемое широкими открытыми щелями, и способствуют более равномерному распределению магнитного потока, результатом чего является более спокойная работа.

Аморфные металлы в виде стержней из спрессованного порошка могут также быть использованы в качестве магнитопроводных элементов между катушками. Эти материалы могут работать при более высоких уровнях плотности потока, чем порошковое железо упорядоченной структуры. Величина потерь на вихревые токи и гистерезис в аморфном металле также ниже, чем в порошковом железе или кремнистой стали, благодаря чему повышается общий коэффициент полезного действия.

Равномерная радиальная толщина предлагаемой конструкции обмотки позволяет использовать два цилиндрических магнитных ротора-один внутри, а другой снаружи обмотки статора. Это обеспечивает проводимость через обмотку более высокой напряженности магнитного поля, чем может быть обеспечено в традиционных электродвигателях. Это также исключает потери в железе в пути замыкания магнитного потока, так как путь замыкания вращается вместе с магнитом.

Кроме того, большое количество узких щелей (проемов) в предлагаемом якоре позволяет разместить медные обмотки на намного более коротком протяжении, чем в традиционных конструкциях. Это означает, что соответствующие полисные дуги могут быть сделаны более короткими, что обеспечивает возможность использования большого числа полюсов. Непосредственным преимуществом большого числа полюсов является уменьшение ширины ярма, поскольку короткие полюсные дуги требуют лишь небольшого количества железа за ними для проведения магнитного потока. Результатом уменьшения ярма являются значительно меньшие масса и инерция электродвигателя. Это уменьшение ярма, возможно, является наиболее важным фактором в уменьшении содержания материала и массы электродвигателя в соответствии с настоящим изобретением. Для традиционного бесконтактного электродвигателя диаметром шесть дюймов (15,2 см) практическое максимальное число полюсов равно десяти, а в предлагаемой конструкции это число может быть увеличено до 24.

Благодаря использованию коротких полюсных дуг, которые требуют меньше пространства для ярма, реальным становится использование (меньших) магнитов очень высокой энергии. Получаемая выгода заключается в высокой плотности магнитного потока в воздушном зазоре с намного меньшими ярмом и массой.

Рабочей частотой является частота коммутации, которая равна частоте вращения (об/сек), умноженная на число пар полюсов. Для описываемого здесь электродвигателя при 10000 об/мин (167 об/с) и с 24 магнитами (двенадцать пар полюсов) частота коммутации составляет 2000 Гц (167 12). Эта рабочая частота в 4-5 раз выше, чем у любого традиционного электродвигателя при аналогичных частотах вращения. Такая высокая частота дает в результате более низкий процент пульсации крутящего момента.

И наконец, работа всякой электрической машины ограничивается ее способностью рассеивать тепло, выделяемое в результате постоянных потерь. Жесткий якорь в соответствии с настоящим изобретением может быть прикреплен к самым разным торцевым щитам и неподвижным конструкциям для увеличения кондукционного отвода тепла от обмотки наружу. Кроме того, полая цилиндрическая форма якоря дает две поверхности, от которых тепло может быть также рассеяно конвекционным путем в воздушный зазор. Выполнение обмотки полой обеспечивает возможность более легкого осуществления газового охлаждения, чем с традиционными пакетами пластин, что дополнительно уменьшает нагревостойкость обмотки якоря.

Описанный здесь способ сборки волнового статора включает в себя несколько отдельных операций. К ним относятся изготовление магнитопроводных стержней из железного порошка, удаление заусенцев и изолирование магнитопроводных стержней, обмотка статора, обработка концов пучков проводов, калибровка статора, вставление магнитопроводных стержней и заливка узла статора.

Согласно идее использования пучкового проводника одну жилу толстого провода заменяют пучком тонких проводов. Провод для статора, выполненного в соответствии с указанным способом, представляет собой провод 32 калибра (диаметр 0,2 мм), имеющий полиамидную или полиамидную изоляцию и феноксидное клейкое покрытие. Клей отверждают путем нагревания для придания дополнительной прочности, необходимой при обращении с проводом до заливки. Изоляция представляет собой наиболее теплостойкую из имеющихся, относящуюся к классу, рассчитанному на 200^oC. Тонкие провода обеспечивают намного большую гибкость, в результате чего торцевые витки укладываются плотно и получаются короткими.

Частицы железного порошка после обработки кислотой для обеспечения изоляции каждой частицы металла спрессовывают в магнитопроводный элемент, т.е. магнитопроводный стержень 86 (фиг.21). Изолирование частиц металла уменьшают потери на вихревые токи при использовании в высокочастотном переменном магнитном поле. Магнитопроводные стержни 86 не должны показывать никакой величины сопротивления при измерении омметром. Толщина стержней 86 предпочтительно колеблется в пределах между 0,040 и 0,042 дюйма (1,016-1,067 мм).

Во время изготовления магнитопроводных стержней 86 засыпают в полость пресс-формы измеренный объем порошкового железного материала, обеспечивая при этом равномерное распределение порошка в полости пресс-формы. Гидравлический пресс обеспечивает давление на частицы железного порошка, равное 80000 фунтов на квадратный дюйм (5625 кг/см². После выключения пресса стержень выталкивают из полости пресс-формы. Повторяя описанную процедуру, получают большое количество стержней. Каждый стержень обертывают изоляционным материалом (таким, как бумага из номекса - термостойкого волокна из ароматического полиамида) так, чтобы изоляция была соединена на одной стороне стержня внахлестку.

Пучки проводов приготавливают, используя провод с катушек в том виде, в каком их поставляют. Вращающееся большое колесо с вставными крючками сматывает провод с катушек. Длину провода можно регулировать путем перестановки вставных крючков в различные комбинации отверстий на колесе. Счетчик, установленный в начальной точке колеса, считает витки. Например, в соответствии с предпочтительным вариантом длина пучка составляет 12,5 футов (3,8 м) с 65 проводами (витками) в каждом пучке. Для защиты пучков проводов при обращении с ними поверх провода устанавливают между вставными крючками съемные полипропиленовые спиральные оберточные трубки. Когда моток провода находится на колесе, в середине мотка (напротив начальной точки) прикрепляют метку из ленты. В точке начала и конца мотка прикрепляют кусочек ленты с каждой стороны места разрезания мотка, в результате которого получают пучок длиною 12,5 футов (3,8 м). После постановки упомянутой метки и маркировки концов моток провода разрезают. В статоре используют шесть пучков проводов, и потому каждый из них получает маркировочный знак 1- 6 (фиг. 28-30) на каждом конце.

Как показано на фиг. 22-27, в пазы 205 в обмоточной оправке (цилиндре) 201 вставляют 144 съемных пластинки 203, имеющие такие же, как у магнитопроводных стержней 86, толщину и ширину, с интервалом 2,5 градуса (2,5 144 = 360) по окружности (периферии) оправки. Пластинки располагают так, чтобы один конец находился в пазах, а другой выступал наружу от поверхности оправки под углом, по существу, 90^oC. Будучи вплетены между расположенными в пазах оправки пластинками так, как подробно описано ниже, пучки проводов образуют требуемую конфигурацию статора. Наружный диаметр оправки становится внутренним диаметром статора. Положение и размеры съемных пластинок 203 обеспечивают возможность последующего вставления в пучки проводов магнитопроводных стержней. Следовательно, магнитопроводные стержни будут занимать места, ранее занимаемые съемными пластинками. Пластинки предпочтительно изготавливают из пропитанного воском фенопласта, что предотвращает их склеивание с феноксидным клейким покрытием провода во время выполнения операции термического отверждения.

Оправка 201 (фиг. 24) имеет торцевые чашки 209 и 211, которые установлены на опорном приспособлении 213 для обеспечения возможности выполнения, как описано ниже, операции обмотки.

Обмотку начинают с вставления пучка 1 проводов в любую полость 207 между соседними пластинками. Средняя точка пучка (снабженная ленточной меткой) является исходной точкой, с которой начинают процесс обмотки, при этом из полости в обе стороны выходят части пучка одинаковой длины. Первая используемая полость является полостью (щелью) номер 1, причем номера полостей увеличиваются до 144 в направлении, например, по часовой стрелке, если смотреть со стороны левого торца оправки. Остальные пучки 2-6 вставляют последовательно в аналогичной манере по порядку номеров в соседние полости 2-6 между пластинками, каждый раз вводя в полость среднюю точку пучка проводов.

Затем противоположные концы пучка 1 продвигают под другие пучки в направлении к полости 7. Сначала вставляют в полость 7 правый конец пучка, разравнивая и разъединяя провода во время скольжения их в полости. Затем в ту же самую полость 7 вставляют левый конец сверху ранее вставленного правого конца, при этом разравнивая провода аналогичным образом. На пластинку 7 (т. е. в пазу 7 оправки) сильно нажимают, чтобы осадить пучок 1 в полости 7. Концы пучка плавно, но туго натягивают для образования петли между полостями 1 и 7. В результате этой процедуры получают обмотку из двух витков проводов на щель.

Вышеописанный процесс повторяют для каждого последующего пучка (т.е. от второго до шестого пучка), всегда продвигая концы пучков под другие провода, ранее вставленные в соответствующую полость между пластинками. Согласно сказанному выше, сначала вставляют в полость правый конец, разравнивая и равномерно укладывая провода. После вставления пучка в соответствующую полость сильно нажимают на каждую пластинку, чтобы осадить провода. Провода затем равномерно натягивают для уплотнения торцевых витков.

Повторяя вышеописанный процесс, пучки проводов проплетают до полости 144. Один конец пучка 1 заканчивается в полости 139, а другой - в полости 1. Это схематически показано на фиг. 28 только для пучка 1. Пучки 2-6 заплетают аналогично тому, как это описано для пучка 1.

Защитные чехлы пучков при необходимости снимают, вставляя сначала правый конец, причем пучки проводов держат натянутыми, чтобы торцевые витки были одинаковыми. Провода идут в порядке номеров для этого двухвиткового варианта якоря или статора. Пучки заканчиваются, выступая с левой стороны оправки, начиная с полости 139. В полости 139 находится пучок номер 1. Номера пучков увеличиваются от 1 до 6 последовательно от полости 139 до полости 144. Пучки, выходящие с правой стороны полостей 139-144, делают петлю и идут в полости 1-6. Поверх пластинок оправки устанавливают четыре хомута для шлангов и туго их затягивают. Следующая операция заключается в подготовке концов пучков проводов для получения выводов обмотки.

В соответствии с предпочтительными вариантами выполняют другие конструкции статора с четырьмя, тремя или одним витком на каждую из 144 полостей (щелей).

Якорь или статор с четырьмя витками на полость обматывают подобно статору с двумя витками на полость описанным выше образом, но разница состоит в том, что провода вдвое длиннее и проходят по окружности оправки два раза. Четырехвитковый статор может быть также обмотан двенадцатью пучками подобно описанному выше статору, а затем соседние витки в одной и той же полости соединяют после завершения обматывания друг с другом последовательно.

В статоре с тремя витками на полость обмотку начинают с точки на пучке, расположенной на 1/3 расстояния от одного конца. Подобно тому, как это делают в статоре с двумя витками на полость, пучок обматывают вокруг оправки один раз. После этого остается конец пучка достаточной длины для того, чтобы пройти вокруг оправки второй раз, но только одним концом пучка. Второй раз оправку обходят аналогично тому, как это делают в одновитковом статоре, описанном ниже.

На фиг.29 показан одновитковый статор, в котором процесс обмотки начинают с конца пучка, а не с какой-нибудь другой точки по его длине. Эта схема отличается от других схем также исходными полостями шести пучков. Концы пучков вставляют не в соседние, а в чередующиеся полости на оправке. Поскольку для получения одновиткового статора в каждую полость вставляют только один пучок, то переплетение пучка, как в других схемах, отсутствует.

Описанные выше варианты якоря или статора позволяют ограниченную оптимизацию номинальных значений параметров тока и напряжения для удовлетворения технических требований к крутящему моменту и частоте вращения. Для увеличения этой гибкости (приспособляемости) два соседних друг с другом пучка, которые обычно соединяют последовательно, могут быть также соединены параллельно. Этот выбор соединения осуществляют все же в пределах одной из трех фаз обмотки, а не между фазами. Однако параллельное соединение двух соседних пучков приведет к повышению выравнивающего тока между ними, поскольку индуктируемые в них напряжения не одинаковы. Эта неодинаковость обусловлена разным местоположением пучков в статоре. Поэтому придумана модификация вышеописанных схем, в которой индуктируемые напряжения в соседних пучках одинаковы. В этой модификации шаг каждого пучка в обмотке меняют (в сравнении с регулярным 6-полостным шагом), чередуя между коротким и длинным шагами. Например, пучок 1 (фиг.28) мог быть вплетен в полость 8 вместо полости 7, а пучок 2 - в полость 7 вместо 8. Этот обмен местами повторяют, пока не закончится весь процесс обмотки оправ- ки.

Как показано на примере пучка 1 (фиг.30), шаг обмотки действительно чередуется между 7 и 5 полостями, а не является равномерным шагом, равным 6 полостям. Получаемое индуктированное напряжение на выводах пучка 1 будет все же таким же, как прежде, но оно будет также одинаковым с напряжением на выводах соседнего пучка 2. Таким образом, можно устранить разницу в индуктируемых напряжениях двух соседних пучков путем непрерывного чередования их шага лишь с небольшим процентным снижением конечного значения напряжения, которое может быть легко компенсировано путем увеличения уровня магнитной индукции (плотности магнитного потока) магнитов преобразователя. По сравнению с альтернативными способами обмотки этот является усовершенствованным способом, в котором различные катушки сгруппированы особым образом, чтобы избежать циркулирующего (выравнивающего) тока, как это сделано в других конструкциях преобразователя.

Приведенное выше описание пучков с перемежающимися шагами обмотки относится ко всем четырем схемам, описанным выше.

Переключение соседних пучков с последовательного соединения на параллельное может быть безопасно осуществлено в электрической, цепи вне электродвигателя или генератора. Переключение можно сделать во время работы преобразователя. Последовательное соединение дает дополнительный крутящий момент при низкой частоте вращения, а параллельное соединение позволяет работать на более высоких частотах вращения. 3-фазная обмотка, имеющаяся в виду во всем приведенном выше описании, соединена звездой, так как соединение треугольником приводит к образованию выравнивающих токов между фазами, причем также индуктируемые напряжения фаз будут неодинаковыми.

Ниже дано описание процесса оформления выводов двенадцати концов в вышеописанной шестипучковой конструкции с двумя витками на полость. После окончания процесса обмотки каждый пучок, начиная с вывода 1 в полости 139, скручивают, и все 12 концов обертывают лентой. Затем излишек каждого пучка отрезают на расстоянии 3/4 дюйма (19 мм) от края ленты. Вне ленты подходящим химическим раствором удаляют изоляцию, после чего этот конец тщательно зачищают. Затем ленту снимают, закручивают провода вокруг друг друга и последние 1/2 дюйма пучка лудят мягким припоем. После этого пучки проверяют посредством измерительного прибора для проверки на отсутствие обрывов в цепи, чтобы убедиться в том, что никакой пучок проводов не замкнут накоротко с другим.

Поверх пластинок на оправке статора затягивают четыре хомута для шлангов. Обмотанную оправку помещают в печь с температурой З00^oF (149^oC) на один час. После того как обмотанная оправка пробудет в печи один час, хомуты ослабляют и снимают.

Оправке дают возможность остыть приблизительно до комнатной температуры, после чего извлекают из оправки пластинки.

Якорь или статор снимают с обмоточной оправки 201 (после того как были удалены пластинки с обращением при этом внимания на то, чтобы провода не были смещены при вытаскивании пластинок из пазов). На заливочную оправку напыляют антиадгезионную смазку, и на поверхность заливочной оправки наматывают один равномерный слой пряди стекловолокна. После этого на заливочную оправку надевают статор. Затем осторожно вставляют между пучками проводов изолированные магнитопроводные стержни 86 так, чтобы соединение изоляции всегда было ориентировано в одну и ту же сторону.

Наружный диаметр узла обмотки в сборе с магнитопроводными стержнями равномерно обматывают прядью стекловолокна, обеспечивая при этом равномерное натяжение пряди стекловолокна. На противоположную выводам сторону накладывают рыхлый слой стекловолокна, чтобы усилить (армировать) эту сторону залитого изделия. На узел обмотки в сборе с магнитопроводными элементами устанавливают наружное заливочное кольцо, не допуская при надевании кольца на статор сдвигания стекловолокна. Кольцо медленно натягивают на статор в сборе с заливочной оправкой, используя при этом латунную прокладку толщиною 0,005 дюйма (0,13 мм) для перекрытия кольцевого зазора с внутренней стороны. После этого латунную прокладку удаляют и кольцо герметизируют полоской резины.

Следует опять проверить, что пучки 1-6 не замкнуты накоротко друг с другом. Затем на оправку в сборе с наружным кольцом устанавливают торцевые плиты пресс-формы, чтобы подготовиться к операции заливки. К пресс-форме присоединяют необходимые фитинги и вакуумный трубопровод. При необходимости герметизации мест утечки вакуума может быть нанесена замазка вокруг соединений.

Пресс-форму в сборе помещают в печь с температурой 300^oF (149^oC) на один час для подогрева. Пресс-форму в сборе вынимают из печи, и прикрепляют шланг к вакуумному насосу. Для заливки используют эпоксидную смолу, которую подогревают и перемешивают непосредственно перед заливкой в пресс-форму. Перемешанную смолу заливают в верхнюю часть пресс-формы и дают ей возможность проходить через пресс-форму под действием разрежения в течение примерно 20 с. Это гарантирует течение плотного потока смолы и обеспечивает удаление воздушных пузырьков, находящихся в пресс-форме. Вакуумный трубопровод отсоединяют, и пресс-форму в сборе возвращают в печь с температурой З00^oF (149^oC) на 22 ч.

После окончания периода отверждения пресс-форму в сборе извлекают из печи и дают ей возможность остыть на воздухе приблизительно до комнатной температуры. Для получения наилучших результатов залитое изделие вынимают из пресс-формы, когда оно находится при температуре чуть выше комнатной температуры.

Статор заливают эпоксиноволачной смолой, которая имеет физические свойства и термостойкость, такие же, как у термореактивного фенопласта. Добавки, такие как пряди стекловолокна, улучшают физические свойства.

Следует отметить, что вышеприведенное описание и прилагаемые чертежи служат лишь иллюстрацией применения принципов настоящего изобретения и не являются ограничивающими. Специалисты в данной области техники могут легко придумать многочисленные другие варианты осуществления принципов настоящего изобретения, не выходящие за пределы существа и объема изобретения.