многослойный торцевой моментный электродвигатель

Формула изобретения

1. Многослойный торцевой моментный электродвигатель, содержащий ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с обмотками, отличающийся тем, что в статорах, расположенных с обеих сторон любого из дисков ротора, размещены кольцевые обмотки только одной фазы, установленные в каждом статоре соосно с ротором между двумя полыми цилиндрическими магнитопроводами разных диаметров, на торцах полых цилиндрических магнитопроводов, обращенных к ротору, выполнены зубцы, число которых равно числу пар полюсов ротора, и зубцы наружного и внутреннего цилиндрических магнитопроводов смещены по углу на угловую ширину полюса ротора, а со стороны другого торца цилиндрические магнитопроводы сопряжены с пакетами магнитопроводов из пластин, расположенными в радиальном направлении, при этом статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2 эл. рад., деленный на число фаз.

2. Многослойный торцевой моментный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что в каждом из двух статоров фаза выполнена из нескольких кольцевых секций с чередующимся направлением намагничивающей силы, кольцевые секции фазы размещены между полыми цилиндрическими магнитопроводами разных диаметров, число которых в статоре должно быть на единицу больше числа кольцевых секций фазы, на торцах, обращенных к ротору, цилиндрические магнитопроводы имеют зубцы, число которых равно числу пар полюсов ротора, и зубцы четных и нечетных цилиндрических магнитопроводов смещены по углу на угловую ширину полюса ротора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.

Аналогом является, например, торцевой магнитоэлектрический моментный двигатель (а.с. № 1775807, БИ № 42, 1992), имеющий тороидальный зубчатый магнитопровод статора, в радиальных пазах которого расположена обмотка, и два ротора с постоянными магнитами с осевой намагниченностью, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, предназначенный для применения в электроприводах с низкими частотами вращения.

Наиболее близок к предлагаемой машине многослойный дисковый электродвигатель (Белый П.Н. Конструктивное развитие дисковых высокомоментных технологических электродвигателей с высококоэрцитивными постоянными магнитами. // Электротехника, 2001, №7, с.20-23), имеющий четыре установленных на одном валу дисковых ротора с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и три расположенных между роторами статора, на зубцах которых в радиальных пазах размещены обмотки.

Недостатками прототипа является сложность конструкции и технологии изготовления многослойных торцевых моментных электродвигателей с высоким выходным моментом. Для повышения момента двигателя необходимо увеличивать число пар полюсов ротора, а значит, увеличивать число зубцов и радиальных пазов магнитопровода статора с размещенными в них обмотками. При изготовлении статора с большим числом зубцов и радиальных пазов, в которых размещаются витки обмотки статора, возникают технологические трудности, повышается трудоемкость и стоимость изготовления электродвигателя.

Предлагаемое изобретение упростит конструкцию многослойных торцевых моментных электродвигателей с большим числом пар полюсов и одновременно повысит технологичность и снизит трудоемкость и стоимость изготовления двигателя.

Это достигается тем, что в многослойном торцевом моментном электродвигателе, содержащем ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с обмотками, в статорах, расположенных с обеих сторон любого из дисков ротора, размещены кольцевые обмотки только одной фазы. Кольцевые обмотки фазы установлены в каждом статоре соосно с ротором между двумя полыми цилиндрическими магнитопроводами разных диаметров, на торцах полых цилиндрических магнитопроводов, обращенных к ротору, выполнены зубцы. Число зубцов на цилиндрических магнитопроводах равно числу пар полюсов ротора и зубцы наружного и внутреннего цилиндрических магнитопроводов смещены по углу на угловую ширину полюса ротора. Со стороны другого торца цилиндрические магнитопроводы сопряжены с пакетами магнитопроводов из пластин, расположенными в радиальном направлении. При этом статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2 эл. рад, деленный на число фаз.

Масса и габариты предлагаемого двигателя уменьшаются, если в каждом из двух статоров фазы обмотка выполнена из нескольких кольцевых секций с чередующимся направлением намагничивающей силы. Кольцевые секции фазы размещаются между полыми цилиндрическими магнитопроводами разных диаметров, число которых в статоре должно быть на единицу больше числа кольцевых секций фазы. На торцах, обращенных к ротору, цилиндрические магнитопроводы имеют зубцы, число которых равно числу пар полюсов ротора, и зубцы четных и нечетных цилиндрических магнитопроводов смещены по углу на угловую ширину полюса ротора.

Размещение на статорах, расположенных по обе стороны каждого из дисков ротора, обмоток только одной из фаз и выполнение каждого статора из полых цилиндрических магнитопроводов с зубцами на торцевой поверхности позволяет использовать в двигателе простейшие кольцевые обмотки, что делает предлагаемый электродвигатель намного технологичнее и дешевле, чем электродвигатель с обмотками, уложенными в радиальные пазы магнитопровода. Это особенно проявляется в моментных двигателях с большим числом пар полюсов.

На фиг.1 приведено осевое сечение предлагаемого электродвигателя в трехфазном исполнении с одной кольцевой секцией фазы на каждом статоре; на фиг.2а - торцевая поверхность первого статора первой фазы двигателя, показанного на фиг.1; на фиг.2б - торцевая поверхность диска ротора, обращенная к первому статору первой фазы, на фиг.2в - торцевая поверхность диска ротора, обращенная ко второму статору первой фазы, на фиг.2г - торцевая поверхность второго статора первой фазы; на фиг.3 - осевое сечение предлагаемого электродвигателя с двумя кольцевыми секциями фазы на каждом статоре; на фиг.4а - торцевая поверхность первого статора первой фазы двигателя, показанного на фиг.3; на фиг.4б - торцевая поверхность диска ротора, обращенная к первому статору первой фазы, на фиг.4в - торцевая поверхность диска ротора, обращенная ко второму статору первой фазы, на фиг.4г - торцевая поверхность второго статора первой фазы.

На валу 1 (фиг.1) закреплены три одинаковых ферромагнитных диска 2 с установленными на торцевых сторонах постоянными магнитами 3 с осевым магнитным потоком. Полярность постоянных магнитов 3 чередуется в тангенциальном направлении. Вал 1 установлен в подшипниках 4, зафиксированных в крышках 5 и 6. В крышках 5 и 6 и в двух цилиндрических корпусах 7 и 8 установлено шесть статоров 9, 10, 11, 12, 13 и 14 электродвигателя. На фиг.1 обозначены элементы магнитопроводов двух статоров 9 и 10: наружные полые цилиндрические магнитопроводы 15 и 16, например, навитые из ленты; внутренние полые цилиндрические магнитопроводы 17 и 18 меньшего диаметра; радиально расположенные пакеты 19 и 20, набранные из пластин. Из аналогичных элементов состоят магнитопроводы и остальных статоров 11, 12, 13 и 14 электродвигателя.

В полостях статоров 9, 10, 11, 12, 13 и 14 расположено по одной кольцевой обмотке 21, 22, 23, 24, 25 и 26 фаз. Каждая из трех фаз электродвигателя состоит из двух кольцевых секций. Первую фазу составляют обмотки 21 и 22, вторую фазу - обмотки 23 и 24, третью фазу - обмотки 25 и 26, то есть по торцевым сторонам каждого из дисков 2 ротора расположены статоры одной и той же фазы. Первая фаза размещается на статорах 9 и 10, вторая фаза - на статорах 11 и 12, третья фаза - на статорах 13 и 14.

На фиг.2а показана торцевая поверхность статора 9, обращенная к ротору. Наружный цилиндрический магнитопровод 15 на торце, обращенном к ротору, имеет зубцы 27. Внутренний цилиндрический магнитопровод 17 на торце, обращенном к ротору, также имеет зубцы 28. Для наглядности пазы между зубцами 27 и 28 на торцах магнитопроводов 15 и 17 заштрихованы. Угловая ширина зубцов 27 и 28 примерно равна угловой ширине полюса 3 (фиг.2б) ротора. Цилиндрические магнитопроводы 15 и 17 расположены друг относительно друга так, что их зубцы смещены по углу на угловую ширину полюса 3 ротора.

На фиг.2б показана обращенная к статору 9 торцевая сторона диска ротора, по сторонам которого расположены статоры первой фазы. На торцевой стороне этого ротора, обращенной к статору 10, полярность полюсов 3 противоположная (фиг.2в). При таком расположении постоянных магнитов 3 силы взаимного притяжения прижимают постоянные магниты 3 к диску 2.

На фиг.2г показана обращенная к ротору торцевая поверхность статора 10. На торцах, обращенных к ротору, наружный цилиндрический магнитопровод 16 и внутренний цилиндрический магнитопровод 18 имеют соответственно зубцы 29 и 30, угловая ширина которых примерно равна угловой ширине полюса 3 ротора. Пазы между зубцами 29 и 30 на торцах магнитопроводов 16 и 18 для наглядности заштрихованы. По углу зубцы 29 и зубцы 30 смещены на угловую ширину полюса 3 ротора.

Статоры 9 и 10 установлены в крышке 5 и корпусе 7 так, что их диаметральные оси смещены относительно друг друга на угловую ширину полюса 3 ротора.

Конструкция статоров 11 и 12, в которых размещены обмотки 23 и 24 второй фазы, аналогична конструкции статоров 9 и 10, но статоры 11 и 12 смещены относительно статоров 9 и 10 на угол 2 электрических радиан, деленный на три. Такие же статоры 13 и 14, в которых размещены обмотки 25 и 26 третьей фазы, смещены относительно статоров 9 и 10 на угол 4 электрических радиан, деленный на три.

Электродвигатель работает следующим образом. Пусть сначала постоянный ток условного положительного направления протекает в обмотках 21 и 22 первой фазы, а обмотки 23 и 24 второй фазы и обмотки 25 и 26 третьей фазы обесточены. Обмотки 21 и 22 первой фазы могут быть соединены последовательно или параллельно. При условном положительном направлении тока обмотка 21 создает магнитный поток Ф1 (показан на фиг.1 пунктирной линией) статора 9, проходящий в осевом направлении через цилиндрический магнитопровод 15, в радиальном направлении через пакеты радиальных пластин 19 и снова в осевом направлении через цилиндрический магнитопровод 17. Затем поток Ф1 пересекает зазор между магнитопроводом 17 и ротором, проходит в осевом направлении через постоянные магниты 3, в тангенциально-радиальном направлении через диск ротора 2, снова в осевом направлении через постоянные магниты 3 и зазор между ротором и магнитопроводом 15. При этом зубцы 27 магнитопровода 15 будут иметь южную полярность, а зубцы 28 магнитопровода 17 будут иметь северную полярность.

Обмотка 22 создает магнитный поток Ф2 статора 10, проходящий по пути, аналогичному пути потока Ф1 статора 9: через цилиндрический магнитопровод 16, пакеты радиальных пластин 20, цилиндрический магнитопровод 18, воздушные зазоры, постоянные магниты 3 и диск 2. При этом зубцы 29 магнитопровода 16 будут иметь южную полярность, а зубцы 30 магнитопровода 18 будут иметь северную полярность.

При взаимодействии обмоток 21 и 22 с магнитным полем ротора на ротор будет действовать электромагнитный момент, поворачивающий ротор в положение, при котором магнитные потоки обмоток 21 и 22 и ротора будут направлены согласно. На торцевой стороне ротора, обращенной к статору 9, северные полюсы 3 ротора расположатся напротив зубцов 27 наружного цилиндрического магнитопровода 15, а южные полюсы 3 ротора расположатся напротив зубцов 28 внутреннего цилиндрического магнитопровода 17. На торцевой стороне ротора, обращенной к статору 10, северные полюсы 3 ротора расположатся напротив зубцов 29 наружного цилиндрического магнитопровода 16, а южные полюсы 3 ротора расположатся напротив зубцов 30 внутреннего цилиндрического магнитопровода 18.

При включении обмоток 23 и 24 второй фазы и выключенных обмотках 21 и 22 первой фазы и обмотках 25 и 26 третьей фазы возникнут магнитные потоки статора 11 и 12. Магнитный поток статора 11 будет аналогичен магнитному потоку статора 9, а магнитный поток статора 12 будет аналогичен магнитному потоку статора 10. Так как статоры 11 и 12 смещены относительно статоров 9 и 10 по углу на 2/3 эл. рад, а диски 2 ротора одинаковы и установлены на валу двигателя без углового смещения, то под действием электромагнитного момента ротор и вал двигателя повернутся на 2/3 эл. рад.

При включении обмоток 25 и 26 третьей фазы и выключенных обмотках 21 и 22 первой фазы и обмотках 23 и 24 второй фазы возникнут магнитные потоки статора 13 и 14. Статоры 13 и 14 смещены относительно статоров 9 и 10 по углу на 4/3 эл. рад., и ротор повернется еще на 2/3 эл. рад в том же направлении.

После этого вновь включаются обмотки 21 и 22 первой фазы, ротор вновь поворачивается на 2/3 эл. рад и т.д.

Для изменения направления вращения ротора нужно изменить порядок переключения фаз двигателя на обратный.

При дискретном характере изменения токов в обмотках, как описано выше, двигатель будет работать, как шаговый. Если на фазы двигателя подать трехфазное синусоидальное напряжение, то двигатель будет работать, как трехфазный синхронный электродвигатель с плавным вращением вала. Если переключать обмотки по сигналам датчика положения ротора, то двигатель будет работать, как бесконтактный двигатель постоянного тока (вентильный). Предлагаемую электрическую машину можно использовать также в качестве генератора для получения трехфазного напряжения.

Масса и габариты предлагаемого электродвигателя уменьшаются, если в каждом статоре 9, 10, 11, 12, 13 и 14 двигателя разместить несколько кольцевых секций фаз. На фиг.3 приведено осевое сечение многослойного торцевого моментного электродвигателя с двумя кольцевыми секциями фазы в каждом статоре 9-14. В статоре 9 находятся кольцевые секции 31 и 32 первой фазы, а в статоре 10 находятся кольцевые секции 33 и 34 первой фазы. Кольцевые секции 31 и 32 в статоре 9 размещаются между полыми цилиндрическими магнитопроводами 35, 36 и 37, число которых в статоре должно быть на единицу больше числа кольцевых секций. Кольцевые секции 33 и 34 в статоре 10 размещены между цилиндрическими магнитопроводами 38, 39 и 40. Цилиндрические магнитопроводы 35, 36 и 37 статора 9 по торцам сопряжены с радиально расположенными пакетами 19 радиального магнитопровода, набранными из пластин. Цилиндрические магнитопроводы 38, 39 и 40 статора 10 по торцам сопряжены с радиально расположенными пакетами 20.

На фиг.4а показана торцевая поверхность статора 9, обращенная к торцевой поверхности диска ротора, показанной на фиг.4б. На торцевых поверхностях цилиндрических магнитопроводов 35, 36 и 37 выполнены зубцы соответственно 41, 42 и 43. Для наглядности пазы между зубцами 41, 42 и 43 на торцах магнитопроводов 35, 36 и 37 заштрихованы. Зубцы 41 и 43 на нечетных цилиндрических магнитопроводах 35 и 37 по углу совпадают, а зубцы 42 четного цилиндрического магнитопровода 36 смещены относительно зубцов 41 и 43 на угловую ширину полюса 3 ротора. На фиг.4г показана торцевая поверхность статора 10, обращенная к торцевой поверхности ротора, показанной на фиг.4в. Зубцы 44 и 46 на четных цилиндрических магнитопроводах 38 и 40 по углу совпадают, а зубцы 45 нечетного цилиндрического магнитопровода 39 смещены относительно зубцов 44 и 46 на угловую ширину полюса 3 ротора.

Аналогичным образом устроены статоры 11 и 12 второй фазы и статоры 13 и 14 третьей фазы. Статоры различных фаз смещены до углу относительно друг друга на угол, равный 2/3 эл. рад.

В каждом статоре кольцевые секции должны быть соединены так, чтобы их намагничивающие силы были противоположны. (При трех и более секциях в статоре их намагничивающие силы должны чередоваться.) При положительном токе в первой фазе секции 31 и 32 создают в статоре 9 два направленных встречно магнитных потока Ф11 и Ф12 (фиг.3). При положительном направлении тока первой фазы зубцы 41 и 43 цилиндрических магнитопроводов 35 и 37 будут иметь южную полярность, а зубцы 42 цилиндрического магнитопровода 36 - северную полярность. В статоре 10 ток первой фазы создаст магнитные потоки Ф21 и Ф22 (фиг.3). Зубцы 44 и 46 цилиндрических магнитопроводов 38 и 40 будут иметь южную полярность, а зубцы 45 цилиндрического магнитопровода 39 - северную полярность. Под действием электромагнитного момента ротор повернется в такое положение, чтобы магнитные потоки ротора, потоки Ф11 и Ф12 статора 9 и потоки Ф21 и Ф22 статора 10 были направлены согласно. При этом на торцевой поверхности, обращенной к статору 9 (фиг.4б), северные полюсы 3 ротора совпадут по углу с зубцами 41 и 43, а южные полюсы 3 ротора совпадут с зубцами 42. На торцевой поверхности ротора, обращенной к статору 10 (фиг.4в), северные полюсы 3 ротора совпадут по углу с зубцами 44 и 46, а южные полюсы 3 ротора совпадут с зубцами 45.

При переключении фаз двигатель, показанный на фиг.3, будет работать так же, как и двигатель, изображенный на фиг.1.

В электродвигателе, приведенном на фиг.3, по сравнению с электродвигателем, изображенным на фиг.1, магнитный поток каждого статора разделен на две части. В результате поток, проходящий в радиальном направлении, уменьшается в два раза, и площадь поперечного сечения пакетов магнитопроводов 9 и 10 может быть, соответственно, уменьшена в два раза. За счет этого уменьшаются масса и габариты электродвигателя. В общем случае площадь сечения радиальных пакетов магнитопровода уменьшается в число раз, равное числу кольцевых секций в каждом статоре.