электрическая машина

Формула изобретения

Электрическая машина, содержащая ротор с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и многофазный статор, у которого каждая из фаз состоит из кольцевых секций, а магнитопровод статора имеет зубцы, число которых в два раза меньше числа полюсов ротора, при этом угловое положение зубцов магнитопроводов различных фаз отличается на 2 /m эл. рад., где m - число фаз, отличающаяся тем, что полярность магнитов на роторе чередуется также и в осевом направлении, а магнитопровод каждой фазы статора выполнен из пакетов пластин, расположенных в осевом направлении и имеющих пазы, в которых размещены кольцевые секции фазы.

Описание изобретения к патенту

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

Аналогом является, например, многофазная, индукторная электрическая машина (пат. РФ №2037940, БИ №17, 1995), содержащая ротор из магнитопроводящего материала с зубцами на поверхности, проходящими в осевом направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих полос. Обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами.

Наиболее близка к предлагаемой машине электрическая машина (пат. РФ №2241298, БИ №33, 2004), содержащая ротор с постоянными магнитами и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих полос. Полярность постоянных магнитов на роторе чередуется в тангенциальном направлении. Каждая фаза статора выполнена из кольцевых секций, распределенных в аксиальном направлении и размещенных между соседними магнитопроводящими кольцами, число которых на единицу больше числа секций фазы. На магнитопроводящих кольцах статора выполнены зубцы, число которых в два раза меньше числа полюсов ротора, при этом угловое положение зубцов на магнитопроводах различных фаз отличается на 2 /m эл. рад, где m - число фаз.

Однако известная электрическая машина не позволяет повысить к.п.д. из-за повышенных потерь в магнитопроводе и дополнительных технологических зазоров между частями магнитопровода - магнитопроводящими кольцами и пакетами из пластин. Магнитопровод каждой фазы статора у прототипа состоит из магнитопроводящих колец, через которые магнитный поток проходит в радиальном направлении, и пакетов из пластин, через которые магнитный поток проходит в осевом направлении, при этом пластины магнитопроводящих колец и пакетов взаимно перпендикулярны. Если между пластинами есть контакт, то переменный магнитный поток будет создавать в контурах, образованных взаимно перпендикулярными пластинами магнитопроводящих колец и пакетов, индукционные токи, вследствие чего потери в магнитопроводе возрастут, а к.п.д. снизится. Если не допускать контакта пластин магнитопроводящих колец и пакетов, то необходимо увеличить между ними немагнитный зазор, что приведет к уменьшению магнитных потоков, созданных постоянными магнитами ротора и обмотками фаз, а значит, и в этом случае к.п.д. двигателя снижается.

Предлагаемое изобретение позволит создать электрическую машину с более высоким к.п.д.

Это достигается тем, что в электрической машине, содержащей ротор с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и многофазный статор, у которого каждая из фаз состоит из кольцевых секций, а магнитопровод статора имеет зубцы, число которых в два раза меньше числа полюсов ротора, при этом угловое положение зубцов магнитопроводов различных фаз отличается на 2 /m эл. рад, где m - число фаз, согласно изобретению постоянные магниты расположены на поверхности ротора так, чтобы их полярность чередовалась не только в тангенциальном, но и в осевом направлении. Магнитопровод каждой фазы статора выполнен из пакетов пластин, расположенных в осевом направлении и имеющих пазы, в которых размещены кольцевые секции фазы.

Чередование полярности постоянных магнитов на поверхности ротора в осевом направлении позволяет построить магнитопровод каждой фазы статора из пластин без технологических зазоров. И в радиальном, и в осевом направлении магнитный поток проходит по пакетам пластин - в направлении шихтовки. Индукционные токи в контурах, образованных взаимно перпендикулярными пластинами магнитопровода, в данной конструкции исключены. Дополнительных технологических зазоров в магнитопроводе также нет. Вследствие чего к.п.д. двигателя увеличивается.

На фиг.1 показано осевое сечение предлагаемой электрической машины. На фиг.2-4 - несколько диаметральных сечений машины.

В изображенной на фиг.1 электрической машине в корпусе 1 размещен стальной ротор 2, закрепленный на валу 3 и установленный в подшипниках 4. Магнитное поле ротора 2 создают постоянные магниты 5, закрепленные на поверхности ротора 2 и намагниченные в радиальном направлении. Полярность постоянных магнитов 5 на поверхности ротора 2, показанная на фиг.1-4 чередуется и по осевой, и тангенциальной координате. В приведенной на фиг.1 конструкции электрической машины статор имеет три фазы. Каждая фаза состоит из двух кольцевых секций: первая фаза - из кольцевых секций 6 и 7, вторая фаза - из кольцевых секций 8 и 9, третья фаза - из кольцевых секций 10 и 11. Намагничивающие силы кольцевых секций 6 и 7, 8 и 9, 10 и 11 одной и той же фазы различны. В общем случае предлагаемая электрическая машина может иметь две и больше фаз, каждая из которых состоит из одной или большего числа кольцевых секций, при этом намагничивающие силы кольцевых секций одной и той же фазы должны чередоваться по осевой координате. Магнитопровод первой фазы статора состоит из пакетов 12 из пластин, расположенных в осевом направлении. Магнитопровод второй фазы статора составляют аналогичные пакеты 13 из пластин, а магнитопровод третьей фазы - пакеты 14 из пластин. Число пакетов 12, 13 и 14 из пластин в магнитопроводе каждой фазы в два раза меньше числа полюсов ротора 2. Пакеты 12 из пластин имеют пазы 15 и 16, в которых размещены кольцевые секции 6 и 7 первой фазы. Аналогичные пазы для размещения секций 8 и 9 второй фазы имеют пакеты 13 и для размещения секций 10 и 11 третьей фазы имеют пакеты 13. Число пазов у пакетов 12, 13 и 14 равно числу кольцевых секций 6-11 одной из фаз. Пакеты 12, 13 и 14 из пластин установлены в статоре таким образом, что пакеты 13 второй фазы смещены по углу относительно пакетов 12 первой фазы на 2 /3 электрических радиан, а пакеты 14 третьей фазы смещены по углу относительно пакетов 12 первой фазы на 4 /3 электрических радиан (фиг.2-4). Если число фаз статора равно m, то смещение по углу пакетов пластин разных фаз друг относительно друга составит 2 /m электрических радиан. Пакеты пластин 12, 13 и 14 закреплены в корпусе 1 с помощью диэлектрика 17.

Предлагаемая электрическая машина работает следующим образом. Пусть сначала подается ток условного положительного направления в секции 6 и 7 первой фазы, а секции 8 и 9 второй фазы и секции 10 и 11 третьей фазы обесточены. Так как намагничивающая сила секций 6 и 7 различна, то секции 6 и 7 первой фазы создадут два магнитных потока Ф₁₁ и Ф₁₂ (показаны на фиг.1 пунктирными линиями) различного направления, проходящих по пакетам 12 из пластин, через зазор между пакетами 12 и постоянными магнитами 5, магниты 5 и ротор 2. При взаимодействии магнитных полей секций 6 и 7 первой фазы и магнитов 5 ротора 2 возникнет момент, поворачивающий ротор 2 в положение, при котором магнитные поля секций 6 и 7 и постоянных магнитов 5 ротора 2 направлены согласно, как показано на фиг.1.

После этого секции 6 и 7 первой фазы выключаются, в секции 8 и 9 второй фазы подается ток положительного направления, а секции 10 и 11 третьей фазы остаются обесточенными. Секции 8 и 9 второй фазы создают магнитные потоки, аналогичные потокам Ф₁₁ и Ф₁₂, проходящие по пакетам 13 из пластин. Так как пакеты 13 смещены относительно пакетов 12 на угол 2 /3, то под действием электромагнитного момента ротор 2 повернется на угол 2 /3.

Затем положительный ток подают в секции 10 и 11 третьей фазы, а секции 6 и 7 первой фазы и секции 8 и 9 второй фазы обесточены. Момент повернет ротор 2 снова на угол 2 /3. После чего вновь включаются секции 6 и 7 первой фазы, ротор 2 снова поворачивается на угол 2 /3 и т.д. При каждом переключении фаз ротор 2 поворачивается на один шаг.

Для изменения направления вращения нужно изменить порядок коммутации фаз двигателя на обратный. В соответствии с приведенным выше описанием двигатель работает в шаговом режиме с поочередной коммутацией фаз. Для управления двигателем можно использовать и другие системы коммутации, например с подачей на фазы разнополярных импульсов напряжения.

При подаче в обмотки синусоидальных токов, смещенных по фазе на 2 /m, двигатель будет работать как синхронный - с равномерным вращением ротора и вала.

Если коммутировать фазы двигателя по сигналам датчика положения ротора, то двигатель будет работать как бесконтактный двигатель постоянного тока.

Предлагаемую электрическую машину можно использовать также и в режиме генератора.

В предлагаемой электрической машине установка на роторе постоянных магнитов с чередованием полярности по осевой координате позволила выполнить магнитопровод каждой фазы без дополнительных воздушных зазоров и исключить применение магнитопроводов, в которых магнитный поток проходит по частям магнитопровода со взаимно перпендикулярным расположением пластин. Вследствие исключения возможности возникновения индукционных токов в магнитопроводе и дополнительных воздушных зазоров к.п.д. двигателя повышается.