статор электрической машины постоянного тока с постоянными магнитами

Формула изобретения

1. Статор электрической машины постоянного тока с постоянными магнитами, содержащий замкнутое магнитопроводящее ярмо, полюсные постоянные магниты, установленные с чередующейся полярностью по оси статора, и полюсные наконечники, выполненные из магнитомягкого материала и размещенные на постоянных магнитах со стороны воздушного зазора, отличающийся тем, что симметрично между соседними полюсами (в межполюсном пространстве) установлены сектора из немагнитного материала, на секторах со стороны воздушного зазора размещены межполюсные плоские постоянные магниты, имеющие тангенциальную намагниченность, ориентированные одноименной полярностью к близлежащим полюсным наконечникам и разделенные немагнитным зазором с полюсными магнитами и полюсными наконечниками, по длине магниты выполнены в пределах полюсов статора по оси машины и ориентированы параллельно полюсным магнитам и наконечникам.

2. Статор по п.1, отличающийся тем, что межполюсные магниты закреплены на секторах с возможностью перемещения в радиальном направлении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к электрическим машинам постоянного тока с постоянными магнитами, и может быть использовано в электрических двигателях и генераторах постоянного тока.

Известен статор электрической машины постоянного тока с постоянными магнитами [1], содержащий замкнутое магнитопроводящее ярмо, плоские постоянные магниты, прилегающие одноименной полярностью к полюсным сердечникам, выполненным с полюсными наконечниками, число которых равно числу полюсов статора, в котором в ярме выполнен кольцевой паз, симметричный относительно плоскости, перпендикулярной оси статора, в который установлены полюсные сердечники с полюсными наконечниками, поперечное сечение сердечников выполнено той же формы, что и поперечное сечение паза, но меньшим, а постоянные магниты, выполненные в форме поперечного паза, размещены между соседними полюсными сердечниками, остальные магниты, выполненные в форме дуги и сегментов, размещены на поверхностях полюсных сердечников, охватывающих ярмо.

Недостатками такой конструкции являются сложность конструкции из-за наличия большого количества элементов магнитной системы, сложность конфигурации (конструкции в форме дуги и сегментов) постоянных магнитов, что увеличивает трудоемкость их изготовления. Кроме этого, в известной конструкции магниты, размещенные между соседними полюсными сердечниками, устраняют потоки рассеяния с полюсного сердечника, но не устраняют потоки рассеяния с полюсного наконечника, влияние которых существенно снижают рабочий магнитный поток и мощность машины.

Известен также статор электрической машины постоянного тока с постоянными магнитами [2], содержащий цилиндрический корпус из магпитомягкой стали, который используется в качестве магнитопровода, полюса, состоящие из плоских призматических постоянных магнитов и полюсных наконечников, выполненных из магнитомягкого материала и размещенных на постоянных магнитах со стороны воздушного зазора. Данная конструкция статора, характеризующаяся малым количеством элементов магнитной системы, простой формой постоянных магнитов, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту, взята нами за прототип.

Недостатком известной конструкции является малая величина рабочего магнитного потока из-за наличия значительных потоков рассеяния с поверхностей полюсных наконечников.

Кроме этого, к электрическим машинам постоянного тока с целью обеспечения их взаимозаменяемости часто предъявляют требования по обеспечению узкого диапазона изменения параметров машины в номинальном режиме. Например, задается требование по обеспечению скорости вращения выходного вала машины при фиксированном напряжении питания с погрешностью в диапазоне 5-10%.

Из теории электрических машин постоянного тока известно, что скорость вращения выходного вала может быть определена по формуле [1, стр.11-12]:

=U·2· /z·Ф;

где - скорость вращения выходного вала;

U - напряжение питания;

Ф - магнитный поток в воздушном зазоре;

z - суммарное число проводников якорной обмотки.

Из формулы следует, что при постоянных значениях U и z скорость вращения зависит от изменения величины магнитного потока Ф. При использовании редкоземельных магнитов обеспечить высокую стабильность их магнитных характеристик технически очень сложно, а практически они изменяются от образца к образцу до 20%.

Таким образом, в известной конструкции электрической машины при использовании редкоземельных магнитов для обеспечения малого диапазона изменения выходной скорости при фиксированном напряжении питания приходится проводить селекцию постоянных магнитов по магнитным характеристикам или изменять (подбирать) величину воздушного зазора расточкой статора по полюсным наконечникам, что очень трудоемко.

Целью заявляемого изобретения является увеличение мощности путем увеличения рабочего магнитного потока и повышение стабильности выходных характеристик путем возможности их регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном статоре электрической машины постоянного тока с постоянными магнитами, содержащем замкнутое магнитопроводящее ярмо, полюсные постоянные магниты, установленные с чередующейся полярностью по оси статора, и полюсные наконечники, выполненные из магнитомягкого материала и размещенные на постоянных магнитах со стороны воздушного зазора, согласно изобретению симметрично между соседними полюсами (в межполюсном пространстве) установлены сектора из немагнитного материала, на секторах со стороны воздушного зазора размещены межполюсные плоские постоянные магниты, имеющие тангенциальную намагниченность, ориентированные одноименной полярностью к близлежащим полюсным наконечникам и разделенные немагнитным зазором с полюсными магнитами и полюсными наконечниками, по длине магниты выполнены в пределах полюсов статора по оси машины и ориентированы параллельно полюсным магнитам и наконечникам.

При этом межполюсные магниты закреплены на секторах с возможностью перемещения в радиальном направлении.

От прототипа заявляемый статор отличается тем, что:

- в межполюсном пространстве установлены сектора из немагнитного материала;

- на секторах со стороны воздушного зазора размещены плоские постоянные магниты;

- магниты имеют тангенциальную намагниченность, ориентированы одноименной полярностью к близлежащим полюсным наконечникам и разделены немагнитным зазором с полюсными магнитами и полюсными наконечниками,

- длина магнитов выполнена в пределах полюсов статора по оси машины и ориентирована параллельно полюсным наконечникам;

- магниты установлены с возможностью перемещения в радиальном направлении от воздушного зазора.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о наличии новизны и существенных признаков заявляемой конструкции.

Сложность известных конструкций статоров электрических машин постоянного тока с постоянными магнитами объясняется тем, что для увеличения рабочего магнитного потока используются магнитные системы, состоящие из большого количества элементов с использованием постоянных магнитов сложной конструкции и высокая трудоемкость обеспечения малых диапазонов изменения выходных параметров машины.

В заявляемом устройстве технический результат достигается при максимальном использовании магнитных свойств материалов.

Применение межполюсных постоянных магнитов, ориентированных одноименной полярностью к близлежащим полюсным наконечникам, за счет устранения потоков рассеяния с поверхности полюсного наконечника и полюсного магнита обеспечивает максимальную концентрацию магнитного потока в рабочем зазоре и увеличение мощности электрической машины. Перемещение межполюсных магнитов в радиальном направлении от воздушного зазора с величиной хода, равной или более высоты полюсного наконечника, за счет изменения величины потока рассеяния с поверхности полюсного наконечника обеспечивает возможность регулировки электрической машины по выходным параметрам.

На фиг.1 изображен статор электрической машины постоянного тока с постоянными магнитами; на фиг.2 - диаграмма магнитного поля при максимальном приближении межполюсных магнитов к воздушному зазору; на фиг.3 - диаграмма магнитного поля при максимальном удалении межполюсных магнитов от воздушного зазора.

Статор электрической машины постоянного тока с постоянными магнитами содержит цилиндрический корпус, выполненный из магнитомягкого материала, являющийся замкнутым магнитопроводящим ярмом 1. На внутренней поверхности корпуса устанавливаются с чередующейся полярностью по оси статора (машины) полюсные постоянные магниты 2, их количество равно количеству полюсов в электрической машине. На полюсных постоянных магнитах со стороны воздушного зазора устанавливаются полюсные наконечники 3, выполненные из магнитомягкого материала. На внутренней поверхности корпуса симметрично между полюсами устанавливаются сектора 4, выполненные из немагнитного материала. Плоские постоянные магниты 5, имеющие тангенциальную намагниченность, установлены на секторах 4 со стороны воздушного зазора, ориентированы одноименной полярностью к близлежащим полюсным наконечникам 3 и конструктивно имеют немагнитный зазор. Изменение положения межполюсных магнитов может быть реализовано, например, применением регулировочных пластин 6, устанавливаемых между секторами и внутренней поверхностью корпуса при креплении секторов или регулировочных пластин 7, устанавливаемых в пазы секторов (при изготовлении).

Перемещение межполюсных магнитов 5 относительно воздушного зазора изменяет величину потока рассеяния с поверхности полюсного наконечника и этим изменяет результирующий рабочий магнитный поток в воздушном зазоре.

Устройство работает следующим образом. Полюсные постоянные магниты через полюсные наконечники, магнитопровод якоря и магнитопроводящий корпус создают основной магнитный поток, который делится на две части, рабочий магнитный поток в зазоре, величина которого определяет выходные параметры машины, и магнитный поток рассеяния между полюсами, который снижает параметры машины.

На фиг.3 представлена диаграмма магнитного поля на примере четырехполюсной электрической машины с беспазовым якорем для случая минимального эффекта межполюсных магнитов. На фиг.3 видна достаточно высокая плотность силовых линий магнитного поля между полюсами, которая характеризует величину потока межполюсного рассеяния. На фиг.2 представлена диаграмма магнитного поля для случая максимального эффекта межполюсных магнитов. При максимальном приближении дополнительных межполюсных магнитов к рабочему воздушному зазору благодаря тангенциальной намагниченности и встречной ориентации их полюсов по отношению к главным происходит искривление силовых линий магнитного поля межполюсного рассеяния и его концентрация в области рабочего зазора.

Расчет электромагнитного момента, который при заданном токе якоря характеризует выходные параметры машины, выполнен средствами пакета конечноэлементного моделирования Ansys 9.0 в планарной постановке задачи. Результаты расчета показывают, что при максимальном использовании эффекта межполюсных магнитов величина момента увеличивается на 15...20%. Предел плавного регулирования выходных параметров машины посредством перемещения дополнительных магнитов составляет 12...15%.

Дополнительный эффект от применения межполюсных магнитов достигается в машинах с так называемым "беспазовым" якорем [1, стр.29-32], в которых воздушный зазор увеличен по отношению к машинам с пазовыми якорями. Увеличенный воздушный зазор приводит к снижению индуктивности якоря и улучшению коммутации, повышению допустимых перегрузок и снижению потерь в стали на перемагничивание. Дальнейшее увеличение зазора без дополнительных межполюсных магнитов выше определенных, достаточно малых величин, приводит к неприемлемому росту потоков рассеяния.

Список использованной литературы

1. Патент РФ №2096889, Кл. Н02К 23/04, 1997.

2. "Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами" / Т.Кенио, С.Нагамори. М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.11-12, 23-26, 29-32.