торцевая электрическая машина

Формула изобретения

Торцевая электрическая машина, включающая статор, закрепленный на одном из двух подшипниковых щитов машины и выполненный с распределенной обмоткой в виде обмоточных модулей и ярмом, навитым из стальной ленты, и ротор в виде диска с магнитами, смонтированный на остове и установленный в подшипниках качения, отличающаяся тем, что диск ротора содержит кольцо, на котором по периметру закреплены радиально ориентированные полюсы, имеющие в радиальном направлении форму трапеции, обращенной меньшим основанием к кольцу, и - двояковогнутого шестиугольника в поперечном сечении, между полюсами размещены постоянные магниты, имеющие форму, сопряженную с полюсами таким образом, что соседние магниты обращены друг к другу одноименными полюсами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к конструкции торцевых электрических машин, работающих в режиме генератора или двигателя.

Известна торцевая бесконтактная электрическая машина (патент России 2076434, М Кл. Н02K 21/24, 27.03.97), содержащая между двумя торцевыми статорами ротор, полюсная система которого выполнена из двух Р-полюсных систем противоположной полярности, одна из которых состоит из магнитомягких полюсов, а другая выполнена из магнитомягких сердечников, в виде призматических брусков, между которыми расположены постоянные магниты. К боковым граням брусков также прикреплены магниты.

Основной недостаток этой конструкции - сложность и низкая технологичность, обусловленная особенностями крепления постоянных магнитов на роторе. Кроме того, машина имеет увеличенные габариты из-за размещения обмотки возбуждения на внешнем магнитопроводе.

Известен также синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов (пат. №2273942, Н02K 21/22, Н02K 21/12), содержащий статор с кольцевым магнитопроводом, многофазной якорной обмоткой и несущим узлом с опорными подшипниками и кольцевой ротор с чередующимися в окружном направлении магнитами и полюсами.

Существенным недостатком этой конструкции является сложность обеспечения равенства рабочих воздушных зазоров за счет накопления погрешностей базирования в большой размерной цепи. Кроме того, поскольку решение реализовано в цилиндрической электрической машине с внешним ротором, увеличена масса магнитов и материалоемкость всей машины.

Наиболее близкой к заявляемой машине является торцевая электрическая машина (пат. РФ №2246167, МПК⁷ Н02K 21/24) со статором, закрепленным в корпусе, обращенным рабочей поверхностью к дискообразному ротору, установленному в подшипниках качения. На диске ротора со стороны статора выполнены два центрирующих пояска, между которыми смонтированы постоянные магниты, закрытые полюсными наконечниками.

Основной недостаток такой конструкции диска ротора - потребность в высокой точности углового позиционирования большого количества отверстий и магнитов полюсов, что увеличивает трудоемкость и стоимость изготовления.

В основу изобретения положена задача создания технологичной в производстве электрической машины переменного тока, с повышенными энергетическими показателями.

Поставленная задача решается тем, что в торцевой электрической машине, включающей статор, закрепленный на одном из двух подшипниковых щитов машины и выполненный с распределенной обмоткой в виде обмоточных модулей и ярма, навитого из стальной ленты, и ротор в виде диска с магнитами, смонтированный на остове и установленный в подшипниках качения, согласно изобретению, диск ротора содержит кольцо, на котором по периметру закреплены радиально ориентированные полюсы, имеющие в радиальном направлении форму трапеции, обращенной меньшим основанием к кольцу, и в поперечном сечении - двояковогнутого шестиугольника, между полюсами размещены постоянные магниты, имеющие форму, сопряженную с полюсами таким образом, что соседние магниты обращены друг к другу одноименными полюсами.

Крепление на кольце магнитомягких полюсов, чередующихся с постоянными магнитами, упрощает сборку ротора и автоматически обеспечивает высокую точность углового позиционирования полюсов и магнитов. Форма полюсов и магнитов предполагает получение их высокопроизводительным методом прессования. Кроме того, вдвое уменьшается количество отверстий в кольце. Все эти мероприятия существенно снижают трудоемкость и стоимость изготовления и сборки ротора.

Повышение энергетических показателей машины обусловлено несколькими причинами. Основная из них - концентрация магнитного поля, достигаемая суммированием в полюсе ротора магнитных потоков от соседних магнитов, обращенных друг к другу одноименными магнитными полюсами. В этом случае возможен отказ от дорогих редкоземельных магнитов. Дополнительный фактор повышения энергетических показателей машины - больший объем ферромагнитных материалов при тех же габаритах диска.

На фиг.1 изображена торцевая электрическая машина, на фиг.2 - фрагмент ротора.

Торцевая электрическая машина содержит статор 1, смонтированный на подшипниковом щите 2 машины, закрепленном в корпусе 3, и ротор. Ротор включает составной диск 4 и ступицу 5. Диск 4 закреплен на ступице 5, соединенной с валом 6, который установлен в подшипниках 7 и 8 подшипниковых щитов 2 и 9. Основой диска 4 ротора является кольцо 10 (фиг.2), на котором по периметру закреплены радиально ориентированные магнитомягкие полюсы 11, имеющие в радиальном направлении форму трапеции, обращенной меньшим основанием к кольцу, и двояковогнутого шестиугольника в поперечном сечении. Между полюсами 11 размещены постоянные магниты 12, имеющие в поперечном сечении форму выпуклого неправильного шестиугольника, которая сопряжена с поверхностями двух соседних полюсов в радиальном и осевом направлениях для фиксации магнитов на диске ротора так, что соседние магниты обращены друг к другу одноименными полюсами.

Торцевая электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

При работе в режиме генератора вращающийся приводным двигателем ротор с постоянными магнитами 12 в зазоре машины создает вращающееся магнитное поле, силовые линии которого, пересекая витки обмотки статора, наводят в каждой фазе статора переменную ЭДС. Постоянные магниты 12 выбраны таким образом, что при номинальной нагрузке заявляемой электрической машины и заданном ее характере выходное напряжение равно номинальному. Использование на роторе постоянных магнитов 12 упрощает конструкцию, уменьшает расход активных материалов, снижает эксплуатационные расходы. Частота выходного напряжения определяется частотой вращения ротора и количеством пар полюсов, которое практически не ограничено. Это позволяет применить прямой привод между двигателем и торцевой электрической машиной (генератором) при практически любых частотах вращения приводного двигателя.

При работе торцевой электрической машины в режиме двигателя ток, протекающий по обмотке статора 1, взаимодействует с магнитным потоком ротора и создает вращающий момент. Частота вращения ротора определяется количеством пар полюсов 11 и частотой питающего напряжения и может варьироваться в зависимости от типоразмера торцевой электрической машины от 80 до 1500 об/мин.

Изменение формы полюсов 11 и магнитов 12, предполагающее их получение высокопроизводительным методом прессования, уменьшение количества отверстий в кольце 10 и точности их разметки существенно повышают технологичность машины.

Энергетические показатели улучшены за счет концентрации магнитного поля и большего объема ферромагнитных материалов при тех же габаритах диска 4. Все это говорит о решении поставленной задачи.