многофазные структуры зубчатых полюсов для электрической машины

Формула изобретения

1. Сборка магнитной цепи, предназначенная для использования в качестве подвижного или неподвижного якоря электрической машины и предназначенная для магнитной связи с индуктором, содержащая попеременно намагничиваемые северный-южный полюса в направлении вращения, причем индуктор отделен от указанной сборки воздушным зазором, отличающаяся тем, что содержит:

множество зубьев, расположенных в множестве рядов, при этом основание каждого зуба в одном ряду соединено с общим ярмом,

многофазную обмотку, содержащую множество непереплетенных катушек,

причем каждая катушка намотана на основание по меньшей мере одного соответствующего зуба, при этом множество катушек установлены не переплетаясь и не намотаны вокруг оснований зубьев соседних рядов,

при этом множество непереплетенных катушек расположены через равномерный интервал в направлении вращения.

2. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что имеет следующие характеристики:

Mph>1

Nb=k1.Mph, k1 - целое число, большее 0;

G1=k2.Nb, k2 - целое число, большее 0;

G2=G1+k3.Nb, k3 - целое число, равное 1 или равное 0;

G2>0

G1<2P<3.G1

где Nb - общее количество катушек, которые распределены с равномерным промежутком вдоль по меньшей мере одного ряда зубьев;

G1 - общее количество зубьев в части, которая содержит обмотки,

G2 - общее количество зубьев в соседней части, которая не содержит обмотки,

Mph - общее количество фаз обмотки,

Р - количество пар магнитных полюсов, формируемых индуктором,

причем компоновка катушек на якоре выполнена с последовательным порядком следования фаз в направлении движения, и эта последовательность повторяется несколько раз, когда каждая фаза содержит несколько катушек.

3. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что сборка изготовлена из множества сегментов, каждый из которых содержит ряд зубьев.

4. Сборка магнитной цепи по п.3, отличающаяся тем, что магнитная сборка содержит три сегмента, скрепленных вместе, каждый сегмент содержит соответствующий один ряд зубьев, при этом катушки, установленные на центральном сегменте и на двух расположенных друг напротив друга сегментах, являются идентичными.

5. Сборка магнитной цепи по п.4, отличающаяся тем, что центральный сегмент изготовлен из нескольких отдельных и существенно идентичных по форме конструктивных частей для облегчения установки катушек, при этом конструктивные части центрального сегмента удерживаются в требуемом положении путем закрепления двух расположенных противоположно сегментов.

6. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что изготовлена по меньшей мере частично из композитного магнитного материала из металлического порошка способом прессования, формования или механической обработки.

7. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что изготовлена по меньшей мере частично из магнитного материала в виде пластин, соединенных перфорацией или механической обработкой.

8. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что верхняя поверхность каждого зуба, обращенная к воздушному зазору, имеет прямоугольную, треугольную или трапецеидальную форму.

9. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что каждый из по меньшей мере части зубьев имеет выполненную на нем прорезь, открывающую общее ярмо магнита к воздушному зазору.

10. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть зубьев имеет контактную поверхность с заданным радиусом кривизны, так что воздушный зазор, прилегающий к контактной поверхности, отличается по толщине от воздушного зазора, который не прилегает к контактной поверхности.

11. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть зубьев имеет поверхность, контактирующую с воздушным зазором, которая увеличена в различных направлениях по отношению к соответствующему основанию.

12. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что основания зубьев содержат прямоугольные, овальные или круглые секции с закругленными сторонами или углами.

13. Сборка магнитной цепи по п.6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит встроенную систему охлаждения, изготовленную из композитных магнитных материалов.

14. Сборка магнитной цепи по п.6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит механическую систему крепления для подшипников или датчиков положения, встроенных в расположенные противоположно сегменты сборки магнитной цепи, и изготовленную из композитного магнитного материала.

15. Сборка магнитной цепи по п.13, отличающаяся тем, что встроенная система охлаждения содержит композитный магнитный материал, в котором сформированы каналы для циркуляции охлаждающей текучей среды.

16. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что содержит систему охлаждения, выполненную в виде трубок или каналов, изготовленных из немагнитного материала, предназначенных для циркуляции охлаждающей текучей среды, причем указанные трубки расположены рядом по меньшей мере с одной из катушек и ориентированы параллельно ряду зубьев.

17. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что каждый ряд зубьев содержит отдельный сегмент, причем два расположенных противоположно сегмента соединены с фланцами или планками, выполненными из немагнитного материала и дополнительно сконфигурированными для установки корпусов подшипников с образованием электрической машины с уменьшенной длиной по оси.

18. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что зубья проходят от внутренней лицевой поверхности общего ярма, обращенной к воздушному зазору.

19. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что зубья проходят от внешней лицевой поверхности общего ярма, обращенной к воздушному зазору.

20. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть общего ярма имеет кольцевую форму.

21. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что зубья по меньшей мере одного из рядов распределены неравномерно.

22. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что внешняя поверхность сборки магнитной цепи содержит ребра охлаждения.

23. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что число зубьев в каждом ряду равно кратному от количества фаз электрической машины.

24. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что заданное количество зубьев имеет большую контактную поверхность с воздушным зазором, чем другое заданное количество зубьев.

25. Сборка магнитной цепи по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть зубьев имеет контактную поверхность с воздушным зазором, которая ориентирована так, что воздушный зазор имеет изменяющуюся толщину вдоль контактной поверхности.

26. Электрическая машина, содержащая множество сборок магнитной цепи, собранных в блок вдоль оси вращения, отличающаяся тем, что сборки выполнены из нескольких сегментов, каждый из которых состоит из ряда зубьев с попеременно намагниченными полюсами в направлении вращения, которые отделены от индуктора воздушным зазором, а зубья в сборках расположены в несколько рядов, причем основания зубьев связаны с общим ярмом, и на основание каждого зуба намотана катушка из множества катушек многофазной обмотки.

27. Электрическая машина по п.27, отличающаяся тем, что множество сборок магнитной цепи соединено непосредственно вместе.

28. Электрическая машина по п.27, отличающаяся тем, что между двумя сборками магнитной цепи установлено распорное кольцо, изготовленное из магнитного материала.

29. Сборка магнитной цепи, предназначенная для использования в качестве подвижного или неподвижного якоря электрической машины и предназначенная для магнитной связи с индуктором, отделенным от указанной сборки воздушным зазором, содержащая общее ярмо,

множество рядов зубьев, проходящих от общего ярма,

множество электрических катушек, каждая из которых намотана вокруг основания по меньшей мере одного зуба в ряду, при этом множество катушек не намотаны вокруг оснований зубьев соседних рядов,

при этом множество катушек расположены через равномерный интервал в направлении вращения сборки магнитной цепи.

30. Сборка магнитной цепи по п.29, отличающаяся тем, что число зубьев в каждом ряду равно кратному от количества фаз электрической машины.

31. Сборка магнитной цепи по п.29, отличающаяся тем, что общее ярмо содержит множество сегментов, каждый из которых продолжается одним рядом зубьев.

32. Сборка магнитной цепи по п.29, отличающаяся тем, что по меньшей мере два зуба имеют одно основание.

33. Сборка магнитной цепи по п.29, отличающаяся тем, что общее ярмо имеет в основании круглую форму.

34. Сборка магнитной цепи по п.33, отличающаяся тем, что зубья проходят от периферической окружной поверхности общего ярма.

35. Сборка магнитной цепи по п.34, отличающаяся тем, что периферическая окружная поверхность обращена внутрь сборки магнитной цепи в сторону воздушного зазора.

36. Сборка магнитной цепи по п.34, отличающаяся тем, что периферическая окружная поверхность обращена наружу сборки магнитной цепи в сторону воздушного зазора.

37. Сборка магнитной цепи по п.29, отличающаяся тем, что зубья по меньшей мере одного из рядов распределены неравномерно.

38. Сборка магнитной цепи по п.29, отличающаяся тем, что внешняя поверхность сборки магнитной цепи содержит ребра охлаждения.

39. Сборка магнитной цепи по п.29, отличающаяся тем, что каждый из по меньшей мере части зубьев имеет выполненную на нем прорезь, открывающую общее ярмо магнита к воздушному зазору.

40. Электрическая машина, содержащая множество сборок магнитной цепи, каждая из которых представляет собой сборку по п.31, отличающаяся тем, что сборки магнитной цепи собраны в блок вдоль оси вращения.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к электрическим машинам. В частности, настоящее изобретение относится к конструкции структур зубчатых полюсов для многофазной электрической машины.

Предшествующий уровень техники

В электрических машинах используется изменяющееся магнитное поле для получения электрического тока или механической силы. В случае электрических машин, предназначенных для получения электрического тока, магнитное поле проходит через катушку провода, в которой индуцируется требуемый электрический ток. В случае электрической машины, используемой для получения механической силы, через катушку провода пропускают электрический ток, в результате чего катушка притягивается (или отталкивается) расположенным рядом с ней магнитным полем, в результате чего образуется требуемая сила.

Описанные выше принципы обычно используют во вращающихся электрических устройствах. Например, в электрическом генераторе постоянного или переменного тока вращающийся элемент или ротор движется в магнитном поле, образуемом с помощью статора с интервалами, статор содержит множество полюсов, расположенных вокруг направления вращения, для формирования магнитного поля, которое может быть сформировано электромагнитным способом. Электрический двигатель может иметь аналогичную структуру, единственное различие состоит в принципе работы, поскольку в этом случае электрический ток подают в катушки ротора, а не генерируют (в случае генератора постоянного или переменного тока) с помощью катушек ротора.

Геометрическая конструкция и компоновка полюсов статора влияет на эффективность работы, а также на размеры, форму и вес электрической машины. Структуру зубчатого типа часто используют для полюсов ротора электрической машины, имеющего единую централизованную обмотку или катушку. В случае ротора генератора переменного тока в катушку подают постоянный ток. В других вариантах применения, таких как асинхронные двигатели, шаговые двигатели и бесщеточные двигатели с постоянным магнитом, в катушку статора подают переменный или импульсный ток.

Использование материалов, составленных из пластин, ограничивает конструкцию ротора многофазных электрических машин. Как правило, магнитную цепь формируют путем сложения идентичных пластин друг на друга, которые электрически изолированы друг от друга, что требуется для исключения циркуляции вихревых токов. Ротор такой конструкции имеет постоянную структуру вдоль оси вращения. Кроме того, поскольку магнитный поток циркулирует в плоскости пластин структуры, их можно называть двухмерными структурами.

При сборке электрических машин, в которых используется набор пластинчатых элементов, обычно требуется использовать дополнительные механические детали. Например, с каждой противоположной стороны набора пластинчатых элементов необходимо добавлять фланцы для установки корпусов подшипников, которые выполняют функцию фиксации ротора по отношению к статору. Из-за пластинчатой конструкции сложно выполнить сборку этих фланцев на пакете из-за присутствия концевых витков обмотки, которые выступают за пределы прорезей. Такие фланцы, если они изготовлены из магнитного материала, должны быть расположены на некотором расстоянии от крайних витков обмотки для минимизации утечки потока или вихревых токов, если они изготовлены из электропроводного материала. При использовании такой конструкции общая длина машины вдоль ее оси обычно увеличивается.

Рассеяние тепла в элементах машины, в которых используют пластинчатые материалы, также представляет собой критическую проблему, поскольку передача тепла намного менее эффективна в направлении, перпендикулярном плоскости пластинчатых элементов. Системы охлаждения, построенные в виде внешнего экструдированного алюминиевого хомута с охлаждающими ребрами, обычно устанавливают с опрессовкой вокруг набора пластинчатых элементов для улучшения передачи тепла в окружающую атмосферу, но эффективность таких систем охлаждения ограничена из-за плохого теплового контакта с пластинчатыми элементами. Все эти проблемы объясняют относительно высокое количество разнородных деталей, которые необходимо использовать в обычной электрической машине для обеспечения электромагнитной, механической и тепловой функции и которые увеличивают затраты на материалы и сборку: обмотки, пластинчатые элементы, фланцы, держатели корпуса подшипника, фиксирующие винты и стержни, внешний хомут, алюминиевые ребра и т.д.

Детали электрической машины можно изготовлять с использованием изотропного магнитного материала, такого как мягкие магнитные композитные материалы, изготовленные из железного порошка. Охлаждающие ребра, изготовленные из того же магнитного материала, также могут быть интегрированы в детали магнитной цепи, что раскрыто в патенте Канады 2282636, 1999. Также известно, что структуры зубчатых полюсов имеют ряд преимуществ при применении в устройствах малой мощности. В качестве примера электрической машины с использованием большого количества зубчатых полюсов можно рассмотреть "герметичные двигатели", используемые в таймерах или генераторах переменного тока автомобилей, в которых используют ротор с зубчатым полюсом (см., например, патент США №3271606 и патент США №3714484). Однако эту конфигурацию обычно используют в однофазных машинах, в которых установлена только одна катушка, встроенная в магнитную цепь, составленную из двух деталей, на которых сформированы зубья. Такой вид компоновки называется "централизованной обмоткой". Централизованная обмотка может оказаться более простой в реализации, чем другие конфигурации обмотки, поскольку общее количество обмоток обычно равно количеству фаз двигателя.

В случае индуктора автомобильного генератора переменного тока в катушку подают постоянный ток. Другие варианты применения, такие как статоры асинхронных двигателей (патент США №3383534), шаговые двигатели (патент США №5331237) и бесщеточные двигатели с постоянным магнитом (патент США №5854524), являются примерами использования структур с зубчатыми полюсами, в которых катушка запитана переменным током или импульсным током.

На фиг.1А, 1B и 1С показано несколько вариантов выполнения элемента 100 магнитной цепи известной конструкции однофазного статора. Эта конструкция содержит ярмо 105 (фиг.1В), которое сформировано из магнитного материала. Ярмо 105 изготовлено из двух расположенных противоположно колец 110, 120 с выступающими пальцами или зубьями 112, 114, 116, 122, 124, 126, продолжающимися радиально внутрь к передней части вдоль воздушного зазора, рядом с поверхностью ротора (не показан). Кольцевая катушка 130 расположена в осевом направлении концентрично оси ротора (не показан) и окружена двумя кольцами 110, 120 магнитной цепи. Плоскость, определяемая катушкой, перпендикулярна поверхности воздушного зазора между статором и ротором. Магнитный поток, образуемый кольцевой катушкой 130, проходит через воздушный зазор в ротор через зубья 112, 114, 116, 122, 124, 126, расположенные с каждой стороны катушки 130.

В случае якоря переменного тока с зубчатыми полюсами предпочтительно формировать сердечник из композитного материала для минимизации потерь, связанных с вихревыми токами (патент США №3383534 и патент США №5331237). Также можно использовать сборку из магнитных листов или пластинчатых деталей и других деталей, изготовленных из материалов, состоящих из железного порошка, полученных способами порошковой металлургии (патент США №6320294, патент США №6201324).

Многофазная структура с якорем с зубчатыми полюсами обычно является более сложной при изготовлении. При этом необходимо составить набор из нескольких однофазных структур, установленных на статор или ротор, и разделить их воздушными зазорами для исключения коротких замыканий магнитного поля и ухудшения рабочих характеристик. Однако в случае маломощных двигателей, например шаговых двигателей, часто можно допустить такое ухудшение рабочих характеристик при непосредственном сопоставлении нескольких однофазных структур без установки воздушных зазоров между структурами (патент США №6259176, патент США №6031304). В патенте США №5854526 представлена трехфазная структура зубчатого типа, в которой используются различные компоновки катушек. Три катушки расположены в одной плоскости, при этом их оси установлены параллельно поверхности воздушного зазора между статором и ротором. Как и в случае предыдущих структур, плоскость, образуемая катушками, располагается перпендикулярно поверхности воздушного зазора. Однако эти структуры не решают проблему коротких замыканий магнитного поля, и их следует использовать только в вариантах применения с очень небольшой мощностью.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание различных конструкций многофазных роторов с зубчатыми полюсами для электрических машин и соответствующих способов их сборки, которые можно использовать для конструирования и построения статоров многофазных электрических машин (двигателей и генераторов переменного тока), питание которых обеспечивают с использованием переменного или импульсного тока, таких как синхронные машины и машины с постоянным магнитом, шаговые двигатели, асинхронные машины и реактивные синхронные машины, работающие в широком диапазоне мощностей, а также для конструирования якоря ротора машин постоянного тока (двигателей или генераторов).

В указанных машинах поверхность воздушного зазора выполнена плоской в случае линейного движения или цилиндрической в случае кругового движения. Для упрощения следующего описания ниже будут описаны только магнитные цепи ротора. На чертежах представлены конструкции только с цилиндрической поверхностью воздушного зазора и с круговым движением вокруг оси поверхности воздушного зазора. Однако те же конструкции можно также использовать для электрических машин другого типа, таких как машины постоянного тока. Также можно использовать конструкции с плоской поверхностью воздушного зазора, с прямолинейным движением или с круговым движением вокруг оси, перпендикулярной к поверхности воздушного зазора.

Как и в известных конструкциях зубчатых полюсов, магнитная цепь окружает катушку и может быть разделена на несколько секций для упрощения ее сборки с катушкой. Магнитная цепь содержит несколько рядов зубьев, обращенных к воздушному зазору ротора. Зубья (или пальцы) в двух соседних рядах выполнены перекрещивающимися (или расположены через определенные промежутки), так что они перекрывают большую поверхность воздушного зазора без увеличения занимаемого пространства вдоль оси.

Настоящее изобретение отличается от известных конструкций компоновками катушек и зубьев в различных деталях магнитных цепей. Катушки намотаны вокруг оснований определенных зубьев. Основание зуба формирует часть магнитной цепи, которая расположена перпендикулярно поверхности воздушного зазора. Несколько зубьев могут быть закреплены на общем основании зубьев. Основания всех зубьев в одном ряду соединены с общим ярмом. Оси катушек всегда расположены перпендикулярно поверхности воздушного зазора, т.е. плоскость, образуемая катушками, параллельна поверхности воздушного зазора. Катушки установлены без чередования и не расположены через равные промежутки вдоль оси движения. При использовании такой конструкции магнитный поток, образуемый полюсами ротора, поочередно циркулирует в трех направлениях в сердечнике и в зубьях без компонента постоянного тока.

Зубья не обязательно должны иметь одинаковые размеры как в одном ряду, так и в соседних рядах. Форма зубьев позволяет регулировать содержание гармоник электродвижущей силы и управлять амплитудой момента, создаваемого гармоническим полем зубьев. Возможны различные формы частей зубьев, обращенных к воздушному зазору, в соответствии с различными вариантами применения. Чаще всего используют прямоугольную, треугольную или трапецеидальную форму. Зубья также могут быть скошены по отношению к касательной поверхности воздушного зазора в направлении движения для уменьшения момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, с использованием того же способа скашивания, который применяют в обычных машинах. Величину воздушного зазора между ротором и статором также можно изменять вдоль поверхности одного зуба. При таком подходе можно точно адаптировать пространственное распределение индукции в воздушном зазоре и распределение индукции в различных частях зуба.

Основания зубьев, на которых установлены катушки, обычно имеют прямоугольную форму. Тем не менее, предпочтительно закруглять углы для упрощения намотки. В некоторых случаях также можно использовать овальные или круглые формы для минимизации размера катушек.

Магнитная цепь предпочтительно изготовлена из магнитного композитного материала на основе металлического порошка, сформирована с помощью прессования, формования или механической обработки. Некоторые детали магнитной цепи также могут быть изготовлены из обычных наборов пластинчатых деталей. В специальных случаях, когда узел катушки на сердечнике является трудновыполнимым, можно разделять магнитную цепь на несколько деталей для упрощения сборки и установки катушек. Затем механическую сборку выполняют с помощью совместного склеивания, свинчивания или прессования отдельных частей.

Якоря с зубчатыми полюсами в соответствии с данным вариантом выполнения можно использовать в классическом цилиндрическом роторе, например роторе, изготовленном с постоянными магнитами, установленными на поверхности ярма. Однако рекомендуется использовать два ярма ротора, оборудованных магнитами и разделенных осевым воздушным зазором. При использовании такой конструкции каждый ряд магнитов может быть установлен соответственно по отношению к зубьям статора. В этом случае зубья центральных и боковых деталей могут иметь одинаковую толщину. Такое разделение ротора на несколько рядов также можно использовать для сглаживания момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, если ряды магнитов несколько сдвинуты на соответствующий угол.

Конструкция зубчатых полюсов, представленная в настоящем изобретении, обеспечивает лучшие электромагнитные, механические и тепловые функции, чем классическая пластинчатая структура. В случае, когда используют композитный металлический порошок, частицы железа изолируют с помощью пластика, при этом магнитный поток может циркулировать во всех направлениях или в трех измерениях без увеличения магнитных потерь. Новая топология и узлы магнитной цепи, реализованные в соответствии с настоящим изобретением, позволяют улучшить процесс производства и снизить связанные с ним затраты. В таких структурах можно устранить проблему механического крепления обычного набора пластинчатых элементов и обеспечить минимальные размеры и количество дополнительных деталей.

В настоящем изобретении магнитная цепь может быть разделена на несколько частей, соответствующих каждому ряду зубьев, что упрощает сборку катушек. В случае, когда магнитная цепь разделена на три части, механическую фиксацию центральной части выполняют с помощью боковых деталей, которые выполняют роль классических фланцев. Намотка катушек также может быть упрощена благодаря минимизации количества витков и количества соединительных выводов. Общая длина оси машины при этом уменьшается, и обеспечивается минимальный объем активных материалов, упрощается процесс изготовления катушки, а также минимизируются затраты. Катушка в соответствии с настоящим изобретением идеально помещается внутри якоря магнитного сердечника. При этом отсутствуют участки обмотки, которые увеличивают осевую длину статора за пределы активной длины магнитной цепи, такие как концевые витки в классической двухмерной структуре.

Кроме того, в настоящем изобретении ротор может быть очень просто установлен с помощью небольших фланцев, которые содержат корпус подшипника. Такие небольшие фланцы могут быть изготовлены из электропроводного материала, поскольку утечка потока на концах обмоток минимальна, и могут быть легко закреплены на боковых частях. При этом устраняется проблема механической фиксации обычного набора из пластинчатых деталей с выступающими концами обмоток.

Хотя обычно для циркуляции потока и крепления катушек используют различные детали магнитной цепи, в настоящем изобретении эти части также могут использоваться для упрощения механической сборки и для крепления датчиков положения. Кроме того, размер дополнительных деталей, которые необходимы для корпусов подшипников и для механической установки ротора, может быть значительно уменьшен. Интеграция корпусов подшипников в боковые части структуры якоря в соответствии с настоящим изобретением может быть реализована непосредственно с использованием материала из металлического порошка. При использовании такой компоновки каждая боковая часть предложенной магнитной цепи, включая держатели подшипников ротора, может быть сформована путем прессования с использованием одной операции прессования. Однако при такой интеграции требуется исключить возникновение нежелательных коротких замыканий магнитного потока в воздушном зазоре машины. Это условие может быть легко выполнено при использовании немагнитного материала для интеграции корпусов подшипников в боковых частях статора. В качестве альтернативы также возможно использовать магнитный материал при выполнении определенных условий. Например, в периодической структуре два различных зуба, которые имеют одинаковый магнитный потенциал, могут быть соединены без изменения пути потока.

В предлагаемых конструкциях согласно изобретению может быть легко установлена система охлаждения с эффективной естественной конвекцией или конвекцией с принудительным нагнетанием воздуха или циркуляцией воды. Такая система может быть полностью интегрирована в детали магнитной цепи с использованием материала другого рода или без него. Например, охлаждающие ребра могут быть спрессованы одновременно с ярмом якоря за одну операцию прессования, при этом ребра охлаждения будут распределены вокруг внешней поверхности ярма. Если такие ребра будут выполнены из соответствующего магнитного материала и ориентированы вдоль осевой длины машины, в них также может циркулировать магнитный поток, т.к. они будут "магнитоактивными". При использовании такой компоновки можно дополнительно уменьшить общий размер и вес двигателя и увеличить отношение крутящего момента к весу машины. В такие структуры также может быть легко интегрирована система охлаждения с циркуляцией текучей среды. Например, можно устанавливать трубки или каналы для циркуляции охлаждающей текучей среды, которая может быть немагнитной и которая может находиться в непосредственном контакте с витками катушки и может быть установлена в плоскости, параллельной рядам зубьев. Такие трубки закрепляют механически на зубьях боковых пластин. Каналы для циркуляции охлаждающей текучей среды также могут быть сформированы непосредственно в ярме магнитной цепи, изготовленном из мягкого магнитного материала.

Когда требуется разработать различные двигатели для работы в определенном диапазоне мощности, согласно изобретению можно использовать идентичные детали для оптимизации процесса производства. В случае применения пластинчатого материала изменяют осевую длину магнитной цепи путем регулирования количества идентичных пластинчатых элементов в наборе. При этом возможно использовать этот подход в случае роторов с зубчатыми полюсами. При этом всегда можно непосредственно составлять две идентичные структуры вдоль оси вращения без разделения воздушным зазором. Такое преобразование позволяет удвоить мощность исходной машины. В результате получается очень простая компоновка, и не требуется применять дополнительные детали. Механическое крепление при этом может быть реализовано с использованием боковых деталей каждой структуры, и обмотки могут быть соединены последовательно или параллельно. Затем используют единую структуру индуктора, которая проходит по всей длине двигателя, но также возможно использовать несколько составленных вместе ярм ротора. Кроме того, также можно использовать небольшое угловое смещение между каждой структурой в направлении вращения. Благодаря этому можно минимизировать колебания момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, и может быть отфильтрована гармоническая составляющая электродвижущей силы.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1А, 1В и 1С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов известной однофазной структуры с зубчатыми полюсами с двумя секциями и центральной кольцевой катушкой;

фиг.2А, 2В и 2С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов упрощенной трехфазной магнитной цепи с зубчатыми полюсами, в которой элементы разделены на две секции и три катушки установлены на зубьях одной секции, согласно изобретению;

фиг.3А, 3В и 3С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативного варианта выполнения узла, в котором элемент магнитной цепи разделен на три секции вдоль оси ротора, причем три катушки установлены на зубьях секции центральной магнитной цепи, в которой две боковые секции магнитной цепи выполнены идентичными, согласно изобретению;

фиг.4А, 4В и 4С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов узла из двух структур, обеспечивающих повышение мощности, согласно изобретению;

фиг.5А, 5В и 5С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов пятифазной структуры, в которой воздушный зазор расположен на внешней поверхности, элементы магнитной цепи разделены на три секции и пять катушек установлены на центральной части, две боковые части магнитной цепи выполнены идентичными, согласно изобретению;

фиг.6А, 6В и 6С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативного узла конструкции, в которой зубья центральной части магнитной цепи установлены после установки катушек и зубья боковых частей увеличены для улучшения механического крепления катушек, что облегчает монтаж катушек на центральной части, согласно изобретению;

фиг.7А, 7В и 7С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов другого варианта выполнения трехфазной магнитной цепи, который предназначен для использования с ротором или внешним статором, образующим 14 или 16 магнитных полюсов в воздушном зазоре, и в котором магнитная цепь разделена на три части, три катушки установлены на центральной части, окруженные рядом зубьев, и зубья в центральной части магнитной цепи и в боковых частях распределены неравномерно, согласно изобретению;

фиг.8А, 8В и 8С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативной конструкции, в которой центральная часть модифицирована для минимизации количества меди, требуемой для намотки катушек, ряд зубьев на боковых деталях перегруппирован и зубья на боковых деталях выполнены с двумя различными значениями ширины, согласно изобретению;

фиг.9А, 9В и 9С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативной конструкции, в которой несколько зубьев на боковых блоках выполнены с прорезями для минимизации момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, согласно изобретению;

фиг.10А, 10В и 10С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативной трехфазной структуры, предназначенной для использования с ротором или внешним статором, который образует 14 или 16 магнитных полюсов в воздушном зазоре, в которой центральная часть магнитной цепи содержит девять неравномерно распределенных зубьев, причем основания зубьев установлены в группах по три для уменьшения пространства, занимаемого тремя катушками, установленными на центральной части, и боковые части магнитной цепи выполнены идентичными, причем каждая из них состоит из шести неравномерно распределенных зубьев, согласно изобретению;

фиг.11А, 11В и 11С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов другого узла структуры, в котором центральная часть разделена на три идентичные части для упрощения установки катушек, и эти три части механически удерживаются вместе с помощью двух продольных деталей компонента магнитной цепи, согласно изобретению;

фиг.12А, 12В и 12С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов трехфазной структуры, которая включает шесть катушек на центральной части, в которой внешняя поверхность магнитной цепи оборудована охлаждающими ребрами, и на каждой боковой части магнитной цепи сформированы держатели подшипников, предназначенные для механической установки ротора (не показано), согласно изобретению;

фиг.13А изображает поперечный разрез части двигателя с воздушным зазором, где радиус кривизны зуба отличается от радиуса кривизны двигателя;

фиг.13В изображает продольный вид части двигателя с воздушным зазором, где зуб с модифицированным продольным профилем прилегает к воздушному зазору, согласно изобретению;

фиг.14А изображает систему охлаждения, интегрированную в статор (вид в разрезе), согласно одному варианту воплощения изобретения;

фиг.14В изображает общий вид круглых охлаждающих трубок системы охлаждения, согласно изобретению;

фиг.15А изображает систему охлаждения, интегрированную в магнитную цепь статора (вид в разрезе), согласно одному варианту воплощения изобретения;

фиг.15В и 15С изображают общий вид статора с боковой стенкой и юбкой, интегрированного в магнитную цепь статора, согласно изобретению;

фиг.16 изображает общий вид сегментов и рядов зубьев, согласно изобретению;

фиг.17 изображает общий вид сборки сегментов, где два противоположных сегмента образуют сборку с двумя фланцами из немагнитного материала, и подложку для размещения корпуса подшипника, согласно изобретению;

фиг.18 изображает общий вид корпуса подшипника, согласно изобретению;

фиг.19А и 19В изображает общий сборки магнитной цепи в собранном и разобранном виде, включая немагнитные фланцы, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Якорь электрической машины в соответствии с настоящим изобретением содержит магнитную цепь, составленную из одной или больше частей, и многофазную обмотку с несколькими катушками.

Элементы магнитной цепи предпочтительно изготовлены из композитного магнитного материала на основе железного порошка и сформированы путем прессования, формования или механической обработки.

При этом не требуется полностью собирать магнитную цепь из пластинчатого материала. Циркуляция переменного магнитного потока в трех измерениях генерирует вихревые токи в пластинах. Однако магнитную цепь можно разделить на несколько частей. Части, в которых магнитный поток не циркулирует в плоскости (зубья, углы), следует изготовлять из композитного магнитного материала, а другие части, в которых магнитный поток циркулирует в плоскости (ярмо, основания зубьев), в случае необходимости, могут быть изготовлены из пластинчатого материала. Хотя механическая сборка магнитной цепи при этом становится более сложной, она может быть выполнена путем склеивания, свинчивания или прессования деталей вместе.

Конструкция магнитной цепи содержит множество рядов зубьев (фиг.2-12), расположенных так, что верхние поверхности зубьев обращены к воздушному зазору между статором и ротором. Эти ряды зубьев расположены параллельно друг другу, и каждый ряд расположен в направлении движения. Основание зубьев образует часть магнитной цепи, и зубья соединены с кольцевым ярмом, которое является общим для каждого ряда зубьев. Обмотка намотана вокруг основания некоторых зубьев. В общем количество зубьев, составляющих каждый ряд, представляет собой число, кратное количеству фаз электрической машины, хотя количество зубьев может различаться в разных рядах. Распределение зубьев может быть либо равномерным (фиг.2-6), или неравномерным (фиг.7-11). Верхняя поверхность каждого зуба, расположенного рядом с воздушным зазором, имеет большую площадь поверхности, чем поперечное сечение основания зуба (участок зуба, расположенный на удалении от воздушного зазора). Это обеспечивает возможность перекрытия каждым зубом большей поверхности воздушного зазора в то время, как можно уменьшить количество металла, требуемого для формирования зубчатого полюса, и обеспечить место для установки проволочной обмотки. Профиль зубьев прямо влияет на содержание гармоник электродвижущей силы (эдс) в условиях без нагрузки и амплитуды момента, создаваемого гармоническим полем зубьев. Наиболее соответствующая форма верхних поверхностей зубьев может быть прямоугольной, треугольной или трапецеидальной.

Многофазные многополюсные якоря в соответствии с настоящим изобретением можно использовать с роторами или статорами, которые образуют магнитные северный - южный полюса с переменным намагничиванием в направлении движения. Эти полюса генерируют магнитный поток, переменно циркулирующий в трех измерениях магнитной цепи, в зубьях и в катушках. Такой поток не содержит компонента постоянного тока.

Обычно зубья в двух соседних рядах расположены с чередованием или во взаимных промежутках для обеспечения минимальной общей осевой длины двигателя, при этом они перекрывают одинаковую поверхность воздушного зазора, например зубья 212, 214, 216 и 222, 224 и 226 на фиг.2В. Однако, когда расстояние между зубьями становится слишком малым, утечка магнитного потока становится существенной. Поэтому предпочтительно устанавливать зубья с чередованием только, когда такая компоновка не приводит к существенной утечке потока, с учетом конкретного варианта применения и конструктивных требований.

При реализации настоящего изобретения на практике не требуется, чтобы последовательные ряды зубьев имели одинаковую форму или одинаковую ширину, как зубья 212, 214, 216 и 222, 224 и 226 в известной конструкции на фиг.2. Однако чередующиеся ряды зубьев, т.е. два ряда зубьев, разделенные третьим рядом зубьев, всегда имеют одинаковую форму (фиг.3-12). Обычно зубья, расположенные в соседних рядах с обеих сторон одного ряда, выровнены в направлении, перпендикулярном рядам зубьев. При этом они имеют одинаковый магнитный потенциал и могут соприкасаться или могут быть разделены небольшим воздушным зазором, который не приводит к утечке магнитного потока (фиг.3-12).

Как указано выше, элемент магнитной цепи в соответствии с настоящим изобретением содержит одну или больше катушек, соединенных последовательно или параллельно, предназначенных для генерирования магнитного поля в зубьях. Каждая катушка намотана непосредственно вокруг основания одного (фиг.2-6) или нескольких зубьев (фиг.7-11). Катушки всегда расположены через равномерный интервал вдоль оси движения и установлены без чередования. Поверхность, определяемая катушками, всегда параллельна направлению движения и воздушному зазору между статором и ротором (фиг.2-12). В случае, когда используются несколько рядов зубьев, катушки установлены полностью на основаниях четных рядов или нечетных рядов, но не вперемешку.

Хотя в настоящем изобретении описаны структуры с двумя рядами зубьев (фиг.2), в большинстве случаев предпочтительно использовать по меньшей мере три ряда зубьев (фиг.3-12). На фиг.2 показано внешнее ярмо для трехфазной машины с двумя рядами зубьев (первый ряд зубьев 212, 214 и 216 на кольце 210 и второй ряд зубьев 222, 224 и 226 на кольце 220), которое можно использовать как ротор или как статор. Для получения лучших рабочих характеристик предпочтительно использовать эту структуру с соответствующим индуктором (ротор или статор), который образует четыре магнитных полюса в воздушном зазоре.

Описанные варианты выполнения имеют цилиндрическую структуру, направление по линии оси вращения описанных структур называется осевым направлением, направление, определенное точкой, вращающейся вокруг оси вращения, называется направлением окружности, и направление, нормальное к оси вращения, называется радиальным направлением.

На фиг.2 представлена сборка 20 магнитной цепи, которая содержит ярмо 200. Ряд полюсов в виде зубьев (описанных ниже) продолжается в радиальном направлении внутрь от ярма. При использовании сборки 20 верхние поверхности зубчатых полюсов расположены на некотором расстоянии от соответствующего цилиндрического электрического элемента (не показан), который установлен по их внешнему контуру так, что между этими двумя элементами образуется воздушный зазор.

Ярмо 200 (фиг.2В и 2С) разделено на две части, кольца 210, 220, в плоскости, перпендикулярной цилиндрической поверхности, образованной воздушным зазором. В показанном варианте выполнения каждое из колец 210, 220 содержит ряд из трех зубьев 212, 214, 216 и 222, 224 и 226, которые расположены через равные промежутки по окружности соответствующих колец. Размеры верхних поверхностей зубьев на каждом кольце различны. В данном варианте выполнения площадь верхних поверхностей зубьев 212, 214 и 216 выполнена большей, чем площадь верхних поверхностей зубьев 222, 224 и 226. Это связано с тем, что размер по окружности зубьев 212, 214 и 216 больше, чем зубьев 222, 224 и 226. При сборке двух колец зубья устанавливаются с чередованием (фиг.2В). Катушки 232, 234 и 236 намотаны вокруг оснований зубьев 212, 214 и 216 магнитной цепи соответственно. Ось цилиндрической поверхности, образуемой катушками, совпадает с осью воздушного зазора между ротором и статором (фиг.2С). Катушки расположены с равномерным промежутком по отношению друг к другу.

На фиг.3А, 3В и 3С представлен альтернативный вариант выполнения сборки 30 магнитной цепи, в которой используются три кольца статора, содержащие три ряда зубьев. В такой компоновке обмотки полностью закрыты, и обеспечивается минимальная осевая длина машины. При этом ни одна из частей обмоток не выступает за пределы общей длины магнитной цепи в направлении, перпендикулярном рядам зубьев. В этом варианте выполнения ярмо 300 сформировано из трех колец 310, 320 и 330 (фиг.3В и 3С). Два внешних кольца 310, 330 выполнены идентичными, и на каждом из них установлены по три полюса зубьев (фиг.3С). На центральном кольце 320 установлены обмотки 342, 344 и 346 на зубьях 322, 324 и 326. В этом варианте выполнения верхние поверхности зубьев 322, 324 и 326 центрального кольца 320 выполнены увеличенными в осевом направлении и направлении окружности.

Для изготовления сборки 30 магнитной цепи катушки вначале наматывают непосредственно на основания соответствующих зубьев. Затем следует сборка магнитной цепи с двумя внешними кольцами 310, 330 (фиг.3В). Как показано, верхние поверхности зубьев имеют форму, благодаря которой после сборки верхние поверхности зубьев устанавливаются с чередованием.

В представленных вариантах выполнения (фиг.2-12) ряд зубьев, на которых установлены обмотки, расположен либо возле одного ряда зубьев без обмоток (фиг.2), или зажат между двумя рядами зубьев без обмоток (фиг.3-12). Отличие сборки на фиг.7 по сравнению с фиг.9 заключается в том, что зубья 912, 914, 916, 932, 934, 936 (фиг.9) внешних колец 910, 930 выполнены с радиальными прорезями (разделены на две части в радиальном направлении для образования между ними воздушного зазора). Это позволяет соединить воздушный зазор через ярмо. Учитывая предыдущее описание, структуры на фиг.7 и 9 всегда имеют одинаковое количество зубьев. Обычно для этих структур характерно то, что количество катушек Nb, количество зубьев G1 и G2 и количество пар магнитных полюсов индуктора (противоположная часть по отношению к воздушному зазору) удовлетворяют следующим условиям:

Nb=k1.Mph, где k1 целое число, равное или большее 1;

G1=k2.Nb, где k2 целое число, равное или большее 1;

G2=G1+k3.Nb, где k3 равно -1 или 0 и G2>0,

где:

Mph - представляет собой количество фаз; Mph больше 1;

Р - представляет собой количество пар магнитных полюсов, образуемых индуктором (противоположной частью двигателя);

Nb - представляет собой общее количество катушек, равномерно распределенных вдоль длины ряда зубьев;

G1 - представляет собой общее количество зубьев в ряду, на которых установлены какие-либо обмотки;

G2 - представляет собой общее количество зубьев в ряду, на которых не установлены какие-либо обмотки.

Катушки, связанные с каждой фазой, установлены в порядке следования фаз вокруг окружности статора. Эта последовательность повторяется несколько раз, когда фазу генерируют с использованием более чем одной катушки. Например, в случае трехфазной машины с идентифицированными фазами А, В и С порядок катушек составляет А, В, С, если машина содержит три катушки. Порядок катушек становится А, В, С, А, В, С, если машина содержит шесть катушек, и А, В, С, А, В, С, А, В, С в случае девяти катушек. Катушки каждой фазы могут быть соединены последовательно или параллельно в соответствии с подходом и конструкцией.

В Таблице 1 представлены характеристики нескольких трехфазных структур с тремя катушками, которые соответствуют описанным выше условиям. В Таблице 1 предполагается использование последовательности из трех катушек в порядке А, В, С. Варианты выполнения, показанные на фиг.2-4 и фиг.7-11, разработаны в соответствии с этой таблицей.

На фиг.7 представлена сборка 70 магнитной цепи, предназначенная для использования с другой структурой (ротора или статора), которая содержит от четырнадцати до шестнадцати магнитных полюсов в воздушном зазоре для получения наилучших рабочих характеристик. В варианте выполнения, представленном на фиг.7, воздушный зазор между статором и ротором расположен на внешней поверхности сборки 70. Сборка 70 магнитной цепи содержит три ряда зубьев (фиг.7В и 7С). Каждый ряд расположен на отдельном кольце. Два боковых кольца 710, 730 выполнены идентичными, и каждое их них содержит шесть зубьев (711-716 для кольца 710; 731-736 для кольца 730), при этом не все они имеют одинаковую угловую ширину (см. фиг.7С). Центральное кольцо 720 содержит шесть зубчатых полюсов 721-726 (фиг.7С). Распределение зубьев на каждом кольце и вокруг каждого ряда является неравномерным (см. фиг.7А и 7С). Три катушки 741, 742 и 743 установлены на центральном кольце 720 (фиг.7С). Каждая катушка намотана вокруг оснований двух зубьев (например, катушка 742 намотана вокруг зубьев 721, 722). Таким образом, катушки установлены без чередования.

Для минимизации длины витков катушки и объема провода предпочтительно модифицировать центральное кольцо, на котором расположены два зубчатых полюса, соединенные с общим основанием, на которые намотана катушка. Это показано в варианте выполнения, представленном на фиг.8, в частности на фиг.8С, где полюса 821 и 823 зубьев соединены на основании 822. Аналогично полюса 825 и 826 зубьев соединены на основании 824, а полюса 827 и 829 зубьев соединены на основании 828. Поскольку положение зубьев вокруг воздушного зазора должно быть неизменным, оставляют пространство для зубьев, расположенных на боковых кольцах 810, 830. Каждый полюс зуба и его основание имеют Y-образную форму (фиг.8С). Обмотки 842, 844 и 846 устанавливают на нижнем участке оснований 822, 824 и 828 соответственно. В этом случае (фиг.8С) размеры катушек меньше, чем в случае, показанном на фиг.7С. Форма боковых колец также была модифицирована, как можно видеть при сравнении элементов 810, 830 на фиг.8С с элементами 710, 730 на фиг.7С. Эти конструктивные изменения различных деталей магнитной цепи не влияют на рабочие характеристики, за исключением момента, создаваемого гармоническим полем зубьев. Структура (фиг.8) позволяет получить преимущество, состоящее в важном уменьшении количества требуемой меди, по сравнению со структурой на фиг.7. На фиг.8 воздушный зазор расположен снаружи от сборки 80 магнитной цепи. Однако эту технологию, состоящую в соединении полюсов зубьев на общем основании, можно также использовать в сборках, имеющих внутренний воздушный зазор, таких как сборка 20 (фиг.2).

В варианте выполнения на фиг.9 зубья 912, 914 и 916 и 932, 934 и 936 выполнены с прорезью в радиальном направлении. Такая сборка не изменяет количество зубьев, но позволяет увеличить частоту момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, что помогает уменьшить его амплитуду. На фиг.9А показано, что в сборке магнитной цепи образуются пятнадцать полюсов зубьев, перекрывающих воздушный зазор. При этом возможно выполнить другие модификации сборки магнитной цепи, которые влияют на момент, создаваемый гармоническим полем зубьев, например, используя прорези или канавки на зубьях с меньшей глубиной или специальный профиль зубьев.

На фиг.10 и 11 показаны трехфазные сборки 1000 и 1100 магнитной цепи, соответственно каждая из которых представляет собой внешний якорь, используемый с другим элементом (индуктором, ротором или статором), который образует четырнадцать или шестнадцать магнитных полюсов в воздушном зазоре для обеспечения наилучших рабочих характеристик. В каждом из этих вариантов выполнения воздушный зазор расположен на внутренней поверхности элемента. Как и в варианте выполнения, показанном на фиг.9, каждая из сборок 1000 и 1100 магнитной цепи содержит три ряда зубьев (фиг.10В и 11В). Сборка 1000 составлена из трех колец 1010, 1020, 1030, каждое из которых содержит один ряд полюсов зубьев. Два внешних кольца 1010, 1030 выполнены идентичными, и каждое содержит по шесть зубьев (1011-1016 для 1010; 1031-1036 для 1030). Центральное кольцо 1020 содержит девять зубчатых полюсов (фиг.10С). Промежуток между зубьями в каждом кольце и вокруг каждого ряда является неравномерным (фиг.10А и 10С), но все зубья имеют одинаковые размеры по окружности (фиг.10А). Как и в сборке на фиг.8, зубчатые полюса, установленные на кольце 1020, сгруппированы по три, причем каждая группа по три расположена на общем основании (фиг.10С). Таким образом, зубчатые полюса 1021, 1022 и 1023 имеют общее основание 1060. Это позволяет уменьшить длину витков катушки и, следовательно, количество требуемого провода.

Вариант выполнения, показанный на фиг.11, облегчает установку катушек. Вместо использования центрального кольца 1020 (фиг.10) используются три структуры 1121, 1122 и 1123 (фиг.11), выполненные в форме вилки. Каждая из структур содержит по три зубчатых полюса 1124, 1125 и 1126 для структуры 1121.

Проволочные катушки наматывают непосредственно на основания структур 1121-1123. Кольца 1110 и 1130 выполнены с выемками 1131, 1132 и 1133 для кольца 1130, и 1111 для кольца 1110, в которые устанавливают структуры 1121, 1122 и 1123, выполненные в виде вилки. При этом структура 1121, 1122 и 1123 удерживается на месте с помощью двух боковых колец 1110, 1130 компонента 1100 магнитной цепи (фиг.11В).

В таблице 2 показано несколько трехфазных структур с шестью катушками, с последовательностью обмоток А, В, С, А, В, С. На фиг.12 показан вариант выполнения, разработанный в соответствии с этой таблицей. В такой структуре сборка 1200 магнитной цепи имеет воздушный зазор внутри структуры и предназначена для использования с ротором или статором, который образует восемь магнитных полюсов в воздушном зазоре для обеспечения максимально высоких рабочих характеристик. Сборка на фиг.12 может обеспечить преимущества при интегрировании магнитных, тепловых и механических функций, в результате чего обеспечивается минимальное количество деталей в двигателе и упрощается сборка. Благодаря использованию периодической последовательности А, В, С, А, В, С обмоток два диаметрально противоположных зуба 1233 и 1236 кольца 1240 имеют одинаковый магнитный потенциал. При этом два зуба 1233 и 1236 (фиг.12С) могут быть соединены (и соединены) поперечной планкой 1237, изготовленной из магнитного материала. Противоположное кольцо 1210 также содержит зубья 1211, 1214, соединенные поперечной планкой 1217, изготовленной из магнитного материала. Кроме того, поперечные планки 1217 и 1237 содержат круглые втулки 1218 и 1238 для подшипников, в которые можно устанавливать ротор или статор (фиг.12С) соответственно. Такие поперечные планки не оказывают отрицательного влияния на траекторию магнитного потока. Они могут быть механически закреплены на кольцах 1210, 1230 или могут быть изготовлены за одно целое из композитного магнитного материала.

Поскольку в устройстве в соответствии с настоящим изобретением отсутствуют торцевые части обмотки, дополнительные детали, изготовленные из магнитных или электропроводных материалов, такие как фланцы, пластины для крепления подшипников, могут быть закреплены непосредственно на секциях магнитной цепи, которые не обращены к ротору в воздушном зазоре. В отличие от известных структур при этом не требуется использовать большой воздушный зазор (например, несколько миллиметров), поскольку в конструкции отсутствуют торцевые части обмотки, и благодаря тому, что обмотки экранированы от магнитного поля с помощью магнитных частей других структур. Преимущество заключается в уменьшении общей осевой длины машины.

Эти структуры также просто оборудовать системой охлаждения с использованием циркуляции воды, принудительной или естественной конвекции воздуха или другой текучей среды. При этом предпочтительно интегрировать систему охлаждения как часть магнитной цепи. Возможно сформировать компактную систему охлаждения с магнитной цепью в виде единой детали, изготовленной из одного магнитного материала. На фиг.12 показаны ребра 1229 охлаждения, расположенные вокруг внешней поверхности кольца 1220, которые предназначены для увеличения поверхности, находящейся в контакте с окружающим воздухом. Такие ребра сформированы как единая деталь со сборкой магнитной цепи (фиг.12А). В соответствии с настоящим изобретением магнитный поток может циркулировать в ребрах, которым придана соответствующая ориентация. При такой сборке улучшается рассеивание тепла, без увеличения веса, общих размеров, при этом обеспечивается минимальный вес электрической машины и повышается отношение крутящего момента к весу.

В Таблице 3 представлены четырехкатушечные двухфазные структуры с фазовой последовательностью катушек А, В, А, В.

В Таблице 4 представлены сводные данные, относящиеся к пятикатушечным пятифазным структурам с порядком фазовой последовательности обмоток пяти катушек А, В, С, В, Е. На фиг.5 и 6 представлены структуры, построенные на основании этой таблицы. Сборка 50 магнитной цепи (фиг.5) используется с другим элементом (ротором или статором), образующим восемь магнитных полюсов в воздушном зазоре. Воздушный зазор в этих вариантах выполнения расположен снаружи. Как и в варианте выполнения, показанном на фиг.3, сборка 50 магнитной цепи изготовлена из трех колец 510, 520 и 530 (фиг.5), катушки 542, 544, 546, 547 и 548 установлены на основании зубьев 522, 524, 526, 527 и 528 соответственно центрального кольца 520 (фиг.5С). Два противоположно расположенных кольца 510, 530 содержат по пять зубьев (фиг.5С), кольцо 510 содержит зубья 512, 514, 516, 517 и 518 и кольцо 530 содержит зубья 532, 534, 536, 537 и 538. В данном варианте выполнения зубья противоположно расположенных колец 510, 530 имеют разные размеры по сравнению с зубьями, расположенными на центральном кольце 520 (фиг.5В). Зубья боковых колец 510, 530 продолжаются в направлении, перпендикулярном рядам зубьев, когда магнитная цепь собрана (фиг.5В).

На фиг.6 показан вариант выполнения, в котором верхние поверхности зубьев расположенных противоположно колец 610, 630 увеличены по отношению к их основаниям для улучшения механической установки обмотки. Для облегчения установки катушек на центральном кольце зубья центрального кольца выполнены сегментированными. Например, верхний участок зубчатого полюса 622 разделен на три сегмента: участки 622А, которые формируют основание зубчатого полюса, и наконечники 622В и 622С зубчатого полюса (Фиг.6В и 6С). При этом обеспечивается простая намотка катушек на основание. Затем при сборке требуется только механически приклеить или привинтить, или спрессовать или сформировать эти детали зубьев непосредственно на их основании после установки обмотки.

Таблица 1
Примеры трехфазных структур с тремя катушками
k1	Nb	k2	G1	k3	G2	2Р
1	3	1	3	0	3	3<2Р<9
1	3	2	6	-1	3	6<2Р<18
1	3	2	6	0	6	6<2Р<18
1	3	3	9	-1	6	9<2Р<27
1	3	3	9	0	9	9<2Р<27
1	3	4	12	-1	9	12<2Р<36
1	3	4	12	0	12	12<2Р<36

Таблица 2
Примеры трехфазных структур с шестью катушками
k1	Nb	k2	G1	k3	G2	2Р
2	6	1	6	0	6	6<2Р<18
2	6	2	12	-1	6	12<2Р<36
2	6	2	12	0	12	12<2Р<36
2	6	3	18	-1	12	18<2Р<54
2	6	3	18	0	18	18<2Р<54
2	б	4	24	-1	18	24<2Р<72
2	6	4	24	0	24	24<2Р<72
Таблица 3
Примеры двухфазных структур с четырьмя катушками
k1	Nb	k2	G1	k3	G2	2Р
2	4	1	4	0	4	4<2Р<12
2	4	2	8	-1	4	8<2Р<24
2	4	2	8	0	8	8<2Р<24
2	4	3	12	-1	8	12<2Р<36
2	4	3	12	0	12	12<2Р<36
2	4	4	16	-1	12	16<2Р<48
2	4	4	16	0	16	16<2Р<48
Таблица 4
Примеры пятифазных структур с пятью катушками
k1	Nb	k2	G1	k3	G2	2Р
1	5	1	5	0	5	5<2Р<15
1	5	2	10	-1	5	10<2Р<30
1	5	2	10	0	10	10<2Р<30
1	5	3	15	-1	10	15<2Р<45
1	5	3	15	0	15	15<2Р<45
1	5	4	12	-1	15	20<2Р<60
1	5	4	12	0	20	20<2Р<60

Третий вариант выполнения настоящего изобретения показан на фиг.4. Для получения машины с удвоенной мощностью можно использовать две идентичные существующие основные структуры 410 и 420 (фиг.4). Сборка двух структур может быть очень простой и исключает необходимость изготовления новых деталей. Например, две идентичные структуры 410, 420 могут быть непосредственно собраны вместе вдоль оси вращения (фиг.4В), их обмотки могут быть соединены последовательно или параллельно. Механическое крепление обеспечивается с помощью боковых деталей 415, 425 (фиг.4). Для получения машины с удвоенной мощностью можно использовать две идентичные существующие основные структуры 410 и 420 (фиг.4). Сборка двух структур может быть очень простой и исключает необходимость изготовления новых деталей. Например, две идентичные структуры 410, 420 могут быть непосредственно собраны вместе вдоль оси вращения (фиг.4В), их обмотки могут быть соединены последовательно или параллельно. Механическое крепление обеспечивается с помощью боковых деталей 415, 425 каждой структуры (фиг.4С). Незначительный сдвиг может быть введен в случае необходимости между двумя структурами в направлении вращения для снижения момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, между фазами. Кроме того, для повышения магнитной связи между этими двумя структурами может быть установлено распорное кольцо (не показано), которое может быть изготовлено из магнитного материала и может находиться в контакте с ярмом каждой структуры. Если толщина кольца превышает воздушный зазор, тогда эти две структуры могут быть существенно смещены в направлении движения для установки двух катушек с обмотками с различными фазами, под одним и тем же магнитным полюсом индуктора.

На фиг.13А представлен поперечный разрез примера выполнения части радиального двигателя с воздушным зазором, содержащего ярмо 1302 и основание 1304 зубьев, где радиус кривизны зуба отличается от радиуса кривизны двигателя (в данном случае цилиндрической), т.е. радиуса поверхности 1308 ротора. Таким образом, радиус кривизны поверхности (или профиля) 1306 каждого зуба у воздушного зазора 1310 отличается от радиуса кривизны поверхности 1308 ротора. В этом случае можно сказать, что зубья радиально профилированы, чтобы обеспечить изменяемую толщину воздушного зазора 1310.

На фиг.13В представлен продольный вид части радиального двигателя с воздушным зазором с модифицированным продольным профилем зубьев в воздушном зазоре 1320. Согласно представленному примеру воплощения цилиндрический ротор 1318, ярмо 1312, основание 1314 зубьев и зуб 1316 имеют продольную поверхность 1321 контакта, прилегающую к воздушному зазору 1320. Преимуществом профиля поверхности 1321 контакта в продольном направлении зуба 1316 является то, что воздушный зазор 1320 имеет переменную толщину в продольном направлении (или в аксиальном направлении двигателя).

Согласно варианту воплощения изобретения сборка магнитной цепи содержит интегрированную в статор систему охлаждения. На фиг.14 представлен вариант, в котором круглые охлаждающие трубки 1410 (для циркуляции воды) размещены в контакте с обмотками 1406 статора. Показана также задняя магнитная часть 1402 статора, центральная магнитная часть 1408 статора и роторные части 1400. Круглые охлаждающие трубки 1410 представлены также на фиг.14В, где показаны вход 1412 и выход 1414 для охлаждающей воды и теплообменная поверхность 1416 трубок 1410.

Согласно другому варианту воплощения интегрированная система охлаждения, охлаждающие трубки (для циркуляции воды) интегрированы в магнитную цепь статора. На фиг.15А представлена система охлаждения, интегрированная в магнитную цепь статора (вид в разрезе, где показаны трубки 1506, катушки 1510, задние магнитные части 1502 статора, части 1500 ротора, центральная магнитная часть 1508 статора, боковая стенка 1504, интегрированная в магнитную цепь статора. На фиг.15В и 15С представлены боковая стенка и юбка, интегрированные в магнитную цепь статора.

Выше описаны некоторые примеры воплощения изобретения, но очевидно, что возможны и другие модификации без отхода от существа изобретения.