бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина

Формула изобретения

1. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина, содержащая статор с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы по Z_1s зубцов на каждом полюсе, в большие пазы между полюсами уложены катушки обмотки, сосредоточенные по одной на соответствующем полюсе, и зубчатый ротор, отличающаяся тем, что катушечная обмотка является m-фазной катушечной обмоткой якоря, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор содержит два сердечника индуктора, смещенных друг относительно друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления t_Z2 индуктора, между сердечниками индуктора установлен тороидальный постоянный магнит, намагниченный в аксиальном направлении, число полюсов якоря Z_1p=m·Z _1m, где m=3, 4, 5, 6 - число фаз обмотки якоря, Z_1m=1, 2, 3, 4 - число полюсов якоря в фазе, общее число зубцов якоря Z₁=Z_1p·Z_1s, где Z_1s =1, 2, 3, 4 - число элементарных зубцов на полюсе якоря, число зубцов на каждом сердечнике индуктора Z₂=Z₁±Z _1m.

2. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянный магнит выполнен цельным.

3. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянный магнит выполнен наборным из нескольких постоянных магнитов.

4. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи, индуктор - внутри.

5. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь - внутри.

6. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя, питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты.

7. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя, питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты.

8. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя, питание обмотки якоря осуществляется от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

9. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

10. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.6, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя питание обмотки якоря осуществляется от однофазного источника переменного напряжения постоянной частоты при помощи фазосдвигающего элемента.

11. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в звезду.

12. Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в многоугольник.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и касается конструктивного исполнения бесконтактных магнитоэлектрических машин с электромагнитной редукцией, предназначенных для использования в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, прямых приводов в бытовой технике (электромясорубки, электросоковыжималки, стиральные машины и пр.), электроприводов бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами вращения вала, а также в качестве высокочастотных электрических генераторов.

Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами (Патент RU 2303849 С1, МПК Н02К 21/18, H02K 21/14, автор Шкондин В.В.), содержащий, по крайней мере, одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора и количество полюсов в одном ряду n удовлетворяет соотношению n=10+4·k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Недостатками аналога являются сложность и значительная стоимость конструкции, определяемая большим числом постоянных магнитов, и невысокие энергетические показатели, обусловленные нерациональным использованием полезного объема машины.

Известна индукторная электрическая машина (Патент RU 2009599 С1, МПК 5 Н02К 19/06, Н02К 19/24, авторы: Жуловян В.В., Новокрещенов О.И., Шаншуров Г.А.), содержащая явнополюсный с числом полюсов Z₀ зубчатый статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой размещена на одном полюсе статора, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор и преобразователь, к которому подключена обмотка статора, статор и ротор выполнены с четными и не равными друг другу числами зубцов и каждая фаза обмотки выполнена из р встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2· , где 2· =Z₀/p, р - число четное.

Наиболее близкой по технической сущности к настоящему изобретению (его прототипом) является синхронный редукторный двигатель (Патент RU 2054220 С1, МПК 6 Н02К 37/00, Н02К 19/06, авторы: Шевченко А.Ф., Калужский Д.Л.), содержащий ротор с Z_p зубцами и статор с 4·р полюсами (р=1, 2, 3, ,), на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы по Z_s зубцов на каждом полюсе, причем Z _r=4·p·(Z_s+К)±р (где К=0, 1, 2, - целое число), в большие пазы между полюсами уложены катушки однофазной обмотки по одной на каждом полюсе, катушки, расположенные на одноименных полюсах с номерами, различающимися на 4, соединены последовательно "конец" с "началом" и образуют четыре ветви, "конец" первой ветви, образованной 1, 5, , 1+4·(р-1) катушками, соединен с "началом" третьей ветви, образованной 3, 7, , 3+4·(р-1) катушками, и точка соединения этих ветвей подключена к первому выводу обмотки, "конец" второй ветви, образованной 2, 6, , 2+4·(р-1) катушками, соединен с "началом" четвертой ветви, образованной 4, 8, , 4+4·(р-1) катушками, и точка соединения этих ветвей через последовательно включенный конденсатор также подключена к первому выводу, а ко второму выводу подключены два диода таким образом, что с анодом первого из них соединены первая и четвертая ветви, а с катодом второго диода - вторая и третья ветви.

Недостатком описанной индукторной электрической машины и синхронного редукторного двигателя являются невысокие энергетические показатели. Кроме того, указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.

Целью настоящего изобретения является создание достаточно простой, надежной и технологичной конструкции бесконтактной магнитоэлектрической машины с высокими энергетическими показателями при большом удельном вращающем моменте на валу и высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя и при большой удельной мощности и высокой электромагнитной редукции частоты ЭДС в режиме электрического генератора.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа полюсов якоря, общего числа зубцов якоря и числа зубцов индуктора при выполнении сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение высоких эксплуатационных характеристик бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины. С этой целью статор содержит явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, m-фазную катушечную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем полюсе якоря, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор с двумя сердечниками индуктора, смещенными относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления индуктора, между сердечниками индуктора установлен тороидальный постоянный магнит, намагниченный в аксиальном направлении, для создания магнитного потока возбуждения. Для машин большой мощности возможно применение вместо одного цельного тороидального постоянного магнита ряда сегментарных постоянных магнитов, намагниченных в аксиальном направлении и собранных в виде тора.

При применении бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется:

- от источника трехфазного переменного напряжения,

- от источника однофазного переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,

- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,

- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,

- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

При применении бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины в качестве двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной формы без постоянной составляющей.

В настоящем изобретении индуктор является ротором, а якорь - статором. Возможны исполнения бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1 - общий вид бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с внутренним индуктором и внешним якорем,

фиг.2 - общий вид бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с электромагнитной редукцией с внешним индуктором и внутренним якорем,

фиг.3÷14 - примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений сердечников якоря и индуктора, схем соединения катушек обмоток якоря и включение обмоток якоря на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов (МДС).

В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины число полюсов якоря Z_1p, число элементарных зубцов на полюсе якоря Z_1s=1, 2, 3, 4 , число фаз обмотки якоря m=3, 4, 5, 6 , число полюсов якоря в фазе Z_1m=1, 2, 3, 4 , общее число зубцов якоря Z₁, число зубцов на каждом сердечнике индуктора Z₂ связаны равенствами (1), (2), (3):

Катушки обмотки в фазе якоря должны быть соединены между собой таким образом (согласно или встречно), чтобы векторы наведенных в них ЭДС, геометрически складываясь, образовывали максимальную суммарную ЭДС фазы якоря бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины.

На фиг.3÷14 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3) в виде поперечных сечений сердечников якоря и индуктора бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины, схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря при включении обмоток якоря в двигательном режиме на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов (МДС). Соответствие фигур чертежей поперечных сечений сердечников якоря и индуктора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице. Буква m в таблице обозначает количество фаз обмотки якоря бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины, а m_ист - количество фаз источника напряжения. Положение сердечников индуктора относительно сердечника якоря на фигуре в двигательном режиме соответствует моменту времени, при котором показано положение векторов токов на соответствующей фигуре схемы соединения катушек m-фазной обмотки якоря (таблица).

На фиг.4 представлена схема соединений катушек 3-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.

На фиг.6 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря с подключением на 4-фазный источник напряжения.

На фиг.8 представлена схема соединений катушек 5-фазной обмотки якоря с подключением на 5-фазный источник напряжения.

На фиг.10 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 6-фазный источник напряжения.

На фиг.12 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря с подключением в однофазную сеть переменного тока промышленной частоты. Сдвиг фаз, необходимый для работоспособности машины, обеспечивается при помощи фазосдвигающего элемента, в данном случае при помощи емкости С. При этом w _AN - это числа витков катушек обмотки якоря, подключенных непосредственно к фазе «А» и нулю, w_CN - это числа витков катушек обмотки якоря, подключенных к фазе «A» и нулю через фазосдвигающую емкость С. Коэффициент трансформации обмоток фаз якоря лежит в пределах k_тр=w_CN /w_AN=1-2.

На фиг.14 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.

Рассмотрим конструкцию бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, 3, 5, 7, 9, 11 и 13). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 1 якоря выполнен шихтованным из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в корпусе 2, выполненном из стали с высокой магнитной проницаемостью. На каждом явно выраженном полюсе 13 якоря выполнены элементарные зубцы 14. На полюсах 13 якоря размещена катушечная обмотка 3 якоря. Катушки обмотки 3 якоря выполняются из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины. Индуктор при помощи подшипников 4, вала 5 и подшипниковых щитов 6 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из магнитной или немагнитной стали. Если вал магнитный, то на нем закреплена немагнитная втулка 7, толщина которой в радиальном направлении значительно превышает воздушный зазор между якорем и индуктором. Активная часть индуктора состоит из первого сердечника 8, первой магнитной втулки 9, постоянного магнита 10, второго сердечника 11 и второй магнитной втулки 12. Первый 8 и второй 11 сердечники, а также втулки 9 и 12 выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью. Сердечники 8 и 11 выполнены шихтованными из электротехнической стали и имеют равномерно распределенные по окружности зубцы 15. С целью удешевления конструкции сердечники 8 и 11 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. В этом случае они крепятся непосредственно к втулке 7, т.е. втулки 9 и 12 не устанавливаются. Постоянный магнит 10 выполнен в виде тора и намагничен в аксиальном направлении. Для машин малой мощности постоянный магнит выполняют цельным, для машин большой мощности - составным из сегментарных постоянных магнитов, намагниченных в аксиальном направлении и собранных в виде тора. Первый 8 и второй 11 шихтованные сердечники индуктора напрессовываются соответственно на магнитные втулки 9 и 12, а постоянный магнит 10 крепится к немагнитной втулке 7 между магнитными втулками 9 и 12. Если вал 5 выполнен из немагнитной стали (преимущественно для машин малой мощности), то магнитные втулки 9 и 12, а также постоянный магнит 10 крепятся непосредственно к валу 5. Первый 8 и второй 11 сердечники индуктора смещены относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления t_Z2 индуктора. Таким образом, при показанной на фиг.1 намагниченности постоянного магнита 10 «S-N», зубцы первого сердечника 8 индуктора намагничены как южные полюса «S», а зубцы второго сердечника 11 индуктора намагничены как северные полюса «N». Магнитный поток индуктора, вызванный постоянным магнитом 10, проходит через вторую втулку 12, второй сердечник 11 индуктора, воздушный зазор между якорем и индуктором, полюса 13 и сердечник 1 якоря, магнитный корпус 2 в аксиальном направлении, сердечник 1 и полюса 13 якоря, воздушный зазор между якорем и индуктором и замыкается через первый сердечник 8 индуктора и первую втулку 9.

Немагнитная втулка 7 необходима в случае магнитного вала и служит для того, чтобы магнитный поток постоянного магнита 10 не замыкался через втулки 9 и 12 и вал 5, а также через вал 5, подшипники 4, подшипниковые щиты 6 и корпус 2.

В случае конструкции с внешним индуктором (фиг.2) роль корпуса играет немагнитная втулка 7.

Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина работает в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1). На фазы обмотки 3 якоря из внешней цепи - цепи питания подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменную во времени МДС якоря. На фиг.4, 6, 8, 10, 12 и 14 представлены векторные диаграммы токов 16 для соответствующих многофазных обмоток якоря, представленных на этих же фигурах. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени, и векторы токов 16 поворачиваются в осях координат ху против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 3 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер полюса 13 сердечника 1 якоря. Например, катушка В2 - катушка фазы В, расположенная на втором полюсе 13 сердечника 7 якоря. На фиг.4, 6, 8, 10, 12 и 14 обозначены направления токов в катушках в соответствии с проекцией векторов токов на ось у. При этом элементарные зубцы 14, расположенные на соответствующих полюсах 13 якоря, на которых сосредоточены катушки обмотки 3 якоря, образуют южные полюса «S» и северные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменной МДС якоря с постоянной МДС индуктора, созданной постоянным магнитом 10, к ротору приложен вращающий момент, т.е. при изменении питающих напряжений, поданных на обмотку якоря с частотой f(Гц), ротор вращается с синхронной частотой вращения n=60·f/Z ₂ (об/мин). Направление вращения ротора на фигурах показано стрелкой с буквой «n». При Z₁<Z₂ ротор вращается согласно с магнитным полем якоря, а при Z ₁>Z₂ ротор вращается против вращения магнитного поля якоря.

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n магнитный поток индуктора, пронизывая воздушный зазор и полюса 13 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в полюсах 13 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках обмотки 3 якоря переменную ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по обмотке 3 якоря протекает переменный ток, электрическая мощность отдается потребителю.

Фазы обмотки якоря могут быть соединены в звезду, а также в многоугольник.