EA025693B1

EA025693B1 - Бесщёточная электрическая машина

Info

Publication number: EA025693B1
Application number: EA201401228A
Authority: EA
Inventors: Владимир Александрович Дмитриевский; Владимир Алексеевич Прахт
Original assignee: Владимир Александрович Дмитриевский; Владимир Алексеевич Прахт
Priority date: 2012-06-09
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2017-01-30
Also published as: EP2860860A2; EP2860860A4; WO2013184039A3; EA201401228A1; RU2012124209A; RU2526846C2; WO2013184039A2

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и электротехническим машинам с магнитами на статоре и может быть использовано в электрических приводах машин и механизмов, а также в генераторах электрической энергии. Бесщеточная машина содержит ротор (1), включающий вал (2) и не менее одного зубчатого венца на нем с зубцами, расположенными вдоль окружности зазора. Статор включает зубчатый магнитопровод (7), обмотку, катушки (6) которой уложены в пазы магнитопровода (7) статора. Многополюсная магнитная система (4) выполнена из магнитотвердого материала, расположена между ротором (1) и магнитопроводом (7) статора, зафиксирована на статоре и намагничена таким образом, что на поверхности зубцов (8) статора, обращенных к зазору вдоль направления вращения ротора (1), размещено одинаковое количество чередующихся разноименных полюсов. Статор выполнен в виде тела вращения с несколькими зубцами (8), расположенными вдоль оси вращения ротора. Каждая катушка (6) обмотки уложена в один паз статора. Над каждым зубцом (8) статора расположены только зубцы одного зубчатого элемента (3) ротора (1). Число зубцов на каждом из зубчатых венцов равно половине полюсов, находящихся на одном зубце (8) статора. Технический результат состоит в увеличении удельной мощности электрической машины и уменьшении массы активных материалов.

Description

Изобретение относится к электромеханике, а точнее, к электрическим машинам с магнитами на статоре, и может быть использовано в электрических приводах машин и механизмов, а также в генераторах электрической энергии.

Предшествующий уровень техники

Известна бесщёточная электрическая машина, имеющая зубчатый статор, зубчатый ротор, обмотку, уложенную в пазы статора, и магниты, расположенные в ярмах статора |Ас1 Ниа; Х1аоуоп§ Ζΐιιι; Χίαηβχίη Копд; Еап/Нопд Ζ1ι;·ιη§; Аепх1аид ΖΙιαο. 81а1ог-рсгтапсп1 тадпс1 Ьги5Ь1с55 тасЫиез: СопссрК йсус1ортсп15 апй аррйсайопз. Е1сс1г1са1 МасЫпсз апй §у51ст5, 2008. 1СЕМ8 2008. 1п1сгпа1юпа1 СопГсгспсс оп 1720 Ос1. 2008. Радс5: 2802-2807].

В известной бесщеточной машине значительная часть магнитного потока, создаваемого магнитами, замыкается вне двигателя, что понижает удельную мощность и снижает энергетические показатели машины.

Аналогичные недостатки имеет бесщеточная машина с магнитами в зубцах статора, имеющая зубчатый ротор, статор, составленный из С-образных фрагментов, и магниты, размещенные в зубцах статора [там же]. Наиболее близкой заявляемой бесщеточной машиной является однофазная электрическая машина с магнитами на зубцах статора |Ра]с511 Р. ИсойНаг, §уайс Апйсг55оп, 1оп Во1йса апй ТипоШу 1. Е. МШсг.ТЬс Р1их-Ксусг5а1 МасЫпс: А Исте Вги5Ыс55 ОоиЫу-5>аПсп1 Рсгтапсп1-Мадпс1 МасЫпс. 1ЕЕЕ ΤΚΑΝδΑΟΠΟΝδ ΟΝ ΙΝΏυδΤΚΥ АРРЫСАТЮИЗ, уо1. 33, № 4, цЫ/аитМ 1997], имеющая ротор с тремя зубцами и статор с двумя зубцами, двухслойную обмотку на статоре, а также магнитную систему, расположенную на поверхности зубцов статора, имеющую по два магнита на каждом зубце статора и создающую на каждом зубце статора два магнитных полюса. Соседние полюса, расположенные на соседних зубцах, являются разноимёнными.

К недостаткам известного устройства следует отнести то, что в такой машине используется только 2/3 поверхности воздушного зазора машины, что понижает удельную мощность, увеличивает массу активных материалов и ведет к увеличению стоимости машины. Кроме того, наличие лобовых частей обмотки, не участвующих в создании магнитного поля, уменьшает удельную мощность электрической машины и увеличивает массу активных материалов.

Раскрытие изобретения

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача увеличения удельной мощности электрической машины и уменьшения массы активных материалов.

Решать поставленную задачу предлагается тем, что заявляется бесщёточная электрическая машина, содержащая ротор, включающий вал и не менее одного зубчатого элемента на нём с зубцами, расположенными вдоль окружности зазора, статор, включающий зубчатый магнитопровод, обмотку, катушки которой уложены в пазы магнитопровода статора, и многополюсную магнитную систему, выполненную из магнитотвёрдого материала, расположенную между ротором и магнитопроводом статора, зафиксированную на статоре и намагниченную таким образом, что на поверхностях зубцов статора, обращенных к зазору вдоль направления вращения ротора размещены одинаковое количество чередующихся разноимённых полюсов, статор выполнен в виде тела вращения с несколькими зубцами, расположенными вдоль оси вращения ротора, каждая катушка обмотки уложена в один паз статора, над каждым зубцом статора расположены только зубцы одного зубчатого элемента ротора, число зубцов на каждом из зубчатых элементов равно половине полюсов, находящихся на одном зубце статора.

В заявляемой бесщёточной электрической машине обмотка может быть выполнена однофазной и при наличии более одного паза условное направление тока в соседних пазах противоположно, при этом ротор и магнитная система выполнены так, что когда над северными полюсами некоторого зубца статора находятся зубцы ротора, зубцы ротора оказываются над южными полюсами соседнего зубца статора.

В заявляемой бесщёточной электрической машине обмотка может быть выполнена многофазной, при этом ротор и магнитная система выполнены так, что когда над северными полюсами некоторого зубца статора находятся зубцы зубчатого элемента ротора, зубцы зубчатого элемента ротора, находящегося над соседним зубцом, смещены относительно северных полюсов последнего, чтобы обеспечить требуемый сдвиг фаз.

В заявляемой бесщёточной электрической машине ротор может быть выполнен таким образом, что сечения его зубчатых элементов, перпендикулярные оси вращения, имеют линию зеркальной симметрии.

В заявляемой бесщёточной электрической машине ротор может быть выполнен таким образом, что сечения его зубчатых элементов, перпендикулярные оси вращения, не имеют линии зеркальной симметрии.

В заявляемой бесщёточной электрической машине магнитная система может быть выполнена монолитной формы.

В заявляемой бесщёточной электрической машине магнитная система может быть выполнена из отдельных магнитов.

В заявляемой бесщёточной электрической машине вдоль оси вращения ротора могут быть размещены несколько электроизолированных друг от друга магнитов.

- 1 025693

В заявляемой бесщёточной электрической машине вдоль направления вращения ротора могут быть размещены несколько электроизолированных друг от друга магнитов.

В заявляемой бесщёточной электрической машине магнитная система может быть выполнена из магнитов, остаточная намагниченность которых направлена от оси вращения ротора и к оси вращения ротора. При этом между магнитами, расположенными на одном зубце и/или на соседних зубцах, имеющими противоположные остаточные намагниченности, может быть расположена немагнитная область.

В заявляемой бесщёточной электрической машине магнитная система может быть выполнена таким образом, что между соседними разноимёнными полюсами магнитной системы остаточная намагниченность имеет направление вдоль или против направления вращения ротора и способствует формированию полюсов магнитной системы.

В заявляемой бесщёточной электрической машине ротор может быть расположен внутри статора или статор внутри ротора.

В заявляемой бесщёточной электрической машине зубцы статора и магнитная система на статоре могут быть выполнены со скосом относительно зубцов ротора.

В заявляемой бесщёточной электрической машине могут быть использованы магниты прямоугольного сечения.

В заявляемой бесщёточной электрической машине магнитопровод статора может быть выполнен сборным.

Лучшие варианты осуществления изобретения

Заявляемая бесщеточная электрическая машина описывается ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 - принципиальная схема однофазной электрической машины с двумя зубцами на статоре и одним зубчатым элементом на роторе.

Фиг. 2 - принципиальная схема однофазной электрической машины с тремя зубцами на статоре и двумя катушками в обмотке, с одним зубчатым элементом на роторе, содержащем 3 (три) зубца.

Фиг. 3 - принципиальная схема зубчатого элемента ротора, сечение которого, перпендикулярное оси вращения, имеет линию зеркальной симметрии.

Фиг. 4 - принципиальная схема зубчатого элемента ротора, обеспечивающего неравномерный воздушный зазор.

Фиг. 5 - принципиальная схема зубчатого элемента ротора с фаской с одной стороны зубца.

Фиг. 6 - принципиальная схема зубчатого элемента ротора, в котором стороны зубца выполнены под разными углами к зазору между ротором и статором.

Фиг. 7 - принципиальная схема двуфазной электрической машины с тремя зубцами на статоре и двумя катушками в обмотке, также отдельно показаны более крупным планом магнитная система и ротор.

Фиг. 8 - принципиальная схема однофазной электрической машины с двумя зубцами на статоре и двумя зубчатыми элементами на роторе.

Фиг. 9 - принципиальная схема однофазной электрической машины с двумя зубцами на статоре, в которой вдоль оси вращения ротора содержится несколько электроизолированных друг от друга магнитов.

Фиг. 10 - поперечное сечение бесщёточной электрической машины с несколькими электроизолированными магнитами, расположенными вдоль направления вращения ротора.

Фиг. 11 - поперечное сечение бесщёточной электрической машины с немагнитными областями между магнитами вдоль направления вращения ротора.

Фиг. 12 - поперечное сечение бесщёточной электрической машины с областями намагничивания вдоль или против направления вращения ротора.

Фиг. 13 - принципиальная схема однофазной электрической машины с разборным статором.

Заявляемая бесщеточная электрическая машина (фиг. 1) в однофазном исполнении имеет ротор (1), содержащий вал (2) с зубчатым элементом 3 на нём, и статор, представляющий собой магнитную систему (4) с участками (5) различной намагниченности, катушку (6) и магнитопровод (7), выполненный в виде тела вращения с несколькими зубцами (8), расположенными вдоль оси вращения ротора.

Катушка (6) выполнена в виде кольца, которое укладывается в паз между зубцами (8) магнитопровода (7) статора. Паз расположен посередине внутренней поверхности магнитопровода (7) статора. На зубцах (8) статора расположена магнитная система (4), участки (5) которой создают радиальный магнитный поток чередующегося направления, как показано на фиг. 1. Участки (5) магнитной системы (4), у которых остаточная намагниченность имеет направление от оси вращения, показаны более тёмным тоном, чем участки (5), магнитной системы (4), у которых остаточная намагниченность имеет направление к оси вращения.

На фиг. 1 зубчатый элемент ротора (3) имеет три зубца, на каждом из зубцов статора магнитная система (4) имеет шесть участков (5) противоположной радиальной намагниченности, создающих шесть полюсов. Таким образом, число зубцов на каждом из зубчатых элементов (3) равно половине полюсов, находящихся на одном зубце (8) статора.

- 2 025693

Среди положений ротора (1) заявленной бесщёточной электрической машины есть два положения, которые далее будем называть выделенными, характеризующиеся тем, что зубцы на зубчатом элементе (3) ротора (1) оказываются только над участками (5) магнитной системы (4) одинаковой намагниченности, расположенными на одном и том же зубце (8) статора, причём для соседних зубцов эта намагниченность противоположна.

Принцип действия заявленной бесщёточной электрической машины в однофазном исполнении в генераторном режиме состоит в следующем.

В выделенных положениях магнитный поток через ротор (1) в осевом направлении принимает противоположное по знаку и максимальное по модулю положение. Именно этот магнитный поток составляет основную часть потока через катушку (6). Таким образом, при движении ротора (1) между двумя выделенными положениями магнитный поток через катушку (6) постоянно меняется. По закону элекромагнитной индукции в катушке (6) наводится электродвижущая сила (ЭДС). При протекании тока по катушке (6) в направлении противоположном ЭДС, машина потребляет электрическую энергию, которая преобразуется в механическую энергию вращения ротора (1). Если направления ЭДС и тока совпадают, то машина вырабатывает электрическую энергию, преобразуя механическую энергию вращения ротора (1).

Если магнитопровод (7) статора бесщёточной электрической машины в однофазном исполнении имеет три зубца (8) и два паза (фиг. 2), направление токов в сечениях катушек (6), уложенных в соседние пазы, противоположно.

При использовании заявленной электрической машины в однофазном исполнении в качестве генератора может применяться ротор (1), сечение зубчатого элемента (3) которого, перпендикулярное оси вращения, имеет линию зеркальной симметрии. На фиг. 3 показан пример такого ротора, причём некоторые линии зеркальной симметрии показаны штрихпунктиром.

При использовании заявленной бесщёточной электрической машины в однофазном исполнении в качестве двигателя необходимо обеспечить возможность старта. Для этого ротор (1) выполняют несимметричным так, чтобы при отсутствии электропитания его равновесное положение было отклонено от положения, в котором зубцы зубчатого элемента (3) ротора (1) находятся строго напротив полюсов, что позволяет при подаче питания создавать пусковой момент. Несимметричность ротора может состоять в несимметричности воздушного зазора между зубчатыми элементами (3) ротора (1) и магнитопроводом (7) статора (1) (фиг. 4), в выполнении зубцов зубчатого элемента (3) ротора (1) таким образом, что примыкающие к зазору стороны зубцов образуют с нормалью к зазору разный угол, например, как это показано на фиг. 5 или 6. Также ротор (1) может иметь несимметрию в виде несимметричной прорези.

В многофазном исполнении обмотки заявляемой бесщёточной электрической машины, как правило, образуют многофазную систему с отсутствием симметрии фаз. Однако, заявляемая бесщёточная электрическая машина в многофазном исполнении при любом положении может создавать момент усилия в любом направлении вращении ротора (1). Таким образом, в многофазном исполнении заявляемая электрическая машина может применяться в устройствах, в которых требуется обеспечить вращение в двух направлениях.

В бесщёточной электрической машине в многофазном исполнении (как и в однофазном исполнении) для каждого зубца (8) магнитопровода статора среди положений ротора (1) есть два положения, которые далее будем называть выделенными, характеризующиеся тем, что зубцы зубчатого элемента (3) ротора (1) оказываются только над участками (5) магнитной системы (4) одинаковой намагниченности, расположенными на данном зубце. Бесщёточная машина в многофазном исполнении отличается от бесщёточной машины в однофазном исполнении тем, что выделенные позиции ротора (1) для некоторых зубцов (8) магнитопровода (7) статора не совпадают. Это приводит к тому, что между ЭДС катушек (6) статора имеется фазовый сдвиг отличный от 0 или 180°, что позволяет сформировать из катушек (6) многофазную обмотку. Двухфазная бесщёточная электрическая машина изображена на фиг. 7.

Ротор (1) заявляемой бесщёточной электрической машины может иметь несколько зубчатых элементов (3), сдвинутых друг относительно друг друга на некоторый угол. В частности, это также может приводить к требуемым фазовым сдвигам между ЭДС катушек (6) статора, что позволяет выполнить магнитную систему (4) с участками (5), выполненными из однородно намагниченных магнитов, проходящих через всю активную зону электрической машины вдоль оси вращения ротора (1) (фиг. 8).

Для снижения электрических потерь в магнитной системе (4) каждый из участков (5), формирующих один полюс, может быть представлен несколькими электроизолированными магнитами, расположенными вдоль оси вращения ротора (1) (фиг. 9).

Также для снижения электрических потерь участки (5) магнитной системы (4), формирующие один полюс, могут быть представлены несколькими электроизолированными магнитами, расположенными по ходу движения ротора (фиг. 10).

С целью экономии материала магнитной системы между участками (5) магнитной системы (4) разной намагниченности могут быть расположены немагнитные области (9) между ними (фиг. 11), представляющие собой зазор или немагнитную и неэлектропроводную вставку, что практически не снижает технических характеристик электрической машины, поскольку в местах смены направления намагниченности потоки замыкаются сами на себя и фактически не участвуют в создании потока в воздушном зазо- 3 025693 ре. Другими словами, между соседними участками (5) магнитной системы, формирующими противоположные полюса и имеющими противоположные остаточные намагниченности, направленные вдоль или против направления вращения ротора (1), может располагаться немагнитная область, выполненная в виде зазора между участками (5), представленного магнитами или в виде немагнитной и неэлектропроводной вставки.

Между соседними участками (5) магнитной системы, расположенными на соседних зубцах (8) магнитопровода (7) статора, также целесообразно выполнять немагнитную область, поскольку материал магнитной системы (4), расположенный вдали от магнитопровода (7) статора, в меньшей степени участвует в формировании полезного магнитного потока.

Для увеличения полезного магнитного потока между соседними разноимёнными полюсами магнитной системы (4) может быть расположен магнитотвёрдый материал (10) магнитной системы (4) с намагниченностью, направленной в угловом направлении (фиг. 12) так, чтобы способствовать формированию полюсов магнитной системы (4).

Для упрощения укладки обмотки и снижения себестоимости бесщёточной электрической машины магнитопровод (7) статора может быть выполнен сборным. Один из примеров сборного статора показан на фиг. 13.

Промышленная применимость

Заявляемая конструкция может быть изготовлена из известных в технике элементов и материалов с использованием известных способов их сборки.

В отличие от прототипа, заявляемая конструкция бесщёточной электрической машины позволяет реализовать ее работу в отсутствии лобовых частей обмотки. В результате вся обмотка заявляемой конструкции бесщеточной электрической машины создаёт полезное магнитное поле, что позволяет увеличить удельную мощность электрической машины и уменьшить массу активных материалов, т.е. достигается заявленный технический результат.

Кроме того, пути замыкания магнитного потока выполнены значительно более короткими, чем в прототипе, что также приводит к уменьшению потерь магнитодвижущей силы (МДС) в магнитопроводе и уменьшению массы машины.

Дополнительно следует отметить, что электроизолирование отдельных участков магнитной системы от магнитопровода и друг от друга в заявляемой конструкции позволяет снизить вихревые потери в магнитной системе.

Дополнительное уменьшение массы магнитной системы, а значит и себестоимости электрической машины, обеспечивается расположением участков магнитной системы таким образом, что между соседними участками, формирующими противоположные полюса и имеющими противоположные остаточные намагниченности, коллинеарные радиус-вектору, имеется немагнитная область.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Бесщёточная электрическая машина, содержащая ротор, содержащий вал и не менее одного зубчатого фрагмента на нём с зубцами, расположенными вдоль окружности зазора, статор, содержащий зубчатый магнитопровод, обмотку, катушки которой уложены в пазы магнитопровода статора, и многополюсную магнитную систему, выполненную из магнитотвёрдого материала, расположенную между ротором и магнитопроводом статора, зафиксированную на статоре и намагниченную таким образом, что на поверхностях зубцов статора, обращённых к зазору вдоль направления вращения ротора, размещено одинаковое количество чередующихся разноимённых полюсов, отличающаяся тем, что статор выполнен в виде тела вращения с несколькими зубцами, расположенными вдоль оси вращения ротора, каждая катушка обмотки уложена в один паз статора, над каждым зубцом статора расположены только зубцы одного зубчатого фрагмента ротора, число зубцов на каждом из зубчатых фрагментов равно половине полюсов, находящихся на одном зубце статора.
2. Бесщёточная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка выполнена однофазной и таким образом, что при наличии более одного паза условное направление тока в соседних пазах противоположно, при этом ротор и магнитная система выполнены так, что, когда над северными полюсами некоторого зубца статора находятся зубцы ротора, зубцы ротора оказываются над южными полюсами соседнего зубца статора.
3. Бесщёточная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка выполнена многофазной, при этом ротор и магнитная система выполнены так, что, когда над северными полюсами некоторого зубца статора находятся зубцы зубчатого фрагмента ротора, зубцы зубчатого фрагмента ротора, находящегося над соседним зубцом, смещены относительно северных полюсов последнего, чтобы обеспечить требуемый сдвиг фаз.