RU144223U1

RU144223U1 - MAGNETO ELECTRIC MACHINE

Info

Publication number: RU144223U1
Application number: RU2013138170/07U
Authority: RU
Inventors: Рустам Музафарович Джураев
Original assignee: Рустам Музафарович Джураев
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2014-08-10

Abstract

1. Магнитоэлектрическая машина, содержащая ротор, зубчатый сердечник индуктора, намагниченный в аксиальном направлении тороидальный постоянный магнит, фазную якорную обмотку, немагнитный вал, отличающаяся тем, что тороидальный постоянный магнит установлен одним полюсом по одну сторону от сердечника индуктора, поверхность другого из полюсов магнита обеспечивает минимальный воздушный зазор в магнитной цепи, сердечник статора и экран статора содержат каждый по одному явно выраженному полюсу, на внутренней поверхности которых имеются элементарные зубцы, смещенные относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления на стороне, обращенной к зубчатому полюсу индуктора, сердечник и экран статора выполнены из магнитомягкого материала.2. Магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянный магнит выполнен цельным.3. Магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянный магнит выполнен наборным из нескольких постоянных магнитов.4. Магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что на постоянный магнит установлен электромагнит.5. Магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи, индуктор - внутри.6. Магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь - внутри.1. A magnetoelectric machine containing a rotor, a toothed core of an inductor, an axially magnetized toroidal permanent magnet, a phase anchor winding, a non-magnetic shaft, characterized in that the toroidal permanent magnet is installed by one pole on one side of the inductor core, the surface of the other of the magnet poles provides the minimum air gap in the magnetic circuit, the stator core and the stator screen each contain one clearly defined pole, on the inner surface of which there are electric fundamental teeth displaced relative to each other in the tangential direction by half of the tooth division on the side facing the tooth pole of the inductor, the core and the stator screen are made of soft magnetic material. 2. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that the permanent magnet is made integral. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that the permanent magnet is made of several permanent magnets. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that an electromagnet is mounted on a permanent magnet. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that the anchor is located outside, the inductor inside. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that the inductor is located outside, the anchor inside.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам переменного или постоянного тока, и может быть использована, например, для преобразования электрической энергии в механическую энергию с большим моментом силы и малой скоростью вращения, а так же в качестве генератора переменного, постоянного или пульсирующего тока.The utility model relates to electrical engineering, in particular to electric machines of alternating or direct current, and can be used, for example, for converting electrical energy into mechanical energy with a large moment of force and low speed of rotation, as well as as a generator of alternating, constant or pulsating current.

Известна электрическая редукторная машина с полюсным зубчатым индуктором (патент РФ №2393614, кл. H02K 19/12, 2010 г.), содержащая статор с явно выраженными полюсами и с сосредоточенной m-фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса якоря по одной катушке на полюс, и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых расположены элементарные зубцы, ротор содержит индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности зубчатыми полюсами с одинаковым числом элементарных зубцов на каждом полюсе, на полюсах индуктора сосредоточена катушечная обмотка возбуждения индуктора, каждая катушка которой размещена на соответствующем полюсе индуктора по одной на полюсе, катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой согласно в магнитном отношении, электрическая связь обмотки возбуждения индуктора с источником напряжения осуществляется через щетки и контактные кольца щеточно-контактного узла.Known electric gear machine with a pole gear inductor (RF patent No. 2393614, class. H02K 19/12, 2010), containing a stator with pronounced poles and with a concentrated m-phase winding of the armature, made in the form of coils spanning the poles of the armature one coil per pole, and an active rotor with alternating polarity of poles, the stator contains a lined armature core with pronounced poles, on the inner surface of which elementary teeth are located, the rotor contains an inductor with symmetrically distributed cylindrical on the surface of the toothed poles with the same number of elementary teeth on each pole, on the poles of the inductor there is a coil of the excitation coil of the inductor, each coil of which is placed on the corresponding pole of the inductor one at a pole, the coils of the excitation coil of the inductor are magnetically connected, the electrical connection of the winding excitation of the inductor with a voltage source is carried out through brushes and slip rings of the brush-contact node.

Недостатками данного изобретения являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные низкой энергоэффективностью, увеличенные массогабаритные показатели.The disadvantages of this invention are limited functionality due to low energy efficiency, increased weight and dimensions.

Целью настоящей полезной модели является создание достаточно простой, надежной, ремонто-пригодной и технологичной конструкции бесконтактной магнитоэлектрической машины с высокими энергетическими показателями при большом удельном вращающем моменте на валу, с глубоким регулированием входных и выходных параметров, работающей в широком диапазоне скоростей вращения вала, легко адаптируемой по своей геометрической форме под пространство ее установки по месту эксплуатации.The purpose of this utility model is to create a fairly simple, reliable, repair-suitable and technological design of a non-contact magnetoelectric machine with high energy performance with a large specific torque on the shaft, with deep input and output parameters, operating in a wide range of shaft rotation speeds, easily adaptable in its geometric shape under the space of its installation at the place of operation.

Задачей заявляемого технического решения является упрощение конструкции редукторной магнитоэлектрической машины, путем уменьшения количества обмоток якоря до одной на одну фазу.The objective of the proposed technical solution is to simplify the design of the geared magnetoelectric machine, by reducing the number of windings of the armature to one per phase.

Техническим результатом является получение высоких эксплуатационных характеристик магнитоэлектрической машины.The technical result is to obtain high performance magnetoelectric machine.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается однофазной магнитоэлектрической машиной, содержащей ротор, зубчатый сердечник индуктора, намагниченный в аксиальном направлении тороидальный постоянный магнит, отличающейся тем, что тороидальный постоянный магнит установлен одним полюсом по одну сторону от сердечника индуктора, поверхность другого из полюсов магнита обеспечивает минимальный воздушный зазор в магнитной цепи, сердечник статора и экран статора содержат каждый по одному явно выраженному полюсу, на внутренней поверхности которых имеются элементарные зубцы, смещенные относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления на стороне, обращенной к зубчатому полюсу индуктора, сердечник статора и экран статора выполнены из магнитомягкого материала, фазную якорную обмотку, немагнитный вал.The problem is solved, and the technical result is achieved by a single-phase magnetoelectric machine containing a rotor, a toothed core of the inductor, an axially magnetized toroidal permanent magnet, characterized in that the toroidal permanent magnet is installed by one pole on one side of the inductor core, the surface of the other of the magnet poles provides the minimum air gap in the magnetic circuit, the stator core and the stator screen each contain one distinct pole, on the inside enney elementary surfaces are barbs that are offset relative to each other in the tangential direction by half the tooth pitch on the side facing the toothed pole inductor stator core and stator screen made of magnetic material, the armature winding phase power, a nonmagnetic shaft.

Конструкция в целом представляет собой разветвленную двухконтурную магнитную цепь, одна из которых является сердечником, а другая - экраном якорной обмотки. Зубцовые ряды ротора, при его вращении, обеспечивают переменную коммутацию магнитных цепей.The design as a whole is a branched double-circuit magnetic circuit, one of which is the core, and the other is the screen of the anchor winding. The serrated rows of the rotor, during its rotation, provide variable switching of magnetic circuits.

Многофазная магнитоэлектрическая машина состоит из однофазных магнитоэлектрических машин, насаженных на общий вал с угловым смещением. Для регулировки крутящего момента магнитоэлектрической машины, возможна установка бесконтактных катушек усиления возбуждения ротора в пространство между ротором и статором, питание которых осуществляется от якорной обмотки магнитоэлектрической машины или от внешнего регулируемого источника тока, при этом катушка возбуждения с ротором в качестве сердечника образует электромагнит. Для регулировки выходного напряжения и тока, а также получения нескольких источников тока в режиме генератора, возможно укладка якорной обмотки из нескольких катушек с возможностью их параллельного или последовательного переподключения.A multiphase magnetoelectric machine consists of single-phase magnetoelectric machines mounted on a common shaft with angular displacement. To adjust the torque of the magnetoelectric machine, it is possible to install contactless rotor excitation amplification coils in the space between the rotor and the stator, the power of which is supplied from the anchor winding of the magnetoelectric machine or from an external adjustable current source, while the excitation coil with the rotor as the core forms an electromagnet. To adjust the output voltage and current, as well as to obtain several current sources in generator mode, it is possible to lay the anchor winding from several coils with the possibility of parallel or serial reconnection.

При применении магнитоэлектрической машины в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется:When using a magnetoelectric machine as a synchronous electric motor, the armature winding is powered by:

- от источника трехфазного переменного напряжения,- from a source of three-phase alternating voltage,

- от источника однофазного переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,- from a single-phase AC voltage source using a phase-shifting element,

- от m-фазного источника переменного напряжения,- from an m-phase AC voltage source,

- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,- from an m-phase variable voltage source of adjustable frequency,

- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря, в зависимости от показаний датчика углового положения ротора.- from a constant voltage source by means of a controlled inverter supplying a sinusoidal voltage to the armature winding phases, depending on the readings of the rotor angular position sensor.

При применении магнитоэлектрической машины в качестве двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора.When using a magnetoelectric machine as a direct current motor with independent excitation, the armature winding is supplied with rectangular voltage pulses from an electronic switch.

Магнитоэлектрическая машина может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной, пилообразной и т.п. формам, без постоянной составляющей, а также в качестве генератора постоянного тока через выпрямительный мост. Форма выходного сигнала зависит от геометрии зубцов ротора и статора.A magnetoelectric machine can also work as a synchronous m-phase generator of a sinusoidal EMF and as a synchronous m-phase generator of a variable EMF of rectangular, sawtooth, etc. forms, without a constant component, and also as a DC generator through a rectifier bridge. The shape of the output signal depends on the geometry of the teeth of the rotor and stator.

В настоящем полезной модели индуктор является ротором, а якорь - статором.In the present utility model, the inductor is the rotor and the armature is the stator.

Возможны исполнения магнитоэлектрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором показано на Фиг.1, с внутренним якорем и внешним индуктором показано Фиг.2.Possible versions of a magnetoelectric machine with an external armature and an internal inductor are shown in FIG. 1, with an internal armature and an external inductor, FIG. 2 is shown.

На фиг.1 показан общий вид магнитоэлектрической машины, с внешним якорем и внутренним индуктором, содержащей ферромагнитный зубчатый ротор 1, содержащий сердечник индуктора 2, намагниченный в аксиальном направлении тороидальный постоянный магнит 3 установлен по одну сторону от сердечника индуктора 2, поверхность другого полюса магнита 3 обеспечивает минимальный воздушный зазор в магнитной цепи, сердечник статора 4, элементарные зубцы 5 сердечника статора 4, экран статора 6, зубцы 7 экрана статора 6, зубцы 5 и зубцы 7 смещены относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления, сердечник статора 4 и экран статора 6 выполнены из магнитомягкого материала, выполнены в виде полых цилиндров, содержит также фазную якорную обмотку 8, немагнитный вал 9, катушку возбуждения 10.Figure 1 shows a General view of a magnetoelectric machine, with an external armature and an internal inductor containing a ferromagnetic gear rotor 1, containing the core of the inductor 2, axially magnetized toroidal permanent magnet 3 is installed on one side of the core of the inductor 2, the surface of the other pole of the magnet 3 provides minimum air gap in the magnetic circuit, stator core 4, elementary teeth 5 of stator core 4, stator screen 6, teeth 7 of stator screen 6, teeth 5 and teeth 7 are offset relative to each other a friend in the tangential direction by half the tooth division, the stator core 4 and the stator screen 6 are made of soft magnetic material, made in the form of hollow cylinders, also contains a phase armature winding 8, a non-magnetic shaft 9, an excitation coil 10.

На фиг.2 показан общий вид магнитоэлектрической машины с внутренним якорем и внешним индуктором, содержащей немагнитный ротор 1, содержащий зубчатый сердечник индуктора 2, намагниченный в аксиальном направлении тороидальный постоянный магнит 3, установленный по одну сторону от сердечника индуктора 2, поверхность другого полюса магнита обеспечивает минимальный воздушный зазор в магнитной цепи, сердечник статора 4, зубцы 5 сердечника статора 4, экран статора 6, элементарные зубцы 7 экрана статора 6, зубцы 5 и зубцы 7 смещены относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления, сердечник статора 4 и экран статора 6 выполнены из магнитомягкого материала, например в виде полых цилиндров, содержит фазную якорную обмотку 8, магнитный вал 9, крышку 10, выполненную из магнитомягкого материала.Figure 2 shows a General view of a magnetoelectric machine with an internal armature and an external inductor, containing a non-magnetic rotor 1, containing a toothed core of the inductor 2, axially magnetized toroidal permanent magnet 3 mounted on one side of the core of the inductor 2, the surface of the other magnet pole provides minimum air gap in the magnetic circuit, stator core 4, teeth 5 of stator core 4, stator screen 6, elementary teeth 7 of stator screen 6, teeth 5 and teeth 7 are offset relative to each other uga in the tangential direction by half the tooth division, the stator core 4 and the stator screen 6 are made of soft magnetic material, for example in the form of hollow cylinders, contains a phase anchor winding 8, a magnetic shaft 9, a cover 10 made of soft magnetic material.

Магнитоэлектрическая машина в режиме генератора работает следующим образом (фиг.1): в состоянии покоя, когда к ротору 1 не приложена внешняя сила, направленная на его вращение, силовые магнитные линии постоянного магнита 3 замкнуты по одной из магнитных цепей, например через индуктор 2, зубцы 5, сердечник статора 4 и магнитный полюс, или по другой магнитной цепи: индуктор 2, зубцы 7, экран статора 6 и магнитный полюс, при этом на ротор 1 действует удерживающий момент магнитного залипания.The magnetoelectric machine in generator mode operates as follows (Fig. 1): at rest, when no external force is applied to the rotor 1 to rotate it, the magnetic lines of the permanent magnet 3 are closed along one of the magnetic circuits, for example, through an inductor 2, teeth 5, the stator core 4 and the magnetic pole, or along another magnetic circuit: inductor 2, teeth 7, the stator screen 6 and the magnetic pole, while the holding moment of magnetic sticking acts on the rotor 1.

Под действием внешних устройств ротор 1 совершает вращательное движение. При вращении ротора 1, однополюсные зубцы индуктора 2, намагниченные постоянным магнитом 3, поочередно перекрывают зазоры в магнитных цепях сердечника статора 4 зубцами 5 и экрана статора 6 зубцами 7, при этом магнитное поле попеременно концентрируется то в одной, то в другой из этих цепей, одна цепь является сердечником, а другая - экраном якорной обмотки 8, в которой протекает индуцируемый магнитным полем ротора 1 переменный ток.Under the action of external devices, the rotor 1 rotates. When the rotor 1 rotates, the unipolar teeth of the inductor 2, magnetized by a permanent magnet 3, alternately overlap the gaps in the magnetic circuits of the stator core 4 with teeth 5 and the stator screen 6 with teeth 7, while the magnetic field is alternately concentrated in one or the other of these circuits, one circuit is the core, and the other is the screen of the anchor winding 8, in which an alternating current induced by the magnetic field of the rotor 1 flows.

Магнитоэлектрическая машина в режиме синхронного двигателя работает следующим образом (фиг.1): под действием напряжения переменного тока в якорной обмотке 8 за время, равное половине периода, будет индуцироваться магнитное поле, которое сконцентрируется по магнитным цепям разноименными полюсами на зубцах 5 и зубцах 7, так как зубцы ротора 1 являются однополюсными, то между ротором 1 и статором возникнет вращательный момент, ротор 1 и вал 9 провернется на одно зубцовое деление, следующую половину периода при смене направления тока в якорной обмотке 8, вал 9 повернется еще на одно зубцовое деление, далее цикл повторится.The magnetoelectric machine in the synchronous motor mode operates as follows (Fig. 1): under the action of an alternating current voltage in the armature winding 8 for a time equal to half the period, a magnetic field will be induced, which will concentrate along the magnetic circuits with opposite poles on teeth 5 and teeth 7, since the teeth of the rotor 1 are single-pole, there will be a rotational moment between the rotor 1 and the stator, the rotor 1 and the shaft 9 will rotate by one tooth division, the next half of the period when changing the direction of the current in the anchor skein 8, a shaft 9 rotates further one tooth division, then the cycle repeated.

Магнитоэлектрическая машина в режиме шагового двигателя работает следующим образом: под действием импульса тока в якорной обмотке 8 будет индуцироваться магнитное поле, которое сконцентрируется по магнитным цепям разноименными полюсами на зубцах 5 и зубцах 7, так как зубцы ротора 1 однополюсные, то между ротором 1 и статором 4 возникнет вращательный момент, ротор 1 и вал 9 провернется на один шаг, равный отношению длины дуги зубца к количеству фаз магнитоэлектрической машины, следующий импульс, поданный на другую фазу якорной обмотке 8, и вал 9 повернется еще на один шаг, и так далее.The magnetoelectric machine in the stepper motor mode operates as follows: under the influence of a current pulse in the armature winding 8, a magnetic field will be induced, which will concentrate along the opposite magnetic poles on the teeth 5 and teeth 7, since the teeth of rotor 1 are single-pole, then between rotor 1 and stator 4 there will be a torque, the rotor 1 and the shaft 9 will rotate one step equal to the ratio of the length of the tooth arc to the number of phases of the magnetoelectric machine, the next pulse applied to the other phase of the armature winding 8, and the shaft 9 will turn one step further, and so on.

Для управления вращением магнитоэлектрической машины в режиме шагового двигателя, необходимо электронное устройство.To control the rotation of the magnetoelectric machine in the stepper motor mode, an electronic device is required.

Магнитоэлектрической машины с внутренним якорем и внешним индуктором работает аналогичным образом.A magnetoelectric machine with an internal armature and an external inductor works in a similar way.

Положительным эффектом является увеличение эффективности по сравнению с прототипом, за счет увеличения рабочей площади полюсов якоря, вследствие отсутствия в нем пазов для укладки якорных обмоток. Следует отметить простоту укладки якорной обмотки, что повысит заполняемость и ремонтопригодность магнитоэлектрической машины при повышении технологичности.A positive effect is an increase in efficiency compared to the prototype, due to the increase in the working area of the poles of the armature, due to the lack of grooves for laying anchor windings. It should be noted the simplicity of laying the anchor winding, which will increase the occupancy rate and maintainability of the magnetoelectric machine while increasing manufacturability.

Заявленное техническое решение расширяет функциональные возможности магнитоэлектрической машины за счет регулирования в широком диапазоне входных и выходных параметров путем регулирования магнитной индукции ротора, и возможностью параллельно-последовательного переподключения якорных обмоток.The claimed technical solution extends the functionality of a magnetoelectric machine by regulating in a wide range of input and output parameters by regulating the magnetic induction of the rotor, and the possibility of parallel-series reconnection of the armature windings.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the essential features of the proposed technical solution with the essential features of the prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."

Совокупность признаков заявленного решения позволяют создать магнитоэлектрические машины, которые могут найти применение в автомобилестроении будущего в качестве мотор-генераторов.The totality of the features of the claimed solution allows you to create magnetoelectric machines that can find application in the automotive industry of the future as motor generators.

В гидроэнергетике вместо возведения плотин можно использовать по течению тихоходную турбину с магнитоэлектрической машиной, для отбора мощности естественного течения рек, выполненной согласно заявляемому изобретению. В ветроэнергетике можно использовать в качестве генератора с прямым приводом.In hydropower, instead of erecting dams, a low-speed turbine with a magnetoelectric machine can be used downstream to select the power of the natural flow of rivers made according to the claimed invention. In wind energy it can be used as a generator with direct drive.

Заявляемое техническое решение промышленно применимо, обладает новизной и существенно отличается от известных на дату подачи заявки решений аналогичного назначения, позволяет уменьшить массогабаритные характеристики электрических машин, расширить область использования и функциональные возможности электрических машин, повысить надежность и технологичность исполнения.The claimed technical solution is industrially applicable, has a novelty and differs significantly from solutions of a similar purpose known at the filing date of the application, it allows reducing the overall dimensions of electric machines, expanding the scope and functionality of electric machines, and increasing the reliability and manufacturability.

Claims

1. A magnetoelectric machine containing a rotor, a toothed core of an inductor, an axially magnetized toroidal permanent magnet, a phase anchor winding, a non-magnetic shaft, characterized in that the toroidal permanent magnet is installed by one pole on one side of the inductor core, the surface of the other of the magnet poles provides the minimum air gap in the magnetic circuit, the stator core and the stator screen each contain one clearly defined pole, on the inner surface of which there are electric fundamental teeth displaced relative to each other in the tangential direction by half of the tooth division on the side facing the tooth pole of the inductor, the core and the stator screen are made of soft magnetic material.

2. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that the permanent magnet is made integral.

3. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that the permanent magnet is made of several permanent magnets.

4. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that an electromagnet is mounted on the permanent magnet.

5. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that the anchor is located outside, the inductor inside.

6. The magnetoelectric machine according to claim 1, characterized in that the inductor is located outside, the anchor inside.