RU2076434C1

RU2076434C1 - Socket non-contact electric machine

Info

Publication number: RU2076434C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Михеев; А.И. Елшин; В.М. Казанский
Original assignee: Михеев Владимир Иванович
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1997-03-27

Abstract

FIELD: electric engineering. SUBSTANCE: each pole of pole system is designed as pair of magnetically soft prism-shaped bars 5, 6, which are shifted along axial rotor length and have permanent magnets 7-16. Cores 4 of first pole system are located inside magnetically soft rings which are tightly pressed against poles of second pole system and function as by-passes of magnets 9, 11. This results in maximal possible concentration of magnetic flux due to use of all non-working sides of prism-shaped bars of second p-pole system of rotor. In addition rings provide rigid connection of pole systems to rotor hub. EFFECT: decreased weight, increased reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к торцевым бесконтактным электрическим машинам. The invention relates to electrical engineering, in particular to end contactless electric machines.

Известна торцевая бесконтактная электрическая машина с внешнезамкнутым магнитопроводом, так называемая машина Александерсена (Домбур Л.Э. Аксиальные индукторные машины, Рига, Зинатне, 1984, с. 24), содержащая внешний магнитопровод, два торцевых статора и размещенный между ними зубчатый безобмоточный ротор. Электродвижущая сила в обмотках статора наводится за счет модуляции аксиального магнитного потока обмотки возбуждения в активной зоне явнополюсного ротора. A faceless non-contact electric machine with an externally closed magnetic circuit is known, the so-called Alexandersen machine (Dombur L.E. Axial induction machines, Riga, Zinatne, 1984, p. 24), containing an external magnetic circuit, two end stators and a gearless rotor located between them. The electromotive force in the stator windings is induced by modulating the axial magnetic flux of the field winding in the active zone of the explicit pole rotor.

Основным недостатком такой конструкции является низкая степень использования активных материалов из-за наличия существенной постоянной составляющей магнитного потока возбуждения, не участвующей в процессе преобразования энергии, но дополнительно загружающей магнитопровод. The main disadvantage of this design is the low degree of use of active materials due to the presence of a significant constant component of the magnetic flux of the excitation, not participating in the energy conversion process, but additionally loading the magnetic circuit.

Известна бесконтактная синхронная электрическая машина (Авт. св. N 213956, кл. МКИ Н 02 К 19/24), имеющая во впадинах между одноименными полюсами индуктора призматические постоянные магниты, ориентированные так, что они образуют магнитные полюса противоположной полярности. A non-contact synchronous electric machine is known (Aut. St. N 213956, class MKI N 02 K 19/24) having prismatic permanent magnets in the troughs between the same poles of the inductor, oriented so that they form magnetic poles of opposite polarity.

Недостатками такой конструкции являются:
необходимость применения постоянных магнитов с высокими значениями остаточного намагничивания В_r, определяющей величину рабочего потока магнита и значит степень модуля основного магнитного потока в воздушном зазоре и коэрцитивной силы Н_c, определяющей высоту магнита при данном зазоре и стабильность его магнитный свойств;
большой суммарный вес постоянных магнитов полюсной системы, практически равный весу магнитомягких полюсов;
сложность крепления постоянных магнитов в пазах цилиндрического ротора.The disadvantages of this design are:
the need to use permanent magnets with high values of residual magnetization B _r , which determines the magnitude of the working flux of the magnet and means the degree of the modulus of the main magnetic flux in the air gap and the coercive force H _c , which determines the height of the magnet at this gap and the stability of its magnetic properties;
the large total weight of the permanent magnets of the pole system, almost equal to the weight of the soft magnetic poles;
the difficulty of mounting permanent magnets in the grooves of a cylindrical rotor.

Известна также бесконтактная торцевая электрическая машина (регулируемый генератор) с постоянными магнитами (Авт.св. N 265250, кл. МКИ Н 02 К 21/08), содержащая между двумя торцевыми статорами ротор, полюсная система которого выполнена в виде брусков, аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов и чередующихся с ними магнитомягких полюсов противоположной полярности. Also known is a non-contact end-face electric machine (adjustable generator) with permanent magnets (Autosw. N 265250, class MKI N 02 K 21/08), which contains a rotor between two end stators, the pole system of which is made in the form of bars axially magnetized in one direction of permanent magnets and alternating with them soft magnetic poles of opposite polarity.

В такой конструкции остаются существенными вес постоянных магнитов и с учетом обеспечения высоких значений В_r и Н_c, их стоимость.In this design, the weight of the permanent magnets remains significant and, given the high values of B _r and H _c , their cost.

Известны бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами, использующие принцип концентрации магнитного потока (патент ЕПВ N 0327470, кл. МКИ Н 02 К 21/08, 1/28; патент СРР N 122617, кл. МКИ Н 02 К 1/22; патент США N 4631435, кл. МКИ Н 02 К 21/14. НКИ 310/156; патент США N 4481437, кл. МКИ Н 02 К 1/12, НКИ 310/191; патент Франции N 2627030, кл. МКИ Н 02 К 1/28, 21/08, 21/14; патент США N 4578610, кл. МКИ Н 02 К 21/12, НКИ 310/156 и др. ), обеспечивающие увеличение магнитного потока с рабочей поверхности магнитного полюса за счет специального расположения постоянных магнитов и магнитомягких сердечников. Non-contact electric permanent magnet machines using the principle of magnetic flux concentration (EPO patent N 0327470, class MKI N 02 K 21/08, 1/28; CPP patent N 122617, class MKI N 02 K 1/22; US patent N 4631435, CL MKI N 02 K 21/14. NCI 310/156; US patent N 4481437, CL MKI N 02 K 1/12, NCI 310/191; French patent N 2627030, CL MKI N 02 K 1 / 28, 21/08, 21/14; US patent N 4578610, class MKI N 02 K 21/12, NCI 310/156 and others), providing an increase in magnetic flux from the working surface of the magnetic pole due to the special arrangement of permanent magnets and soft magnetic cores.

Однако в таких конструкциях ограничены возможности концентрации магнитного потока из-за невозможности использования всех нерабочих поверхностей сердечников, конструктивной сложности крепления активных зон полюсов систем и сложности регулирования выходного напряжения. However, in such designs, the possibilities of magnetic flux concentration are limited due to the impossibility of using all non-working surfaces of the cores, the structural complexity of fixing the active zones of the poles of the systems, and the difficulty of regulating the output voltage.

Известна также торцевая бесконтактная электрическая машина комбинированного возбуждения (Авт. св. N 1193752, кл. МКИ⁴ H 02 K 21/24), принятая за прототип, имеющая два торцевых статора с рабочими обмотками, по крайней мере одну кольцевую обмотку возбуждения, установленную в неподвижном внешнем магнитопроводе, и ротор с 2р-полюсами, содержащий две магнитоизолированные Р-полюсные системы, одна из которых выполнена в виде сердечников из магнитомягкой стали, другая в виде аксиально намагниченных постоянных магнитов, с торцов которых установлены шайбы из магнитомягкого материала.Also known is an end contactless electric combined excitation machine (Aut. St. N 1193752, class MKI ⁴ H 02 K 21/24), adopted as a prototype, having two end stators with working windings, at least one annular field winding installed in a fixed external magnetic circuit, and a rotor with 2p poles, containing two magnetically insulated P-pole systems, one of which is made in the form of cores of soft magnetic steel, the other in the form of axially magnetized permanent magnets, from the ends of which washers are installed and soft magnetic material.

Такая конструкция обеспечивает увеличение концентрации магнитного потока и возможность глубокого регулирования выходного напряжения. This design provides an increase in the concentration of magnetic flux and the possibility of deep regulation of the output voltage.

Однако такая электрическая машина имеет значительный вес активных материалов из-за большого веса постоянных магнитов и низкой степени использования концентрации магнитного потока. However, such an electric machine has a significant weight of active materials due to the large weight of the permanent magnets and the low degree of utilization of the magnetic flux concentration.

Эта машина имеет сравнительно невысокую надежность из-за конструктивной сложности крепления вынесенных на периферию полюсных систем ротора. This machine has a relatively low reliability due to the structural complexity of mounting made on the periphery of the pole systems of the rotor.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о целесообразности создания торцевой бесконтактной электрической машины с меньшим весом и более высокой надежностью. Analysis of the prior art indicates the feasibility of creating an end contactless electric machine with less weight and higher reliability.

Это достигается в торцевой бесконтактной электрической машине, содержащей два статора с обмотками, по крайней мере одну кольцевую обмотку возбуждения, установленную в неподвижном внешнем магнитопроводе, и ротор, состоящий из двух магнитоизолированных Р-полюсных систем, причем сердечники одной из систем выполнены из магнитомягкой стали, сердечники другой системы выполнены из магнитомягких призматических брусков, по всем граням которых кроме граней, обращенных к статорам, прикреплены плоские постоянные магниты, а зубцы ротора, являющиеся магнитными шунтами для магнитов, размещенных на боковых гранях брусков, расположены внутри двух магнитомягких колец, плотно прилегающих к полюсам ротора и являющихся шунтами для магнитов, установленных на верхних и нижних гранях призматических брусков. This is achieved in a non-contact electrical end machine containing two stators with windings, at least one annular field winding installed in a stationary external magnetic circuit, and a rotor consisting of two magnetically insulated P-pole systems, the cores of one of the systems being made of soft magnetic steel, the cores of another system are made of soft soft prismatic bars, on all faces of which, in addition to the faces facing the stators, flat permanent magnets are attached, and the teeth of the rotor, which are Magnetic shunts for magnets located on the side faces of the bars are located inside two soft magnetic rings that are tightly adjacent to the poles of the rotor and are shunts for magnets mounted on the upper and lower faces of the prismatic bars.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой электрической машины, на фиг. 2 продольный разрез ротора вдоль оси его магнитного полюса и на фиг. 3 вид сверху развернутого разреза полюсной системы ротора вдоль среднего диаметра с указанием путей замыкания потоков магнитов и обмотки возбуждения. In FIG. 1 shows a general view of the proposed electric machine, FIG. 2 is a longitudinal section through the rotor along the axis of its magnetic pole, and in FIG. 3 is a top view of an expanded section of the pole system of the rotor along the average diameter, indicating paths of closure of the fluxes of magnets and the field winding.

Электрическая машина (фиг. 1) имеет два статора 1 с рабочими обмотками, кольцевую обмотку возбуждения 2, внешний магнитопровод 3 и ротор, состоящий из двух Р-полюсных систем противоположной полярности, одна из которых состоит из магнитомягких полюсов 4, а другая выполнена из магнитомягких сердечников 5, 6 в виде призматических брусков, между которыми расположены постоянные магниты 7, 8, к верхним граням прикреплены магниты 9, 10, к нижним 11, 12, а к боковым граням брусков прикреплены магниты 13 16. Магнитомягкие кольца 17, 18 охватывают обе полюсные системы и посредством немагнитных колец 19 и 20 крепят полюсные системы ротора к ступице 21. The electric machine (Fig. 1) has two stators 1 with working windings, an annular field winding 2, an external magnetic circuit 3 and a rotor consisting of two P-pole systems of opposite polarity, one of which consists of soft magnetic poles 4, and the other is made of soft magnetic cores 5, 6 in the form of prismatic bars, between which permanent magnets 7, 8 are located, magnets 9, 10 are attached to the upper faces, 11, 12 to the lower faces, and magnets 13 16 are attached to the side faces of the bars. Magnetically soft rings 17, 18 cover both pole system through non-magnetic rings 19 and 20, we fix the pole systems of the rotor to the hub 21.

Электрическая машина работает следующим образом. The electric machine operates as follows.

При питании кольцевой обмотки возбуждения 2 (фиг. 1) постоянным током создается основной магнитный поток Ф₀, проходящий через внешний магнитопровод 3, статоры 1, магнитомягкие полюса 4 ротора и рабочие воздушные зазоры (фиг. 1).When feeding the annular excitation winding 2 (Fig. 1) with direct current, the main magnetic flux Φ _{0 is created} , passing through the external magnetic circuit 3, stators 1, soft magnetic poles 4 of the rotor and working air gaps (Fig. 1).

Магнитные потоки постоянных магнитов 7^oC16 (фиг. 2 и 3) магнитных полюсов концентрируются в зонах граней сердечников 5 и 6, обращенных к статорам 1. Постоянные магниты 7, 8 создают поток Ф₇₈, а магниты 9, 10 поток Ф₉₁₀, причем кольцо 17 является частью магнитопровода, обеспечивающего прохождение этого потока. В магнитопровод для потока Ф₁₁₁₂, созданного магнитами 11, 12, включено кольцо 18. Магнитные потоки Ф₁₃₁₄ и Ф₁₅₁₆ используют в качестве магнитной арматуры магнитомягкие полюса 4 ротора. Суммарный поток магнитов Ф_м в зоне рабочих зазоров направлен вторично потоку Ф_о и ограничивает проникновение магнитного потока Ф_о в паз (магнитный полюс), снижает величину постоянной составляющей потока Ф_о и увеличивает амплитуду первой гармонической составляющей потока Ф_о. Коэффициент концентрации магнитного потока в такой системе может достигать величины 5 6 и более.Magnetic fluxes of permanent magnets 7 ^o C16 (Fig. 2 and 3) of the magnetic poles are concentrated in the areas of the faces of the cores 5 and 6 facing the stators 1. Permanent magnets 7, 8 create a flux Ф ₇₈ , and magnets 9, 10 a flux Ф ₉₁₀ , and the ring 17 is part of the magnetic circuit, providing the passage of this stream. A ring 18 is included in the magnetic circuit for the flux Ф ₁₁₁₂ created by magnets 11, 12. Magnetic fluxes Ф ₁₃₁₄ and Ф ₁₅₁₆ use magnetically soft rotor poles 4 as magnetic reinforcement. The total flux of magnets Ф _m in the zone of working gaps is directed secondary to the flux Ф _о and limits the penetration of the magnetic flux Ф _о into the groove (magnetic pole), reduces the constant component of the flux Ф _о and increases the amplitude of the first harmonic component of the flux Ф _о . The concentration coefficient of the magnetic flux in such a system can reach 5 6 or more.

Это позволяет при использовании относительно дешевых магнитов типа феррит барий, имеющих величины рабочих индукций порядка 0,2 0,22 Т, добиться индукции в воздушном зазоре 1 Т и более. Суммарный магнитный поток магнитов Ф_м замыкается как по пути основного магнитного потока Ф_о, так и через соединение магнитомягкие полюса (аналогично нормальным синхронным переменнополюсным машинам). При вращении ротора за счет изменения амплитуды и знака магнитного потока относительно неподвижной рабочей обмотки статора 1 в рабочей обмотке будет наводиться электродвижущая сила требуемой величины и частоты.This makes it possible to use induction in the air gap of 1 T or more when using relatively cheap magnets such as barium ferrite, having working induction values of the order of 0.2 0.22 T. The total magnetic flux of magnets Ф _{m is} closed both along the path of the main magnetic flux Ф _о and through the connection of soft magnetic poles (similar to normal synchronous alternating-pole machines). When the rotor rotates due to a change in the amplitude and sign of the magnetic flux relative to the stationary working winding of the stator 1, an electromotive force of the required magnitude and frequency will be induced in the working winding.

В предлагаемой торцевой бесконтактной электрической машине обеспечиваются лучшее использование активных материалов и меньший суммарный вес машины за счет максимально возможной концентрации магнитного потока постоянных магнитов при использовании всех нерабочих (не обращенных к статорам) граней призматических брусков сердечников магнитных полюсов. The proposed end-contact non-contact electric machine provides the best use of active materials and lower total weight of the machine due to the maximum possible concentration of magnetic flux of permanent magnets when using all non-working (not facing the stator) faces of the prismatic bars of the magnetic pole cores.

Также сведена до минимума возможность появления потоков рассеяния постоянных магнитов шунтированием одних магнитомягкими кольцами, а других магнитомягкими полюсами ротора. The possibility of the appearance of permanent magnet scattering fluxes by shunting some magnetically soft rings and others with magnetically soft poles of the rotor is also minimized.

Предложенная электрическая машина имеет более высокую надежность за счет повышения надежности конструкции ротора применением колец, которые обеспечивают жесткое крепление полюсной системы (или полюсных систем) к ступице ротора. The proposed electric machine has higher reliability by increasing the reliability of the rotor design by using rings that provide rigid fastening of the pole system (or pole systems) to the rotor hub.

Claims

An end contactless electric machine containing two stators with windings, at least one field winding installed in a fixed external magnetic circuit, and a rotor composed of two p-pole systems, the cores of the first p-pole system being made of soft magnetic steel, characterized in that each pole of the second p-pole system is made of a pair of soft magnetic prismatic bars offset along the axial length of the rotor, to all faces of which, except for the faces facing the stators, are attached flat along thawed magnets, and the cores of the first p-pole system, which are magnetic shunts for magnets placed on the side faces of the bars of the second p-pole system, are located inside two soft magnetic rings that are tightly adjacent to the poles of the second p-pole system and are shunts for magnets installed on the upper and lower faces of the pole bars.