RU2437203C1

RU2437203C1 - Non-contact reduction magnetoelectric machine with axial excitation

Info

Publication number: RU2437203C1
Application number: RU2010140672/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Чернухин (RU); Владимир Михайлович Чернухин
Original assignee: Владимир Михайлович Чернухин
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2011-12-20

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: invention refers to the design of non-contact magnetic electric machines with electromagnetic reduction with axial excitation from constant magnets and can be used in automation systems, in military and space engineering, in domestic equipment, as motorised wheels, motorised drums, starter-generators, electric steering wheel boosters, lifting mechanisms, electric drives of concrete mixers, belt conveyors, liquid transfer pumps, mechanisms with high torques on the shaft and low frequencies of the shaft rotation, as direct drives without using any mechanical reduction gears, as direct drives without using any mechanical reduction gears, as well as wind-driven generators, hydraulic generators, high-frequency electric generators, synchronous frequency converters, and as controlled stepped hybrid motors. Non-contact magnetic electric reduction machine with axial excitation includes stator the armature core of which consists of insulated electrotechnical steel plates with high magnetic permeability, and has salient poles on inner surface of which there are elementary teeth, coil m-phase armature winding, each coil of which is arranged on the appropriate salient pole of armature, and ferromagnetic rotor without winding, which contains inductor with odd and even toothed cores with equal number of teeth on each core; odd and even toothed cores of inductor are made in the form of packs consisting of insulated electrotechnical steel plates with high magnetic permeability; number of inductor cores is not less than two; even inductor cores are offset relative to odd ones in tangential direction through the half of their toothed division; between magnetic conductors of inductor there located are ring-shaped layers of segmental constant magnets axially magnetised in one direction. At that, for serviceability of non-contact magnetic electric reduction machine with axial excitation there shall be met certain relations between the number of salient poles of armature, number of elementary teeth on salient pole of armature, number of salient poles of armature in phase, total number of armature teeth, number of teeth on each inductor core and number of phases of m-phase armature winding. ^ EFFECT: manufacture of high-technology constructions of non-contact magnetic electric reduction machines with axial excitation with high electromagnetic reduction and enlarged capabilities of their application at maintaining high energy parameters and operating characteristics. ^ 5 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных магнитоэлектрических машин с электромагнитной редукцией с аксиальным возбуждением от постоянных магнитов и может быть использовано в системах автоматики, в военной технике, в космической технике, в бытовой технике, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, грузоподъемных механизмов, электроприводов бетоносмесителей, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами вращения вала, в качестве прямых приводов без применения механических редукторов, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, синхронных преобразователей частоты и в качестве управляемых шаговых гибридных двигателей.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to low-speed high-torque electric motors, electric drives and generators, for the design of non-contact magnetoelectric machines with electromagnetic reduction with axial excitation from permanent magnets and can be used in automation systems, in military equipment, in space technology, in household appliances, as motor wheels, motor drums, starter generators, electric power steering, hoisting mechanisms, electric drives of concrete mixers, conveyor belts, pumps for pumping liquids, mechanisms with high moments on the shaft and low shaft speeds, as direct drives without the use of mechanical gears, as well as wind generators, hydrogenerators, high-frequency electric generators, synchronous frequency converters and as controlled stepper hybrid motors.

Известен синхронный редукторный двигатель (Патент RU 2054220 C1, МПК6 H02K 37/00, H02K 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+K)±p (где K=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·(p-1) катушками, соединен с «началом» третьей ветви, образованной 3, 7, …, 3+4·(p-1) катушками, и точка соединения этих ветвей подключена к первому выводу обмотки, «конец» второй ветви, образованной 2, 6, …, 2+4·(p-1) катушками, соединен с «началом» четвертой ветви, образованной 4, 8, …, 4+4·(p-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 описанного синхронного редукторного двигателя являются невысокие энергетические показатели. Кроме этого, указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.Known synchronous geared motor (Patent RU 2054220 C1, IPC6 H02K 37/00, H02K 19/06, authors: Shevchenko AF; Kaluzhsky DL), containing a rotor with Z _p teeth and a stator with 4 · p poles ( p = 1, 2, 3, ...), on the inner surface of which there are elementary teeth with Z _s teeth at each pole, with Z _r = 4 · p · (Z _s + K) ± p (where K = 0, 1, 2, ... is an integer), single-phase winding coils are placed in large grooves between the poles, one at each pole, coils located at the same poles with numbers differing by 4 are connected in series from the “end” to the “beginning” and form four branches, the “end” of the first branch formed by 1, 5, ..., 1 + 4 · (p-1) coils, is connected to the “beginning” of the third branch formed by 3, 7, ..., 3 + 4 · (p-1 ) by coils, and the connection point of these branches is connected to the first output of the winding, the “end” of the second branch formed by 2, 6, ..., 2 + 4 · (p-1) coils is connected to the “beginning” of the fourth branch formed by 4, 8 , ..., 4 + 4 · (p-1) coils and the connection point of these branches through a series-connected capacitor is also connected to the first terminal, and two diodes are connected to the second terminal in such a way that with the anode of the first one ineny first and fourth branches, and the cathode of the second diode - the second and third branches. The disadvantage of the described synchronous gear motor are low energy performance. In addition, these technical devices are most often performed with small air gaps, which complicates their manufacture in mass (mass) production.

Известен принятый за прототип бесконтактный моментный электродвигатель (Патент RU 2285322 C1, МПК H02K 21/00, автор Епифанов O.K.), содержащий магнитомягкий кольцевой пазовый статор с Р явно выраженными зубчатыми полюсами и с сосредоточенной m-фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса статора, и ротор, выполненный в виде двух соосно расположенных кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора, развернутых относительно друг друга на половину своего зубцового деления, между которыми размещен кольцевой слой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, причем зубчатые полюса статора и зубчатые магнитопроводы ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором δ, а зубцы на магнитопроводах ротора и на полюсах статора выполнены с равномерными и равными друг другу зубцовыми делениями T_Z, ротор снабжен немагнитной втулкой толщиной, большей половины толщины b_M слоя постоянных магнитов, на которой установлены и закреплены неподвижно относительно друг друга зубчатые магнитопроводы ротора равной друг другу активной осевой длиной L_p и кольцевой слой постоянных магнитов, при этом число m фаз m-фазной обмотки якоря выполнено кратным трем, определяемым как m=2^f±1, где f равно 1, 2, 3, …, а явно выраженные зубчатые полюса на пазовом статоре расположены равномерно, при этом их число определяется как Р=2m·2^S, где s равно 0, 1, 2, …, а на каждом зубчатом полюсе статора симметрично относительно его оси размещено нечетное число зубцов Z_C толщиной b_ZC, при этом оси зубцов соседних зубчатых полюсов статора смещены относительно друг друга на величину, пропорциональную отношению ±T_Z к m, причем соседние полюса статора разделены шлицом шириной b_Ш не менее десятикратной величины воздушного зазора, определяемой из соотношения b_Ш=T_Z·[(1±1/m)-b_ZC/T_Z], а число зубцов Z_R на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора выполнено кратным 2ⁿ при n, равном 2, 3, 4, …, определяемым как Z_R=Р·(Z_C±1/m), при этом толщина зубцов b_ZP каждого из зубчатых магнитопроводов ротора выполнена равной половине его зубцового деления T_Z и связана с толщиной зубцов зубчатых полюсов статора b_ZC соотношением 2/3≤b_ZC/b_ZP≤1, а катушки обмотки якоря одной фазы, отстоящие друг от друга на число полюсных делений статора, равное числу m фаз, соединены последовательно-согласно, при этом активная осевая длина L_C кольцевого пазового статора с зубчатыми полюсами определяется из соотношения L_C=(2L_Р+b_M), причем кольцевые зубчатые магнитопроводы ротора расположены относительно кольцевого пазового статора аксиально симметрично. Недостатком прототипа является выполнение числа m фаз m-фазной обмотки якоря только кратным трем, числа явно выраженных зубчатых полюсов статора только четным, числа зубцов на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора только кратным 2ⁿ при n, равном 2, 3, 4, …, числа зубцов, размещенных на каждом полюсе статора, только нечетным, толщины зубцов b_ZP каждого из зубчатых магнитопроводов ротора равной только половине его зубцового деления T_Z. Это снижает возможные конструктивные исполнения данного технического устройства и возможности его использования.Known adopted for the prototype non-contact torque motor (Patent RU 2285322 C1, IPC H02K 21/00, author Epifanov OK), containing a soft magnetic ring groove stator with P distinct toothed poles and with a concentrated m-phase winding of the armature, made in the form of coils covering stator poles, and the rotor, made in the form of two coaxially arranged ring gear magnetically soft magnetic rotor cores, deployed relative to each other by half of their tooth division, between which an axial axial layer is placed no magnetized in one direction of the permanent magnets, wherein the toothed stator poles and tooth rotor yokes facing each other and separated by an air gap δ, and the teeth on the rotor yoke and the stator poles are made with uniform and equal to each other claw graduations T _Z, the rotor is provided with a nonmagnetic sleeve thickness greater than half the thickness of the layer b _M permanent magnets, which are installed and are fixed relative to one another toothed rotor magnetic circuits equal to each other axial active d a L _p and the annular layer of permanent magnets, with the number m of phases m-phase armature winding formed multiple of three, defined as m = 2 ^f ± 1, where f is 1, 2, 3, ... and salient toothed poles on grooves the stator are evenly spaced, while their number is defined as P = 2m · 2 ^S , where s is 0, 1, 2, ..., and on each tooth pole of the stator symmetrically about its axis there is an odd number of teeth Z _C with thickness b _ZC , while axis adjacent gear teeth of the stator poles are offset relative to one another by an amount proportional relation ± T _Z to m, Rich adjacent stator poles divided Slot width _W b of at least tenfold the air gap defined by the relation _W b = T _Z · [(1 ± 1 _{_{/ m) -b ZC / T Z}} ], and the number of teeth Z _R in each of the gear the rotor cores is made a multiple of 2 ⁿ with n equal to 2, 3, 4, ..., defined as Z _R = P · (Z _C ± 1 / m), while the thickness of the teeth b _{ZP of} each of the cogged rotor cores is equal to half of its dividing T _Z and is linked with the toothed stator pole teeth thickness b _ZC ratio 2 / 3≤b _ZC / b _ZP ≤1, and winding the armature coils of one phase spaced al g from each other by the number of pole stator divisions equal to m phase number, connected in series, in accordance, with the active axial length L _C of the annular grooved stator toothed poles is determined by the relation L _C = (2L _P + b _M), wherein the annular toothed yokes rotors are located relative to the annular groove stator axially symmetrically. The disadvantage of the prototype is that the number of m phases of the m-phase armature winding is only a multiple of three, the number of pronounced toothed poles of the stator is only even, the number of teeth on each of the toothed magnetic circuits of the rotor is only a multiple of 2 ⁿ with n equal to 2, 3, 4, ..., the number teeth placed at each pole of the stator, only odd, the thickness of the teeth b _{ZP of} each of the tooth magnetic circuits of the rotor equal to only half of its tooth division T _Z. This reduces the possible design of this technical device and the possibility of its use.

Целью настоящего изобретения является создание при выполнении достаточно простой, надежной в эксплуатации, технологичной и высокоремонтопригодной с расширенными возможностями конструктивного исполнения и расширенными возможностями использования бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением при сохранении высоких энергетических показателей и большого удельного вращающего момента на валу при высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя и при большой удельной мощности и высокой электромагнитной редукции частоты ЭДС в режиме электрического генератора.The aim of the present invention is to provide, when performing a sufficiently simple, reliable, technologically advanced and highly repairable, with expanded design capabilities and expanded capabilities of using a non-contact gear magnetoelectric machine with axial excitation while maintaining high energy performance and high specific torque on the shaft with high electromagnetic frequency reduction rotation in electric motor mode and with large full power and high electromagnetic frequency reduction EMF in the mode of an electric generator.

Задачей настоящего изобретения является установление связи между числом полюсов якоря, числом фаз сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря, общим числом зубцов якоря и числом зубцов каждого сердечника индуктора, а также разработка алгоритма построения схемы соединений m-фазной катушечной обмотки якоря бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением.The objective of the present invention is to establish a relationship between the number of poles of the armature, the number of phases concentrated on the poles of the armature of the m-phase coil winding of the armature, the total number of teeth of the armature and the number of teeth of each core of the inductor, as well as the development of an algorithm for constructing a circuit diagram of the m-phase coil winding of the armature of a non-contact gearbox axially excited magnetoelectric machine.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение высокотехнологичных конструкций бесконтактных редукторных магнитоэлектрических машин с аксиальным возбуждением с высокой электромагнитной редукцией и расширенными возможностями их применения при сохранении высоких энергетических показателей и эксплуатационных характеристик.The technical result of the present invention is to obtain high-tech designs of non-contact gear magnetoelectric gears with axial excitation with high electromagnetic reduction and advanced features of their application while maintaining high energy performance and operational characteristics.

С целью достижения задачи и технического результата изобретения статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, катушечную m-фазную обмотку якоря с возможностью применения каркасных катушек, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, безобмоточный ферромагнитный ротор, содержащий индуктор с нечетными и четными зубчатыми сердечниками с одинаковым числом зубцов на каждом сердечнике, сердечники индуктора могут быть выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, при наличии сердечников индуктора более двух, активная длина сердечников в аксиальном направлении, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше активной длины крайних сердечников, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных в тангенциальном направлении на половину своего зубцового деления, сердечники индуктора, выполненные в виде шихтованных пакетов, напрессованы на соответствующие втулки, изготовленные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью, являющиеся магнитопроводами индуктора и насаженные на немагнитную втулку, толщина которой в радиальном направлении значительно превышает величину воздушного зазора между статором и ротором, явно выраженные зубчатые полюса якоря и зубчатые сердечники индуктора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, между магнитопроводами индуктора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении сегментарных постоянных магнитов, создающих униполярное постоянное магнитное поле возбуждения индуктора в воздушном зазоре, для машин с малыми диаметрами роторов возможно применение цельных кольцеобразных постоянных магнитов, число кольцевых слоев сегментарных постоянных магнитов на один меньше числа сердечников индуктора, зубцово-пазовая зона якоря выполнена «гребенчатой» распределенной, ширина коронок зубцов каждого сердечника индуктора определяется равенством b_Z2=k·t_Z2, ширина коронок элементарных зубцов, расположенных на явно выраженных полюсах якоря, определяется равенством b_Z1=k·t_Z1, при этом t_Z1 и t_Z2 представляют собой зубцовые деления явно выраженных полюсов якоря и сердечников индуктора соответственно, коэффициент k=0,38÷0,5 и его значение выбирается в зависимости от формы переменного тока источника питания при работе машины в режиме электрического двигателя и от формы переменной ЭДС якоря при работе машины в режиме электрического генератора.In order to achieve the objective and the technical result of the invention, the stator contains a lined core of the armature with distinct poles, on the inner surface of which elementary teeth are made, a coil m-phase winding of the armature with the possibility of using frame coils, each coil of which is placed on the corresponding clearly defined pole of the armature one at the pole, a non-winding ferromagnetic rotor containing an inductor with odd and even toothed cores with the same number of teeth on each core, heart inductor nicknames can be made in the form of packets drawn from insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability, the number of inductor cores is at least two, the active length of the outermost cores of the inductor in the axial direction is the same, if there are more than two inductor cores, the active length of the cores in the axial direction located between the extreme cores of the inductor, two times the active length of the extreme cores, even cores of the inductor are offset relative to odd in t halfway through its tooth division, the inductor cores made in the form of burnt bags are pressed onto the corresponding bushings made of magnetically soft steel with high magnetic permeability, which are the inductor magnetic cores and mounted on a non-magnetic sleeve, the radial thickness of which is much greater than the air gap between the stator and the rotor, the pronounced toothed poles of the armature and the toothed cores of the inductor are facing each other and are divided into air gap, between the magnetic circuits of the inductor there are ring layers of axially magnetized in one direction segmental permanent magnets, creating a unipolar constant magnetic field for exciting the inductor in the air gap, for machines with small rotor diameters it is possible to use solid ring-shaped permanent magnets, the number of ring layers of segmental permanent magnets per less than the number of inductor cores, the tooth-groove zone of the armature is “comb-shaped” distributed, the width of the tooth crowns in each core of the inductor is defined by b _{_Z2} = k · t _Z2, the width of crowns elementary teeth disposed on the salient poles of the armature is defined by the equation b _{_Z1} = k · t _Z1, wherein t _Z1 and t _Z2 represent claw dividing salient poles of the armature and core of the inductor, respectively, the coefficient k = 0.38 ÷ 0.5 and its value is selected depending on the shape of the alternating current of the power source when the machine is in electric motor mode and on the shape of the variable EMF of the armature when the machine is in electric mode Ator.

Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина с аксиальным возбуждением может работать в режиме неуправляемой и управляемой синхронной машины, в режиме управляемого шагового двигателя и в режиме управляемого двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.A non-contact axial field magnetoelectric reduction gear machine can operate in an uncontrolled and controlled synchronous machine mode, in a stepper motor controlled mode and in a controlled direct current motor mode with independent excitation.

При применении бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря может осуществляться:When using a non-contact gear magnetoelectric machine with axial excitation as a synchronous electric motor, power supply to the armature winding can be carried out:

- 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 постоянной частоты,- from an m-phase source of alternating voltage of constant frequency,

- 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 для достижения максимального вращающего момента.- from a constant voltage source by means of a controlled inverter supplying a sinusoidal voltage to the phases of the armature winding, depending on the readings of the rotor angular position sensor to achieve maximum torque.

При применении бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением в качестве шагового двигателя питание обмотки якоря может осуществляется от источника питания, подающего на обмотку якоря импульсы напряжения по определенному алгоритму в определенный момент времени. При этом для удержания ротора в необходимом положении может быть применен механизм пофазного электромагнитного арретирования.When using a non-contact gear magnetoelectric machine with axial excitation as a stepper motor, the armature winding can be powered from a power source that supplies voltage pulses to the armature winding according to a certain algorithm at a certain point in time. Moreover, to keep the rotor in the required position, a phase-by-phase electromagnetic locking mechanism can be applied.

При применении бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением 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. При этом коэффициент k выбирается равным 0,5.When using a non-contact gear magnetoelectric machine with axial excitation as a direct current motor with independent excitation, the armature winding is supplied with rectangular voltage pulses from the electronic switch according to a certain algorithm depending on the readings of the rotor angular position sensor to achieve maximum torque. In this case, the coefficient k is chosen equal to 0.5.

Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина с аксиальным возбуждением может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной или трапециедальной формы без постоянной составляющей.A non-contact axially excited magnetoelectric reduction gear machine can also operate as a synchronous m-phase generator of a sinusoidal EMF and as a synchronous m-phase generator of a variable EMF of rectangular or trapezoidal shape without a constant component.

В настоящем изобретении индуктор является ротором, а якорь - статором. Возможны исполнения бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.In the present invention, the inductor is the rotor and the armature is the stator. Possible designs of a non-contact gear magnetoelectric machine with axial excitation with an external armature and an internal inductor, with an internal armature and an external inductor.

Сущность изобретения поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

фиг.1÷4 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов сердечников якоря и индуктора, схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря и векторных диаграмм токов, протекающих по обмоткам якоря,figure 1 ÷ 4 - examples of the invention in the form of cross sections of the cores of the armature and inductor, the connection diagrams of the coils of the m-phase windings of the armature and vector diagrams of the currents flowing along the windings of the armature,

фиг.5 - общий вид бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором с тремя сердечниками индуктора.5 is a General view of a contactless gear magnetoelectric machine with axial excitation with an external armature and an internal inductor with three cores of the inductor.

В соответствии с настоящим изобретением между числом явно выраженных полюсов якоря Z_1P, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, общим числом зубцов якоря Z₁ и числом зубцов каждого сердечника индуктора Z₂ бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением установлена предельная связь, необходимая для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу, которая выражается равенствами (1), (2), (3):In accordance with the present invention, between the number of pronounced poles of the armature Z _1P , the number of phases of the m-phase coil winding of the armature m = 3, 4, 5, 6, ..., the total number of teeth of the armature Z ₁ and the number of teeth of each core of the inductor Z ₂ contactless gear the magnetoelectric machine with axial excitation established the limiting connection necessary for the machine to work and obtain the best energy performance at the maximum specific moment on the shaft, which is expressed by equalities (1), (2), (3):

где Z_1m=1, 2, 3, 4, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе, Z_1S=1, 2, 3, 4, … - число зубцов на явно выраженном полюсе якоря, K=0, 1, 2, 3, … - целое неотрицательное число, t_Z1=360°/(Z_1P·(Z_1S+K)) и t_Z2=360°/Z₂ определяются в угловом измерении.where Z _1m = 1, 2, 3, 4, ... is the number of pronounced anchor poles in the phase, Z _1S = 1, 2, 3, 4, ... is the number of teeth on the pronounced anchor pole, K = 0, 1, 2 , 3, ... is a non-negative integer, t _Z1 = 360 ° / (Z _1P · (Z _1S + K)) and t _Z2 = 360 ° / Z _{2 are} determined in the angular measurement.

Катушки m-фазной обмотки якоря в фазе соединены между собой встречно в магнитном отношении. Начало фазы обмотки может принадлежать любой катушке в фазе. Расположение катушек фаз на полюсах якоря вдоль расточки статора осуществляется в соответствии с чередованием фазных токов на векторной диаграмме. Фазы обмотки якоря могут быть соединены между собой «в звезду» либо «в многоугольник».The coils of the m-phase armature winding in phase are interconnected counter magnetically. The start of the winding phase can belong to any coil in the phase. The arrangement of phase coils at the poles of the armature along the stator bore is carried out in accordance with the alternation of phase currents in the vector diagram. The phases of the armature winding can be interconnected “into a star” or “into a polygon”.

На фиг.1÷4 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3) в виде поперечных разрезов сердечника якоря и нечетных и четного пакетов индуктора бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением, схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря при их включении на источники напряжений в двигательном режиме и векторных диаграмм токов, протекающих по обмотке якоря. Соответствие фигур чертежей поперечных разрезов сердечников якоря и индуктора и фигур схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице 1. Положение сердечников индуктора относительно сердечника якоря на фигуре в двигательном режиме, положение векторов токов на векторной диаграмме и направления токов, протекающих по катушкам обмотки якоря, на соответствующей фигуре схемы соединений катушек m-фазной обмотки якоря бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением показаны в один и тот же момент времени.Figure 1 ÷ 4 presents examples of the invention in accordance with formulas (1), (2), (3) in the form of cross sections of the core of the armature and the odd and even packets of the inductor of a contactless gear magnetoelectric machine with axial excitation, wiring diagrams of coils m- phase windings of the armature when they are connected to voltage sources in the motor mode and vector diagrams of currents flowing along the armature winding. The correspondence of the figures of the cross-sectional drawings of the armature and inductor cores and the figures of the connection diagrams of the coils of the m-phase armature windings is explained in Table 1. The position of the inductor cores relative to the armature core in the figure in the motor mode, the position of the current vectors in the vector diagram and the direction of the currents flowing along the winding coils the anchors, in the corresponding figure of the connection diagram of the coils of the m-phase winding, the anchors of a contactless gear magnetoelectric machine with axial excitation are shown in the same moment of time.

Таблица 1Table 1 Соответствие фигур чертежей поперечных разрезов сердечника якоря, нечетных и четного сердечников индуктора и фигур схем соединений катушек m-фазных обмоток якоряThe correspondence of the figures of the drawings of the transverse sections of the core of the armature, the odd and even cores of the inductor and the figures of the connection diagrams of the coils of the m-phase armature windings ФигураFigure mm Z_1m Z _1m Z_1P Z _1P Z_1S Z _1S KK Z₁ Z ₁ Z₂ Z ₂ чертежа поперечного
разрезаtransverse drawing
cut схемы соединений катушек обмоткиwinding coil connections 1one 22 33 33 99 4four 1one 3636 4848 33 4four 4four 22 88 4four 22 3232 50fifty

Рассмотрим конструкцию бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 1 якоря выполнен шихтованным пакетом из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в магнитопроводе 2, изготовленном из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью. На каждом явно выраженном полюсе 13 якоря размещены элементарные зубцы 14. На полюсах 13 сосредоточена катушечная m-фазная обмотка 3 якоря, катушки которой выполнены из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. При изготовлении якоря с открытыми пазами катушки обмотки могут быть намотаны на станках на неэлектропроводящие каркасы и, затем, вместе с каркасами закреплены на полюсах якоря. Индуктор при помощи подшипников 4, вала 5 и подшипниковых щитов 6 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из стали или из титана. Если вал 5 магнитный, то на нем закреплена немагнитная втулка 16, толщина которой в радиальном направлении значительно превышает воздушный зазор между статором и ротором. Немагнитная втулка 16 может быть выполнена из сплавов алюминия, из меди, титана, нержавеющей стали. Если вал 5 выполнен немагнитным, то втулка 16 может не устанавливаться. На немагнитной втулке 16 насажены втулки 10, 11 и 12, выполненные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющиеся магнитопроводами индуктора, на втулках 10 и 12 напрессованы соответственно нечетные 7 и 9 сердечники индуктора, на втулке 11 напрессован четный сердечник 8 индуктора. Активная длина двух крайних сердечников 7 и 9 индуктора в аксиальном направлении одинакова, длина находящегося между ними сердечника 8 индуктора в два раза больше длины крайних сердечников 7 и 9. Сердечники 7, 8 и 9 индуктора могут представлять собой шихтованные из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакеты и имеют одинаковое число на каждом пакете равномерно распределенных по окружности зубцов 15. С целью удешевления конструкции сердечники 7, 8 и 9 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. В этом случае втулки 10, 11 и 12 не устанавливаются. Четный 8 сердечник индуктора смещен относительно нечетных 7 и 9 сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину своего зубцового деления. Между магнитопроводами 10, 11 и 12 индуктора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении сегментарных постоянных магнитов 17. Для машин с малыми диаметрами роторов возможно применение цельных кольцеобразных постоянных магнитов 17. Постоянные магниты 17 прилегают к магнитопроводам 10, 11 и 12 индуктора в аксиальном направлении и расположены таким образом, чтобы созданное ими постоянное магнитное поле возбуждения индуктора замыкалось через рабочий воздушный зазор униполярно. Число кольцевых слоев сегментарных постоянных магнитов на один меньше числа сердечников индуктора.Consider the design of a contactless gear magnetoelectric machine with axial excitation with an external armature and an internal inductor (figure 1, figure 3, figure 5). The core 1 of the anchor remagnetized with a high frequency is made in a burst package of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability and is pressed into the magnetic circuit 2 made of soft magnetic steel with high magnetic permeability. At each pronounced pole 13 of the armature elementary teeth 14 are placed. At the poles 13 there is a coil m-phase coil 3 of the armature, the coils of which are made of a winding copper wire or a winding copper bus. In the manufacture of anchors with open slots, the coils of the winding can be wound on machines with non-conductive frames and, then, together with the frames are fixed at the poles of the armature. The inductor using bearings 4, shaft 5 and bearing shields 6 is positioned relative to the armature. Shaft 5 is made of steel or titanium. If the shaft 5 is magnetic, then a non-magnetic sleeve 16 is fixed on it, the thickness of which in the radial direction significantly exceeds the air gap between the stator and the rotor. Non-magnetic sleeve 16 can be made of aluminum alloys, of copper, titanium, stainless steel. If the shaft 5 is non-magnetic, then the sleeve 16 may not be installed. On non-magnetic sleeve 16, bushings 10, 11 and 12 are made of soft magnetic steel with high magnetic permeability and are the inductor magnetic cores, odd 7 and 9 inductor cores are pressed on the bushings 10 and 12, respectively, an even core 8 of the inductor is pressed on the sleeve 11. The active length of the two extreme cores of the inductor 7 and 9 in the axial direction is the same, the length of the core 8 of the inductor between them is two times the length of the extreme cores 7 and 9. The cores 7, 8 and 9 of the inductor can be blended from insulated sheets of electrical steel with high packages with magnetic permeability and have the same number on each package of teeth 15 evenly distributed around the circumference. In order to reduce the cost of the structure, the cores 7, 8 and 9 can be made of metal from one piece pieces of steel with high magnetic permeability. In this case, the bushings 10, 11 and 12 are not installed. An even 8 core of the inductor is offset relative to the odd 7 and 9 core of the inductor in the tangential direction by half of its tooth division. Segmented annular layers of axially magnetized in one direction segmental permanent magnets 17 are located between the magnetic circuits 10, 11 and 12 of the inductor. For machines with small rotor diameters, solid ring-shaped permanent magnets 17 can be used. The permanent magnets 17 are adjacent to the magnetic circuits 10, 11 and 12 of the inductor in the axial direction and arranged so that the constant magnetic field of the excitation of the inductor created by them is closed through the working air gap unipolar. The number of annular layers of segmental permanent magnets is one less than the number of inductor cores.

Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина с аксиальным возбуждением работает в двигательном и генераторном режимах.The non-contact gear magnetoelectric machine with axial excitation operates in motor and generator modes.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Возбуждение индуктора создается кольцевыми слоями сегментарных постоянных магнитов 17, намагниченных в аксиальном направлении. При этом образуется постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным магнитным потоком индуктора, униполярно замыкающимся через магнитопроводы 10, 11, 12 индуктора, сердечники 7, 8 и 9 индуктора, воздушный зазор между якорем и индуктором, сердечник 1 якоря и магнитопровод 2 якоря. Зубцы 15 нечетных сердечников 7 и 9 индуктора намагничиваются и образуют полюса одной магнитной полярности, например, южные полюса «S», а зубцы 15 четного сердечника 8 индуктора намагничиваются и образуют полюса другой магнитной полярности, например, северные полюса «N». На фазы m-фазной обмотки 3 якоря подают переменное напряжение, по m-фазной обмотке 3 якоря протекает переменный ток, создающий переменное вращающееся магнитное поле якоря. При этом образуется переменная во времени МДС якоря и переменный во времени магнитный поток якоря. На фиг.2 и фиг.4 представлены векторные диаграммы токов, протекающих по соответствующим m-фазным обмоткам 3 якоря, схемы соединений которых представлены на этих же чертежах. Векторы токов во времени поворачиваются в осях координат xy против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. B соответствии с этими проекциями на фиг.2 и фиг.4 обозначены направления токов в катушках m-фазных обмоток якоря. При этом элементарные зубцы 14, выполненные на соответствующих явно выраженных полюсах 13 якоря, на которых расположены катушки m-фазной обмотки 3 якоря, образуют южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменного магнитного поля якоря с постоянным магнитным полем индуктора к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент. Согласно изобретению за один период изменения магнитного поля якоря ротор перемещается на одно зубцовое деление сердечника индуктора. Отсюда следует, что при изменении питающих m-фазных напряжений, поданных на m-фазную обмотку якоря с частотой f (Гц), ротор вращается с синхронной частотой n=60·f/Z₂ (об/мин). Этим и достигается высокая электромагнитная редукция частоты вращения ротора, направление движения которого на чертежах показано стрелкой с буквой «n». Нетрудно заметить, что в данной конструкции ротор вращается согласно с направлением вращения магнитного поля якоря.Consider the motor mode (figure 1, figure 3, figure 5). The excitation of the inductor is created by the annular layers of segmental permanent magnets 17, magnetized in the axial direction. In this case, a constant magnetic field of the inductor is formed with a time constant MDS of the inductor and a constant magnetic flux of the inductor unipolarly closing through the magnetic circuits 10, 11, 12 of the inductor, the cores 7, 8 and 9 of the inductor, the air gap between the armature and the inductor, the core 1 of the armature and the magnetic circuit 2 anchors. The teeth 15 of the odd core of the inductor 7 and 9 are magnetized and form poles of one magnetic polarity, for example, the south poles “S”, and the teeth 15 of the even core 8 of the inductor are magnetized and form poles of a different magnetic polarity, for example, the north poles “N”. An alternating voltage is applied to the phases of the m-phase winding 3 of the armature, an alternating current flows through the m-phase winding of the 3 armature, creating an alternating rotating magnetic field of the armature. In this case, a time-variable MDS of the armature and a time-variable magnetic flux of the armature are formed. Figure 2 and figure 4 presents a vector diagram of the currents flowing along the corresponding m-phase windings 3 of the armature, the connection diagrams of which are presented in the same drawings. Current vectors in time rotate in the xy coordinate axes counterclockwise. Consider the point in time when currents are projected onto the ordinate axis. In accordance with these projections, figure 2 and figure 4 indicate the direction of the currents in the coils of the m-phase armature windings. In this case, the elementary teeth 14, made at the corresponding clearly expressed poles 13 of the armature, on which the coils of the m-phase winding 3 of the armature are located, form the southern magnetic poles “S” and the northern magnetic poles “N”. Due to the interaction of the alternating magnetic field of the armature with the constant magnetic field of the inductor, a unidirectional torque is applied to the rotor during the entire operation time of the electric motor. According to the invention, for one period of change in the magnetic field of the armature, the rotor moves by one tooth division of the core of the inductor. It follows that when the supply m-phase voltages applied to the m-phase armature winding with a frequency f (Hz) change, the rotor rotates with a synchronous frequency n = 60 · f / Z ₂ (r / min). This achieves a high electromagnetic reduction of the rotor speed, the direction of motion of which is shown in the drawings by an arrow with the letter "n". It is easy to notice that in this design the rotor rotates in accordance with the direction of rotation of the magnetic field of the armature.

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный кольцевыми слоями сегментарных постоянных магнитов 17, пронизывает воздушный зазор и явно выраженные полюса 13 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создавая при этом в явно выраженных полюсах 13 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках m-фазной обмотки 3 якоря переменную во времени ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по m-фазной обмотке 3 якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.Consider the generator mode (figure 1, figure 3, figure 5). When the rotor rotates with an external source of torque with a rotational speed n, the constant magnetic flux of the inductor created by the annular layers of segmental permanent magnets 17 penetrates the air gap and the pronounced pole 13 of the armature from the side of the inductor, then from the side of the armature, creating at the same time in distinct poles 13 An anchor variable magnetic flux inducing in the coils of the m-phase winding 3 Anchor EMF variable in time. If the external circuit - the load circuit is closed, then an alternating electric current flows through the m-phase winding of the 3 armature, the electric power is given to the consumer.

Claims

1. A contactless gear magnetoelectric machine with axial excitation, comprising a stator with pronounced toothed poles of the armature and with a concentrated m-phase winding of the armature made in the form of coils spanning the poles of the stator, and a toothed rotor made in the form of two coaxially arranged ring gear magnetically soft magnetic cores rotors, rotated relative to each other by half of their tooth division, between which there is an annular layer of constant m axially magnetized in one direction agnites, the tooth poles of the stator and the tooth magnetic circuits of the rotor facing each other and separated by an air gap δ, the rotor is equipped with a non-magnetic sleeve, characterized in that the stator contains a lined armature core with distinct poles, on the inner surface of which elementary teeth are made of Z _1S teeth at each pole, moreover, Z _1S = 1, 2, 3, 4, ..., the armature winding is an m-phase coil winding, each coil of which is placed on the corresponding explicit pole of the armature, one per pole, and m = 3, 4, 5 , 6, , a windingless ferromagnetic rotor contains an inductor with odd and even gear cores with the same number of teeth on each core, the number of cores of the inductor is at least two, even cores of the inductor are displaced relatively odd in the tangential direction by half of their tooth division, annular layers of axially magnetized are located between the magnetic circuits of the inductor in one direction of segmental permanent magnets, creating a unipolar constant magnetic field of excitation of the inductor in the working m air gap, the number of ring layers segmental permanent magnets for one less than the number of cores of the inductor, of the tooth-grooving zone armature formed "comb" distributed, the width of crowns of teeth of each core of the inductor is defined by b _{_Z2} = k · t _Z2, the width of crowns elementary teeth disposed to express the armature poles, defined by b _{_Z1} = k · t _Z1, wherein t _Z1 and t _Z2 are explicit division claw poles of the armature and the inductor cores, respectively, between the number of explicitly expressed s pole Z _1P anchors, the number of phases m-phase coil winding m the armature, the total number of teeth of the armature Z ₁ and the number of teeth of each core inductor Z ₂ is set limit communication required for the machine efficiency and to obtain the best energy performance with maximum specific point on the shaft, which is expressed by equalities (1), (2), (3)

where Z _1m = 1, 2, 3, 4, ... is the number of pronounced anchor poles in phase, K = 0, 1, 2, 3, ... is a non-negative integer, t _Z1 = 360 ° / (Z _1P · (Z _1S + K)) and t _Z2 = 360 ° / Z _{2 are} determined in angular measurement, the coils of the m-phase armature winding in the phase are interconnected counter magnetically.

2. The contactless gear magnetoelectric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the armature is located outside, the inductor inside.

3. Contactless gear magnetoelectric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the inductor is located on the outside, the anchor inside.

4. Contactless gear magnetoelectric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the phases of the armature winding are connected "into a star".

5. Contactless gear magnetoelectric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the phases of the armature winding are connected "into a polygon".