RU2650879C2

RU2650879C2 - Electric machine (versions)

Info

Publication number: RU2650879C2
Application number: RU2015144966A
Authority: RU
Inventors: Валерий Петрович Бордыков; Юрий Владимирович Гусев
Original assignee: Валерий Петрович Бордыков; Юрий Владимирович Гусев
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2018-04-18
Also published as: RU2015144966A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering and can be used to create motors (generators) with permanent magnets. In an electric machine comprising a stator, a rotor, a switching device in the engine mode and a voltage conversion device in the generator mode, rotor contains a group of Halbach linear arrays, the zones of maximum induction of which are perpendicular or parallel to the plane of motion of the rotor. Outer or inner stator comprises a magnetic core with a winding. Linear version of the electric machine and a variant of the design with two electric machines are possible, the second being the mirror image of the first.

EFFECT: technical result is an increase in the torque in the engine mode and the output power in the generator mode.

4 cl, 28 dwg, 5 tbl

Description

Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована при создании двигателей (генераторов) с постоянными магнитами.The group of inventions relates to the field of electrical engineering and can be used to create engines (generators) with permanent magnets.

В работе (см. Лифанов В.А. Расчет электрических машин малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. Учебное пособие. Челябинск. Издательский центр ЮУрГУ, 2010 г.) на рис. 1.3, 1.4 рассмотрены типовые конструкции электрических машин с постоянными магнитами. В вентильных двигателях постоянного тока и синхронных микродвигателях преимущественное применение получили магнитопроводы с внешним расположением якоря и вращающимся индуктором, но возможны варианты с внешним вращающимся индуктором и неподвижным внутренним якорем (см. рис. 1.3в). Магниты могут иметь кольцевую, цилиндрическую или призматическую форму. Индуктор может быть монолитным (см. рис. 1.4в) или составным (см. рис. 1.4г), может иметь явно выраженные полюсы или иметь кольцевую форму без явных полюсов. Такое многообразие вариантов конструкции объясняется различием технических требований, а также отсутствием единого критерия оптимизации электрических машин.In the work (see VA Lifanov. Calculation of low-power electric machines with permanent magnet excitation. Textbook. Chelyabinsk. Publishing Center of SUSU, 2010) in Fig. 1.3, 1.4, typical designs of permanent magnet electric machines are considered. In direct current DC motors and synchronous micromotors, magnetic cores with an external armature and a rotating inductor have received predominant use, but options with an external rotating inductor and a fixed internal armature are possible (see Fig. 1.3c). The magnets may have a ring, cylindrical or prismatic shape. The inductor can be monolithic (see Fig. 1.4c) or composite (see Fig. 1.4d), it can have pronounced poles or have a ring shape without explicit poles. Such a variety of design options is explained by the difference in technical requirements, as well as the lack of a single criterion for optimizing electrical machines.

В работе (см. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. Москва Высшая школа 1990 г.) на рис. 2. 22 изображены варианты конструкции роторов синхронных машин с постоянными магнитами призматического вида. Рассмотрены две модификации роторов, с радиальным и тангенциальным намагничиванием магнитов. В первом случае ротор содержит расположенные радиально постоянные магниты призматической формы, которые намагничены по радиусу и примыкают своими внутренними торцами к магнитной втулке (внутреннему магнитопроводу). Во втором случае магниты намагничены тангенциально и примыкают к немагнитной втулке. Роль полюсов в этом случае выполняют секторы из магнитомягкой стали, которые расположены между магнитами.In the work (see Booth D. A. Contactless electric machines. Moscow Higher School of 1990) in Fig. 2. 22 shows the design options of the rotors of synchronous machines with permanent magnets of a prismatic type. Two modifications of rotors with radial and tangential magnetization of magnets are considered. In the first case, the rotor contains located radially permanent magnets of a prismatic shape, which are magnetized along the radius and are adjacent with their inner ends to the magnetic sleeve (internal magnetic circuit). In the second case, the magnets are tangentially magnetized and are adjacent to a non-magnetic sleeve. The role of the poles in this case is played by soft magnetic steel sectors that are located between the magnets.

Примером применения постоянных магнитов является электрическая машина в режиме вентильного двигателя.An example of the use of permanent magnets is an electric machine in the mode of a valve motor.

Типовая структура вентильного двигателя с внутренним ротором (см. Овчинников И.Е. Вентильные двигатели и привод на их основе. Курс лекций. Санкт-Петербург, Корона-Век. 2012 рис. 1.5б) содержит статор с обмоткой, состоящей из двенадцати секций, образующих замкнутую систему. Точки соединения секций подключены к бесконтактным (транзисторным) переключателям. Каждый из переключателей управляется своим чувствительным элементом (датчиком), закрепленным на статоре. Датчики срабатывают от намагниченных секторов ротора. На роторе расположены также постоянные магниты системы возбуждения.The typical structure of a valve motor with an internal rotor (see I. Ovchinnikov. Valve motors and a drive based on them. Lecture course. St. Petersburg, Korona-Vek. 2012 Fig. 1.5b) contains a stator with a winding consisting of twelve sections, forming a closed system. Section connection points are connected to proximity (transistor) switches. Each of the switches is controlled by its own sensitive element (sensor) mounted on the stator. Sensors are triggered by magnetized sectors of the rotor. Permanent magnets of the excitation system are also located on the rotor.

В данном устройстве совмещены преимущества коллекторного двигателя постоянного тока и синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов, таких как:This device combines the advantages of a DC collector motor and a synchronous motor with excitation from permanent magnets, such as:

- отсутствие скользящих электрических контактов, высокая надежность и долговечность;- lack of sliding electrical contacts, high reliability and durability;

- благоприятные механические и регулировочные характеристики, простота управления моментом вращения и скоростью;- favorable mechanical and adjusting characteristics, ease of control of torque and speed;

- высокая кратность пускового момента, малая механическая постоянная времени, хорошая динамика;- high multiplicity of starting torque, low mechanical time constant, good dynamics;

- улучшенные энергетические показатели, благодаря применению современных магнитов;- improved energy performance due to the use of modern magnets;

- высокие удельные показатели по развиваемому длительному моменту на единицу массы двигателя.- high specific indicators for the developed long-term moment per unit mass of the engine.

В другой работе (см. Захаренко А.Б. Создание высокомоментных электрических машин с постоянными магнитами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. На правах рукописи. М. 2008 г. www.vniiem.ru/ru/uploads/files/zakharenko.pdf) на рис. 1 изображена активная часть электрической машины с двумя рабочими зазорами. На рис. 2 изображена активная часть электрической машины с постоянными магнитами с одним зазором между статором и ротором. Главной отличительной особенностью рассматриваемых исполнений электрических машин является то, что обмотка их статора - катушечная (зубцовая), и каждая катушка обмотки статора расположена отдельном зубце (рис. 2). Благодаря радиальному расположению постоянных магнитов эти конструктивные исполнения обладают преимуществами над другими исполнениями высокомоментных машин:In another work (see AB Zakharenko, Creating high-torque electric machines with permanent magnets. Abstract of dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences. As a manuscript. M. 2008. www.vniiem.ru/en/uploads/files/ zakharenko.pdf) in fig. 1 shows the active part of an electric machine with two working gaps. In fig. 2 shows the active part of an electric machine with permanent magnets with one gap between the stator and the rotor. The main distinguishing feature of the considered versions of electric machines is that their stator winding is coil (gear), and each stator winding coil is located in a separate tooth (Fig. 2). Due to the radial arrangement of permanent magnets, these designs have advantages over other designs of high-torque machines:

- упрощается технология изготовления обмотки;- simplifies the technology of manufacturing the winding;

- повышается коэффициент заполнения паза;- increases the fill factor of the groove;

- улучшается теплопроводность обмотки;- improves the thermal conductivity of the winding;

- уменьшается удельный вес высших гармонических составляющих в составе ЭДС;- the specific gravity of the higher harmonic components in the EMF decreases;

- снижаются пульсации момента, увеличивается плавность движения;- the pulsations of the moment decrease, the smoothness of movement increases;

- увеличивается КПД.- the efficiency increases.

В режиме вентильного двигателя датчики положения ротора размещены на стороне статора, обращенной к постоянным магнитам ротора, непосредственно во внешнем воздушном зазоре.In the valve motor mode, the rotor position sensors are located on the stator side facing the permanent rotor magnets directly in the external air gap.

Это дает возможность:This makes it possible:

- упростить конструкцию за счет отказа от дополнительных магнитных систем;- to simplify the design due to the rejection of additional magnetic systems;

- более точно обеспечить моменты переключения фаз;- more accurately provide moments of phase switching;

- получить более высокую стабильность работы датчиков;- get a higher stability of the sensors;

- упростить контрольные операции при производстве и диагностике.- simplify control operations during production and diagnostics.

В данной работе также установлено, что общепризнанного критерия оптимизации электрических машин с постоянными магнитами не существует, поэтому задачу оптимизации необходимо рассматривать как многокритериальную.In this paper, it was also established that there is no universally accepted criterion for optimizing electric machines with permanent magnets; therefore, the optimization problem must be considered as multi-criteria.

Известна синхронная машина (см. патент РФ 2069441 Н02К 21/22 1996), содержащая якорь, имеющий N полюсов и индуктор из множества постоянных магнитов. Указанные постоянные магниты, имеющие N-1 полюсов, обеспечивают магнитное поле при вращении относительно якоря. Такие машины могут производить электрическую энергию в режиме генератора или создавать крутящий момент в режиме двигателя. Поле возбуждения в них образовано постоянными магнитами, вращающимися относительно якоря с явными полюсами.Known synchronous machine (see RF patent 2069441 Н02К 21/22 1996), containing an armature having N poles and an inductor of many permanent magnets. These permanent magnets having N-1 poles provide a magnetic field when rotated relative to the armature. Such machines can produce electrical energy in generator mode or generate torque in engine mode. The field of excitation in them is formed by permanent magnets, rotating relative to the armature with explicit poles.

На фиг. 2 и фиг. 3 изображен конкретный пример якоря (статора) с катушечной (зубцовой) обмоткой, где каждая катушка обмотки расположена на отдельном зубце. На фиг. 6 изображена схема устройства преобразования переменного (генерируемого) напряжения в постоянное в режиме генератора, содержащая группу выпрямительных диодов и нагрузку. Данное устройство позволяет повысить КПД путем сглаживания кривой момента вращения.In FIG. 2 and FIG. 3 shows a specific example of an armature (stator) with a coil (gear) winding, where each coil of the winding is located on a separate tooth. In FIG. 6 shows a diagram of a device for converting an alternating (generated) voltage to direct voltage in generator mode, containing a group of rectifier diodes and a load. This device allows you to increase efficiency by smoothing the curve of the moment of rotation.

Перспективным направлением в разработке электрических машин является применение магнитных сборок Халбаха (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_сборка_Халбаха).A promising direction in the development of electric machines is the use of Halbach magnetic assemblies (see https://ru.wikipedia.org/wiki/Halbach_Magnetic_assembly).

Различают три вида магнитных сборок Халбаха (массивов Халбаха):There are three types of Halbach magnetic assemblies (Halbach massifs):

- линейная магнитная сборка Халбаха; - цилиндр Халбаха; - сфера Халбаха.- Halbach linear magnetic assembly; - Halbach cylinder; - sphere of Halbach.

В линейной сборке Халбаха магнитное поле усиливается с одной стороны примерно в два раза (зона максимальной индукции) и ослабляется с противоположной стороны (зона минимальной индукции) практически до нуля, благодаря особому расположению элементов сборки. Зоной максимальной (минимальной) индукции будем называть часть пространства (физический объем с магнитным полем), расположенный по сторонам сборки. Форма этого объема вблизи сборки (в рабочем зазоре) похожа на параллелепипед, толщина которого не менее ширины рабочего зазора, а длина и ширина примерно соответствуют размерам магнитной сборки.In a Halbach linear assembly, the magnetic field is approximately doubled on one side (maximum induction zone) and attenuated from the opposite side (minimum induction zone) to almost zero, due to the special arrangement of the assembly elements. The zone of maximum (minimum) induction will be called the part of space (physical volume with a magnetic field) located on the sides of the assembly. The shape of this volume near the assembly (in the working gap) is similar to a parallelepiped, the thickness of which is not less than the width of the working gap, and the length and width approximately correspond to the dimensions of the magnetic assembly.

Конфигурация магнитного поля вокруг сборки имеет явно несимметричный характер (см. фиг. 2). Направление расположения зоны (объема) максимальной (минимальной) индукции будем определять не прямой линией, а некоторым конусом (сектором), внутри которого практически сохраняется физическое воздействие на ротор электрической машины, т.е. практически сохраняется момент вращения. Центральный угол этого сектора не превышает нескольких градусов.The configuration of the magnetic field around the assembly is clearly asymmetric (see Fig. 2). The direction of the location of the zone (volume) of the maximum (minimum) induction will be determined not by a straight line, but by some cone (sector), inside of which the physical effect on the rotor of the electric machine is practically preserved, i.e. practically retained torque. The central angle of this sector does not exceed several degrees.

В дальнейшем, для простоты, будем условно совмещать направление расположения зоны максимальной (минимальной) индукции с направлением одной из осей сборки, которые можно провести для ориентации линейной магнитной сборки в пространстве. Можно провести три взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр сборки. Большая ось будет проходить вдоль длинной стороны магнитной сборки и будет условно параллельна зоне максимальной (минимальной) индукции, первая малая ось также будет условно параллельна зоне максимальной (минимальной) индукции, а вторая малая ось будет условно перпендикулярна зоне максимальной (минимальной) индукции (с точностью до нескольких градусов).In the future, for simplicity, we will arbitrarily combine the direction of the location of the zone of maximum (minimum) induction with the direction of one of the assembly axes, which can be carried out to orient the linear magnetic assembly in space. Three mutually perpendicular axes can be drawn through the center of the assembly. The major axis will pass along the long side of the magnetic assembly and will be conditionally parallel to the zone of maximum (minimum) induction, the first minor axis will also be conditionally parallel to the zone of maximum (minimum) induction, and the second minor axis will be conditionally perpendicular to the zone of maximum (minimum) induction (with accuracy to several degrees).

В цилиндре Халбаха внутреннее магнитное поле имеет однородную структуру, и постоянно по величине, что можно использовать при проектировании электрических машин. Однако, линейная магнитная сборка Халбаха проще по своей конструкции. Она состоит из магнитов в форме параллелепипедов, в т.ч. и из магнитов кубической формы. Количество магнитов в сборке не менее трех. Магнитные элементы цилиндра Халбаха имеют достаточно сложную форму и индивидуальные (разные) направления намагниченности, что существенно удорожает их производство.In the Halbach cylinder, the internal magnetic field has a uniform structure, and is constant in magnitude, which can be used in the design of electrical machines. However, Halbach's linear magnetic assembly is simpler in design. It consists of magnets in the form of parallelepipeds, incl. and from magnets of a cubic form. The number of magnets in the assembly is at least three. The magnetic elements of the Halbach cylinder have a rather complex shape and individual (different) directions of magnetization, which significantly increases the cost of their production.

Сфера Халбаха имеет замкнутую поверхность (объем), поэтому ее применение в электрических машинах нецелесообразно.The Halbach sphere has a closed surface (volume), so its use in electric machines is inappropriate.

В следующей статье (Исмагилов Ф.Р. и др. Исследование новых конструкций индукторов магнитоэлектрических машин. Научный журнал "Успехи современного естествознания" РАЕ №12 2007 часть 3 стр. 119-120 www.rae.ru) рассмотрены результаты моделирования программными средствами магнитной системы на основе цилиндра Халбаха. Была проанализирована конструкция магнитной системы, состоящей из восьми сегментов, объединенных в окружность, с постоянным изменением направления их намагниченности. В результате расчетов был сделан вывод, что рассмотренная магнитная система может быть использована как двухполюсный индуктор в синхронных машинах и машинах постоянного тока. Поле внутри данной магнитной системы можно приближенно определить по формуле:The following article (Ismagilov F.R. et al. Investigation of new designs of inductors of magnetoelectric machines. Scientific journal "Successes in modern science" RAE No. 12 2007 part 3 pp. 119-120 www.rae.ru) discusses the results of modeling software of the magnetic system based on Halbach cylinder. The design of a magnetic system consisting of eight segments united in a circle with a constant change in the direction of their magnetization was analyzed. As a result of the calculations, it was concluded that the considered magnetic system can be used as a bipolar inductor in synchronous machines and DC machines. The field inside this magnetic system can be approximately determined by the formula:

гдеWhere

B_r - остаточная индукция;B _r - residual induction;

r1 - внутренний радиус;r1 is the inner radius;

r2 - внешний радиус.r2 is the outer radius.

Оценим величину В₀. При изменении значения отношения

от 1,5 до 3 значение ln≤1,1. Отсюда следует, что значение В₀≤B_r.We estimate the value of B ₀ . When changing the ratio value

from 1.5 to 3 the value of ln≤1,1. It follows that the value of B ₀ ≤B _r .

Фактически не происходит усиления магнитного поля вблизи магнитов, но с другой стороны это поле очень однородное и постоянное по величине внутри всего цилиндра Халбаха.In fact, there is no amplification of the magnetic field near the magnets, but on the other hand, this field is very uniform and constant in magnitude inside the entire Halbach cylinder.

Основные преимущества подобных конструкций - малая масса и инерция, отсутствие потерь в стали. При этом конструкция машины упрощается, появляется возможность извлечения большой пиковой мощности за короткое время.The main advantages of such structures are low mass and inertia, the absence of losses in steel. At the same time, the design of the machine is simplified, it becomes possible to extract large peak power in a short time.

Недостатком такой системы является сложная форма магнитных сегментов, образующих цилиндр Халбаха и трудность их намагничивания в заданных направлениях.The disadvantage of this system is the complex shape of the magnetic segments forming the Halbach cylinder and the difficulty of magnetizing them in given directions.

В дополнение к предыдущему в статье (Halbach Array Motor/Generators - A Novel Generalizet Electric Machine 1994 www.hkcm.de/download/Haibach_Array_Motor.pdf) рассмотрена обобщенная электрическая машина на основе массива Халбаха. На фиг. 1а изображен исследуемый цилиндр Халбаха (вид сверху), состоящий из восьми магнитных сегментов. Показано направление намагниченности каждого сегмента. На фигуре 1в изображены магнитные силовые линии части цилиндра. На фигуре 2 изображены магнитные силовые линии внутри цилиндра и измеренные значения магнитной индукции в разных точках цилиндра. Магнитное поле вне цилиндра значительно ослаблено, а поле внутри цилиндра постоянно по величине и по направлению. Такие массивы Халбаха перспективны для создания двигателей - генераторов, хотя имеют недостатки, связанные со сложностью изготовления самого массива.In addition to the previous article (Halbach Array Motor / Generators - A Novel Generalizet Electric Machine 1994 www.hkcm.de/download/Haibach_Array_Motor.pdf), a generalized Halbach-based electric machine is considered. In FIG. 1a shows the Halbach cylinder under investigation (top view), consisting of eight magnetic segments. The direction of magnetization of each segment is shown. Figure 1c shows the magnetic lines of force of a portion of the cylinder. The figure 2 shows the magnetic field lines inside the cylinder and the measured values of magnetic induction at different points of the cylinder. The magnetic field outside the cylinder is significantly weakened, and the field inside the cylinder is constant in magnitude and direction. Such Halbach arrays are promising for the creation of engines - generators, although they have drawbacks associated with the complexity of manufacturing the array itself.

Известен двигатель на основе цилиндра Халбаха (High Efficiency Permanent Magnet Motor www.ata.org.au/wp-content/uploads/marand_high_efficiency_motor.pdf), содержащий распределенную обмотку статора, датчики положения и два кольцеобразных ротора с постоянными магнитами. Данный двигатель имеет повышенный КПД, повышенную мощность и уменьшенную массу.A known Halbach cylinder engine (High Efficiency Permanent Magnet Motor www.ata.org.au/wp-content/uploads/marand_high_efficiency_motor.pdf) containing a distributed stator winding, position sensors and two ring-shaped rotors with permanent magnets. This engine has increased efficiency, increased power and reduced weight.

Известно использование линейных магнитных сборок Халбаха для транспортных средств на магнитной подушке (Toward More Efficient Transport: The Inductrack Maglev System 10 oktober 2005 http:/gcep.Stanford.edu/pdfs/ChEHeXOTnf3dHH5gjYRXMA/09_Post_10_11_trans.pdf).Halbach linear magnetic assemblies are known for magnetic cushion vehicles (Toward More Efficient Transport: The Inductrack Maglev System 10 oktober 2005 http://gcep.Stanford.edu/pdfs/ChEHeXOTnf3dHH5gjYRXMA/09_Post_10_11_trans.pdf).

Ha GCEP_16 изображена схема магнитной подвески для скоростного поезда на магнитной подушке. Элемент магнитной подвески состоит из двух линейных магнитных сборок Халбаха, каждая из которых содержит по пять постоянных прямоугольных магнитов, намагниченных под углом 90° друг к другу. Первая (верхняя) сборка находится выше полотна (трассы), а вторая (нижняя) сборка находится ниже трассы (стального полотна). Зоны максимальной индукции каждой сборки находятся в рабочих зазорах между полотном и плоскостью магнитной сборки. Благодаря увеличенной магнитной индукции в рабочем зазоре возникает большая подъемная сила. Транспортное средство не касается полотна, а парит над ним. Такой процесс называется левитацией.Ha GCEP_16 shows a magnetic suspension diagram for a high-speed magnetic cushion train. The magnetic suspension element consists of two linear Halbach magnetic assemblies, each of which contains five permanent rectangular magnets magnetized at an angle of 90 ° to each other. The first (upper) assembly is located above the track (track), and the second (lower) assembly is located below the track (steel track). The maximum induction zones of each assembly are located in the working gaps between the web and the plane of the magnetic assembly. Due to the increased magnetic induction in the working gap there is a large lifting force. The vehicle does not touch the canvas, but hovers over it. Such a process is called levitation.

На GCEP - 05, 06, 17 изображены поезда на магнитной подушке, реализованной на линейных магнитных сборках Халбаха. Такие поезда достигают скорости

имеют плавный ход, низкий уровень шума и высокую энергоэффективность.GCEP - 05, 06, 17 depicts magnetic cushion trains implemented on Halbach's linear magnetic assemblies. Such trains reach speed

have a smooth ride, low noise and high energy efficiency.

Известна электрическая машина (патент РФ 2141716 Н02К 29/00 1999). содержащая статор с системой проводников и ротор с системой возбуждения из постоянных магнитов. В режиме двигателя электрическая машина имеет также сенсорное устройство, укрепленное на наружном периметре статора и управляющее устройство, которое осуществляет переполюсовку (переключение) постоянного питания проводниковой системы. В режиме генератора электрическая машина содержит устройство выпрямления (преобразования) получаемого в генераторе тока.Known electric machine (RF patent 2141716 Н02К 29/00 1999). comprising a stator with a system of conductors and a rotor with a permanent magnet excitation system. In engine mode, the electric machine also has a sensor device mounted on the outer perimeter of the stator and a control device that performs polarity reversal (switching) of the constant supply of the conductor system. In generator mode, the electric machine contains a rectification (conversion) device received in the current generator.

Постоянные магниты имеют треугольную форму и расположены по кольцу. Кроме того постоянные магниты с обеих сторон имеют выступы, с помощью которых они входят в зацепление в соответствующие пазы зон материала, который заполняет пространство между магнитами (прототип).Permanent magnets are triangular in shape and are arranged in a ring. In addition, permanent magnets on both sides have protrusions, with which they engage in the corresponding grooves of the zones of the material that fills the space between the magnets (prototype).

Данная электрическая машина имеет повышенный вращающий момент и мощность относительно своего веса или занимаемого объема.This electric machine has increased torque and power relative to its weight or occupied volume.

Недостатками данного устройства являются сложная форма постоянных магнитов, что повышает трудоемкость изготовления, а также недостаточная величина момента вращения, ввиду применения одиночных постоянных магнитов.The disadvantages of this device are the complex shape of the permanent magnets, which increases the complexity of manufacturing, as well as the insufficient value of the torque due to the use of single permanent magnets.

Сущность группы изобретений заключается в следующем.The essence of the group of inventions is as follows.

Единая задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений заключается в использовании линейных магнитных сборок Халбаха в электрических машинах.The single task to be solved by the claimed group of inventions is the use of linear magnetic Halbach assemblies in electric machines.

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении данной группы изобретений заключается в повышении вращающего момента (мощности) в режиме двигателя и отдаваемой мощности в режиме генератора.The only technical result that can be obtained by implementing this group of inventions is to increase the torque (power) in engine mode and the power output in generator mode.

Технический результат заключается также в упрощении конструкции по сравнению с машинами, использующими цилиндр Халбаха.The technical result also consists in simplifying the design in comparison with machines using the Halbach cylinder.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор, ротор, устройство переключения в режиме двигателя и устройство преобразования напряжения в режиме генератора, ротор содержит группу линейных магнитных сборок Халбаха, зоны максимальной индукции которых расположены перпендикулярно к плоскости движения ротора.The specified technical result in the implementation of the group of inventions is achieved by the fact that in the known electric machine containing a stator, a rotor, a switching device in motor mode and a voltage conversion device in generator mode, the rotor contains a group of linear Halbach magnetic assemblies, the zones of maximum induction of which are perpendicular to the plane rotor movement.

Группа линейных магнитных сборок Халбаха с магнитопроводом расположены во внутреннем роторе, а внешний статор содержит магнитопровод с обмоткой.A group of linear Halbach magnetic assemblies with a magnetic circuit are located in the internal rotor, and the external stator contains a magnetic circuit with a winding.

Группа линейных магнитных сборок Халбаха с магнитопроводом расположены во внешнем роторе, а внутренний статор содержит магнитопровод с обмоткой.A group of linear Halbach magnetic assemblies with a magnetic circuit are located in the external rotor, and the internal stator contains a magnetic circuit with a winding.

В частном случае, при стремлении значения радиуса вращения ротора к бесконечности, данное устройство преобразуется в линейную электрическую машину, в которой функции ротора или статора может выполнять как группа линейных магнитных сборок Халбаха с магнитопроводом, так и, соответственно, магнитопровод с обмоткой.In the particular case, when the value of the radius of rotation of the rotor tends to infinity, this device is converted into a linear electric machine, in which the functions of the rotor or stator can be performed by a group of linear magnetic Halbach assemblies with a magnetic circuit, and, accordingly, a magnetic circuit with a winding.

Использование линейных магнитных сборок Халбаха в роторе электрической машины приводит к усилению магнитной индукции в рабочем зазоре, увеличению силы взаимодействия и увеличению вращающего момента и мощности электрической машины.The use of Halbach linear magnetic assemblies in the rotor of an electric machine leads to increased magnetic induction in the working gap, an increase in the interaction force, and an increase in the torque and power of the electric machine.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор, ротор, устройство переключения в режиме двигателя и устройство преобразования напряжения в режиме генератора, ротор содержит группу линейных магнитных сборок Халбаха, зоны максимальной индукции которых расположены параллельно к плоскости движения ротора.The specified technical result in the implementation of the group of inventions is achieved by the fact that in the known electric machine containing a stator, a rotor, a switching device in motor mode and a voltage conversion device in generator mode, the rotor contains a group of linear Halbach magnetic assemblies, the maximum induction zones of which are parallel to the plane rotor movement.

Вторая группа линейных магнитных сборок Халбаха расположена во втором роторе, который совместно со вторым статором является зеркальным отображением относительно плоскости основания магнитопровода ротора.The second group of linear Halbach magnetic assemblies is located in the second rotor, which together with the second stator is a mirror image relative to the plane of the base of the rotor magnetic circuit.

Использование линейных магнитных сборок Халбаха в электрических машинах позволит улучшить их энергетические показатели, в частности, увеличить момент вращения и отдаваемую мощность.The use of Halbach's linear magnetic assemblies in electric machines will improve their energy performance, in particular, increase the torque and power output.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа однообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел.The claimed group of inventions meets the requirement of unity of invention, since the group of single-object inventions forms a single inventive concept.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги, характеризующиеся признаками тождественными всем существенным признакам для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patents and scientific and technical sources of information, made it possible to establish that the applicant did not find analogues characterized by signs identical to all the essential features for each of the claimed group objects set forth in the claims.

Следовательно, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию "новизна". Каждый объект заявляемой группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку в каждом объекте не происходит простая замена постоянных магнитов на линейные магнитные сборки Халбаха.Therefore, each of the objects of the group of inventions meets the condition of "novelty." Each object of the claimed group of inventions does not follow explicitly from the prior art for a specialist, since in each object there is no simple replacement of permanent magnets with linear magnetic Halbach assemblies.

Линейные магнитные сборки Халбаха характеризуются совершенно другой конфигурацией магнитного поля по сравнению с одиночными магнитами. Она имеет явно несимметричную форму распределения магнитных силовых линий. Коэффициент несимметрии, т.е. отношение величин магнитных индукций с разных сторон сборки, может достигать десятков единиц. Сборка имеет также другую геометрическую форму и размеры по сравнению с одиночными магнитами. Все это приводит к совершенно другой конфигурации результирующего поля ротора и статора, что в свою очередь, влияет на конструкцию элементов устройства и их взаимное расположение. Решение такой задачи требует больших творческих усилий и интеллектуального труда.Halbach's linear magnetic assemblies are characterized by a completely different configuration of the magnetic field compared to single magnets. It has a clearly asymmetric shape of the distribution of magnetic field lines. Asymmetry coefficient, i.e. the ratio of magnetic induction values from different sides of the assembly can reach tens of units. The assembly also has a different geometric shape and dimensions compared to single magnets. All this leads to a completely different configuration of the resulting field of the rotor and stator, which, in turn, affects the design of the elements of the device and their relative position. The solution to this problem requires great creative efforts and intellectual work.

Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условию "изобретательский уровень ".Therefore, each of the objects of the claimed group of inventions meets the condition of "inventive step".

На чертежах и рисунках представлены варианты выполнения электрической машины, а также варианты выполнения ее отдельных блоков и узлов.In the drawings and figures, embodiments of an electric machine are presented, as well as embodiments of its individual blocks and assemblies.

На фиг. 1 изображены магнитные силовые линии постоянного магнита;In FIG. 1 shows magnetic lines of force of a permanent magnet;

На фиг. 2 изображены магнитные силовые линии линейной магнитной сборки Халбаха, состоящей из трех постоянных магнитов;In FIG. 2 shows the magnetic lines of force of a Halbach linear magnetic assembly consisting of three permanent magnets;

На фиг. 3 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, вид сверху. Большие оси сборок перпендикулярны к плоскости движения ротора.In FIG. 3 shows an embodiment of an electric machine with an internal rotor, top view. The large axes of the assemblies are perpendicular to the plane of motion of the rotor.

На фиг. 4 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.In FIG. 4 depicts the previous version in axonometric projection.

На фиг. 5 изображен вариант выполнения электрической машины с внешним ротором, вид сверху. Большие оси сборок перпендикулярны к плоскости движения ротора.In FIG. 5 shows an embodiment of an electric machine with an external rotor, top view. The large axes of the assemblies are perpendicular to the plane of motion of the rotor.

На фиг. 6 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.In FIG. 6 shows the previous version in axonometric projection.

На фиг. 7 изображен вариант выполнения электрической машины с внешним ротором, вид сверху. Первые малые оси сборок перпендикулярны к плоскости движения ротора.In FIG. 7 shows an embodiment of an electric machine with an external rotor, top view. The first minor axes of the assemblies are perpendicular to the plane of motion of the rotor.

На фиг. 8 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.In FIG. 8 depicts the previous version in axonometric projection.

На фиг. 9 изображен вариант выполнения линейной электрической машины, вид сверху.In FIG. 9 shows an embodiment of a linear electric machine, top view.

На фиг. 10 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.In FIG. 10 depicts the previous version in axonometric projection.

На фиг. 11 изображен вариант выполнения электрической машины с параллельным расположением зон максимальной индукции сборок к плоскости движения ротора, вид сверху. Большие оси сборок направлены перпендикулярно к радиусам вращения ротора.In FIG. 11 shows an embodiment of an electric machine with a parallel arrangement of zones of maximum induction of assemblies to the plane of motion of the rotor, top view. The large axes of the assemblies are directed perpendicular to the radii of rotation of the rotor.

На фиг. 12 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.In FIG. 12 depicts the previous version in axonometric projection.

На фиг. 13 изображен вариант выполнения электрической машины с параллельным расположением зон максимальной индукции сборок к плоскости движения ротора, вид сверху. Большие оси сборок направлены параллельно к радиусам вращения ротора.In FIG. 13 shows an embodiment of an electric machine with a parallel arrangement of zones of maximum induction of assemblies to the plane of motion of the rotor, top view. The large axis of the assemblies are directed parallel to the radii of rotation of the rotor.

На фиг. 14 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.In FIG. 14 shows the previous version in axonometric projection.

На фиг. 15 изображен вариант выполнения электрической машины в аксонометрической проекции со вторым ротором и статором, зеркально отображенными относительно плоскости основания магнитопровода первого ротора.In FIG. 15 shows an embodiment of an electric machine in a perspective view with a second rotor and a stator mirrored relative to the plane of the base of the magnetic circuit of the first rotor.

На фиг. 16 изображен вариант выполнения линейной электрической машины, вид сверху.In FIG. 16 shows an embodiment of a linear electric machine, top view.

На фиг. 17 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.In FIG. 17 depicts the previous version in axonometric projection.

На фиг. 18, 19, 20, 21 изображены варианты выполнения электрической машины с количеством катушек статора равным 24.In FIG. 18, 19, 20, 21 depict embodiments of an electric machine with the number of stator coils equal to 24.

На фиг. 22 изображен вариант выполнения электрической машины с количеством катушек статора равным 32.In FIG. 22 shows an embodiment of an electric machine with the number of stator coils equal to 32.

На фиг. 23 изображен вариант расположения датчиков положения ротора.In FIG. 23 shows an arrangement of rotor position sensors.

На фиг. 24 изображен другой вариант расположения датчиков положения ротора.In FIG. 24 shows another arrangement of rotor position sensors.

На фиг. 25 изображена структурная схема варианта устройства переключения электрической машины в режиме двигателя.In FIG. 25 is a block diagram of an embodiment of a device for switching an electric machine in engine mode.

На фиг. 26 изображена структурная схема другого варианта устройства переключения электрической машины в режиме двигателя.In FIG. 26 is a structural diagram of another embodiment of a device for switching an electric machine in engine mode.

На фиг. 27 изображена функциональная схема варианта устройства преобразования напряжения электрической машины в режиме генератора.In FIG. 27 is a functional diagram of an embodiment of a voltage conversion device of an electric machine in generator mode.

На фиг. 28 изображена блок-схема алгоритма работы устройства переключения.In FIG. 28 is a flow chart of a switching device.

На табл. 1 отображены состояния датчиков положения ротора в зависимости от угла поворота ротора для первого варианта расположения датчиков.On the table. 1 shows the status of the rotor position sensors depending on the angle of rotation of the rotor for the first embodiment of the sensors.

На табл. 2 отображены состояния датчиков положения ротора в зависимости от угла поворота ротора для второго варианта расположения датчиков.On the table. 2 shows the status of the rotor position sensors depending on the angle of rotation of the rotor for the second variant of the arrangement of sensors.

На табл. 3 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора для варианта с количеством катушек равным 16.On the table. 3 shows a table of switching stator coils depending on the angle of rotation of the rotor for a variant with the number of coils equal to 16.

На табл. 4 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора для варианта с количеством катушек равным 24.On the table. 4 shows a table of switching stator coils depending on the angle of rotation of the rotor for a variant with the number of coils equal to 24.

На табл. 5 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора для варианта с количеством катушек равным 32.On the table. 5 shows a table of switching stator coils depending on the angle of rotation of the rotor for a variant with the number of coils equal to 32.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с получением указанного технического результата заключаются в следующем.Information confirming the possibility of implementing each object of the claimed group of inventions with the receipt of the specified technical result are as follows.

Постоянный магнит 1 прямоугольной формы, изображенный на фиг. 1 является базовым элементом для построения линейной магнитной сборки Халбаха. Магнитные силовые линии 2 выходят из северного N полюса магнита и входят в его южный полюс S. Картина поля строго симметрична. Условная граница 3 поля необходима для расчета его параметров с помощью компьютерной программы. Вектор намагниченности постоянного магнита направлен от его южного полюса S к его северному полюсу N вертикально вверх (на чертеже не изображен).The rectangular permanent magnet 1 shown in FIG. 1 is a basic element for constructing a Halbach linear magnetic assembly. Magnetic lines of force 2 exit from the north N pole of the magnet and enter its south pole S. The picture of the field is strictly symmetrical. The conditional boundary 3 of the field is necessary for calculating its parameters using a computer program. The magnetization vector of the permanent magnet is directed from its south pole S to its north pole N vertically upward (not shown in the drawing).

Линейная магнитная сборка Халбаха, изображенная на фиг. 2 состоит из трех постоянных магнитов 1. Магниты 1 соприкасаются друг с другом своими гранями и имеют взаимно перпендикулярные векторы намагниченности. Магнитные силовые линии 2 не симметричны относительно большой оси магнитной сборки. Условная граница 3 поля также необходима для расчета его параметров с помощью компьютерной программы. Векторы намагниченности двух крайних магнитов горизонтальны и могут быть направлены как встречно, так и в разные стороны. Вектор намагниченности среднего магнита расположен вертикально и может быть направлен в обе стороны. Так, например, если направить векторы намагниченности крайних магнитов в разные стороны, а вектор среднего магнита направить сверху вниз, то получим картину поля, изображенную на фиг. 2.The Halbach linear magnetic assembly shown in FIG. 2 consists of three permanent magnets 1. Magnets 1 are in contact with each other with their faces and have mutually perpendicular magnetization vectors. The magnetic field lines 2 are not symmetrical about the major axis of the magnetic assembly. The conditional boundary 3 of the field is also necessary for calculating its parameters using a computer program. The magnetization vectors of the two extreme magnets are horizontal and can be directed both counterclockwise and in different directions. The magnetization vector of the middle magnet is located vertically and can be directed in both directions. So, for example, if the magnetization vectors of the extreme magnets are directed in different directions, and the vector of the middle magnet is directed from top to bottom, we get the picture of the field shown in FIG. 2.

Зона максимальной индукции сборки будет расположена сверху, со стороны южного полюса среднего магнита и условно параллельно большой оси магнитной сборки. Если изменить направление вектора среднего магнита на противоположное, то картина поля будет зеркальным изображением относительно большой оси сборки и зона максимальной индукции будет расположена снизу, но также со стороны южного полюса среднего магнита.The zone of maximum induction of the assembly will be located above, from the south pole of the middle magnet and conditionally parallel to the major axis of the magnetic assembly. If the direction of the vector of the middle magnet is reversed, the picture of the field will be a mirror image relative to the major axis of the assembly and the zone of maximum induction will be located below, but also from the south pole of the middle magnet.

Похожая картина поля будет и при изменении направления векторов крайних магнитов на встречное, но зона максимальной индукции будет уже со стороны северного полюса среднего магнита.A similar picture of the field will also occur when the direction of the vectors of the extreme magnets is reversed, but the zone of maximum induction will be from the north pole of the middle magnet.

Вариант электрической машины с внутренним ротором изображен на фиг. 3, 4. Внешний статор электрической машины содержит магнитопровод 4 с обмоткой катушечного типа. Группа катушек 5 обмотки расположена с внутренней стороны магнитопровода 4. Каждая катушка 5 обмотки расположена на своем сердечнике (зубце), который является также частью магнитопровода 4.An embodiment of an electric machine with an internal rotor is shown in FIG. 3, 4. The external stator of the electric machine comprises a magnetic circuit 4 with a coil type winding. A group of coils 5 of the winding is located on the inner side of the magnetic circuit 4. Each coil 5 of the winding is located on its core (tooth), which is also part of the magnetic circuit 4.

Катушки 5 со своими сердечниками изображены на фиг. 3 общими прямоугольниками. Количество катушек 5 в группе составляет 16 единиц. Центральный угол между двумя соседними катушками 5 составляет 22,5 градусов. Возможен также вариант размещения катушек обмотки статора в пазах магнитопровода 4. Зубцы магнитопровода 4 будут границами, между которыми будут расположены витки катушек. Количество катушек и центральные углы сохраняются. Сохраняется также и внешний вид чертежей на фиг. 3, 4. Пространство, занимаемое пазами и зубцами, называется зубцовой зоной.Coils 5 with their cores are shown in FIG. 3 common rectangles. The number of coils 5 in the group is 16 units. The central angle between two adjacent coils 5 is 22.5 degrees. It is also possible placement of the stator winding coils in the grooves of the magnetic circuit 4. The teeth of the magnetic circuit 4 will be the boundaries between which the coils of the coils will be located. The number of coils and central angles are saved. The appearance of the drawings in FIG. 3, 4. The space occupied by the grooves and teeth is called the tooth zone.

Внутренний ротор данной электрической машины содержит группу линейных магнитных сборок 6 Халбаха, каждая из которых содержит по три (минимально возможных) постоянных магнита. Большие оси магнитных сборок 6 и зоны их максимальной индукции расположены перпендикулярно к плоскости движения ротора (плоскости чертежа на фиг. 3).The inner rotor of this electric machine contains a group of linear Halbach magnetic assemblies 6, each of which contains three (minimum possible) permanent magnets. The large axes of the magnetic assemblies 6 and the zones of their maximum induction are located perpendicular to the plane of motion of the rotor (drawing plane in Fig. 3).

Магнитопровод 7 ротора соприкасается с группой линейных магнитных сборок 6 с помощью пластин 8, которые аналогично зубцам 5 являются частью внутреннего магнитопровода 7. Пластины 8 выполнены из ферромагнитного материала, а их габаритные размеры соответствуют габаритным размерам сборок 6. Пластины 8 расположены в зонах минимальной индукции.The rotor magnetic circuit 7 is in contact with a group of linear magnetic assemblies 6 using plates 8, which, like the teeth 5, are part of the internal magnetic circuit 7. The plates 8 are made of ferromagnetic material, and their overall dimensions correspond to the dimensions of the assemblies 6. The plates 8 are located in the zones of minimal induction.

Через внутреннее отверстие магнитопровода 7 проходит центральный вал вращения (на чертеже не изображено).Through the inner hole of the magnetic circuit 7 passes the Central shaft of rotation (not shown).

Количество сборок 5 в группе составляет восемь единиц.The number of assemblies 5 in a group is eight units.

Центральный угол между двумя соседними сборками 6 составляет сорок пять градусов.The central angle between two adjacent assemblies 6 is forty-five degrees.

Вариант электрической машины с внешним ротором изображен на фиг. 5, 6. Внутренний статор данной электрической машины содержит магнитопровод 7 с обмоткой катушечного типа. Группа катушек 5 обмотки расположена с внешней стороны магнитопровода 7. Каждая катушка обмотки расположена на своем сердечнике (зубце), который также является частью магнитопровода 7. Количество катушек в группе и величина центрального угла не изменились. Возможно также размещение катушек обмотки статора в пазах магнитопровода 7.An embodiment of an electric machine with an external rotor is shown in FIG. 5, 6. The internal stator of this electric machine comprises a magnetic circuit 7 with a coil type winding. A group of coils 5 of the winding is located on the outside of the magnetic circuit 7. Each coil of the winding is located on its core (tooth), which is also part of the magnetic circuit 7. The number of coils in the group and the magnitude of the central angle have not changed. It is also possible placement of the stator winding coils in the grooves of the magnetic circuit 7.

Внешний ротор содержит группу линейных магнитных сборок 6 Халбаха с магнитопроводом 4, который соприкасается со сборками 6 с помощью пластин 8, которые являются составной частью внешнего магнитопровода 4. Положение больших осей сборок 6 не изменилось.The external rotor contains a group of linear Halbach magnetic assemblies 6 with a magnetic circuit 4, which is in contact with the assemblies 6 using plates 8, which are part of the external magnetic circuit 4. The position of the major axes of the assemblies 6 has not changed.

Количество сборок 6 в группе и величина центрального угла не изменились. Зоны максимальной индукции сборок 6 расположены перпендикулярно к плоскости движения ротора.The number of assemblies 6 in the group and the value of the central angle have not changed. The zones of maximum induction of the assemblies 6 are located perpendicular to the plane of motion of the rotor.

Другой вариант электрической машины с внешним ротором изображен на фиг. 7, 8. Конструкция внутреннего статора данной электрической машины аналогична предыдущему варианту. Внешний ротор содержит группу линейных магнитных сборок 6 Халбаха в количестве восьми единиц. Большие оси сборок 6 расположены горизонтально к плоскости движения ротора. Величина центральных углов не изменилась. Зоны максимальной индукции сборок 6 расположены перпендикулярно к плоскости движения ротора. Внешний магнитопровод 4 соприкасается со сборками 6 в зонах минимальной индукции с помощью пластин 8. Количество катушек 5 не изменилось.Another embodiment of an electric machine with an external rotor is shown in FIG. 7, 8. The design of the internal stator of this electric machine is similar to the previous embodiment. The outer rotor contains a group of linear magnetic assemblies 6 Halbach in the amount of eight units. The large axis of the assemblies 6 are located horizontally to the plane of motion of the rotor. The value of the central angles has not changed. The zones of maximum induction of the assemblies 6 are located perpendicular to the plane of motion of the rotor. The external magnetic circuit 4 is in contact with the assemblies 6 in the zones of minimal induction using plates 8. The number of coils 5 has not changed.

Линейный вариант электрической машины, изображенный на фиг. 9, 10, может быть представлен как частный случай вариантов, изображенных на фиг. 3, 4, 5, 6 при стремлении радиуса вращения ротора к бесконечности. При этом магнитопровод 4 становится линейной фигурой и при ограничении его длины и количества катушек 5 с количеством сборок 6 получаем искомый результат.The linear embodiment of the electric machine shown in FIG. 9, 10 may be presented as a special case of the variants depicted in FIG. 3, 4, 5, 6 as the radius of the rotor tends to infinity. In this case, the magnetic circuit 4 becomes a linear figure, and with a limitation of its length and the number of coils 5 with the number of assemblies 6, we obtain the desired result.

Большие оси сборок направлены перпендикулярно к вектору движения ротора, функцию которого могут выполнять как сборки 6 с магнитопроводом 7, так и магнитопровод 4 с обмоткой 5. Магнитопровод 7 также является плоской фигурой, поэтому он одновременно выполняет роль и пластины 8.The large axes of the assemblies are directed perpendicular to the rotor motion vector, the function of which can be performed by both assemblies 6 with a magnetic core 7, and a magnetic core 4 with a winding 5. The magnetic core 7 is also a flat figure, therefore it also plays the role of plates 8.

Конструкция электрической машины, изображенной на фиг. 11, 12 содержит нижний магнитопровод 4 с катушками 5 и верхний магнитопровод 7 с группой линейных магнитных сборок 6.The design of the electric machine shown in FIG. 11, 12 comprises a lower magnetic circuit 4 with coils 5 and an upper magnetic circuit 7 with a group of linear magnetic assemblies 6.

Зоны максимальной индукции сборок 6 расположены параллельно к плоскости движения ротора. Большие оси магнитных сборок 6 расположены параллельно к плоскости движения ротора и перпендикулярно к радиусу вращения ротора. Количество элементов конструкции и величина центральных углов не изменились. Сборки 6 соприкасаются с плоской поверхностью магнитопровода 7, поэтому он одновременно выполняет роль и пластины 8.The maximum induction zones of the assemblies 6 are located parallel to the plane of motion of the rotor. The large axes of the magnetic assemblies 6 are located parallel to the plane of motion of the rotor and perpendicular to the radius of rotation of the rotor. The number of structural elements and the magnitude of the central angles have not changed. The assembly 6 is in contact with the flat surface of the magnetic circuit 7, so it simultaneously plays the role of the plate 8.

По аналогии с предыдущей, конструкция электрической машины, изображенной на фиг. 13, 14, также имеет нижний магнитопровод 4 с катушками (обмоткой) 5 и верхний магнитопровод 7 с группой линейных сборок 6. Большие оси магнитных сборок 6 расположены вдоль (параллельно) радиусов вращения ротора. В остальном конструкция аналогична предыдущей.By analogy with the previous one, the design of the electric machine shown in FIG. 13, 14 also has a lower magnetic circuit 4 with coils (winding) 5 and an upper magnetic circuit 7 with a group of linear assemblies 6. The large axes of the magnetic assemblies 6 are located along (parallel) the radii of rotation of the rotor. The rest of the design is similar to the previous one.

Вариант электрической машины, изображенной на фиг. 15 состоит из двух электрических машин, изображенных на фиг. 12, причем вторая является зеркальным отображением первой. Данный вариант конструкции содержит нижний магнитопровод 4 с катушками 5, средний магнитопровод 7 с первой группой сборок 6 и со второй группой сборок 11 и верхний магнитопровод 9 с катушками 10. Зоны максимальной индукции сборок 6 и 11 расположены параллельно к плоскости движения ротора. В остальном конструкция аналогична исходной.An embodiment of the electric machine shown in FIG. 15 consists of two electric machines shown in FIG. 12, the second being a mirror image of the first. This design option contains a lower magnetic circuit 4 with coils 5, a middle magnetic circuit 7 with a first group of assemblies 6 and with a second group of assemblies 11, and an upper magnetic circuit 9 with coils 10. The zones of maximum induction of assemblies 6 and 11 are parallel to the plane of motion of the rotor. The rest of the design is similar to the original.

Линейный вариант электрической машины, изображенной на фиг. 16, 17 есть частный случай вариантов на фиг. 7, 8, 11, 12 при условии стремления значения радиуса вращения к бесконечности и ограничения длины магнитопровода и количества линейных сборок. Большие оси сборок в этом варианте направлены вдоль вектора движения ротора. Устройство содержит плоский магнитопровод 4 с катушками 5 и плоский магнитопровод 7 с группой сборок 6. Функции ротора или статора могут выполнять обе части данного устройства.The linear embodiment of the electric machine shown in FIG. 16, 17 is a special case of the variants in FIG. 7, 8, 11, 12 provided that the value of the radius of rotation tends to infinity and the length of the magnetic circuit and the number of linear assemblies are limited. The large axes of the assemblies in this embodiment are directed along the rotor motion vector. The device comprises a flat magnetic circuit 4 with coils 5 and a flat magnetic circuit 7 with a group of assemblies 6. Both parts of this device can perform the functions of a rotor or stator.

На фиг. 18, 19, 20, 21 изображены варианты электрической машины с количеством катушек 5 в магнитопроводах 4 или 7 равным двадцать четыре.In FIG. 18, 19, 20, 21 depict variants of an electric machine with the number of coils 5 in the magnetic circuits 4 or 7 equal to twenty-four.

На фиг. 18 изображен вариант с внешним статором, аналогичный варианту на фиг. 4.In FIG. 18 shows an embodiment with an external stator, similar to the embodiment in FIG. four.

На фиг. 19 изображен вариант с внешним ротором, аналогичный варианту на фиг. 8.In FIG. 19 shows an embodiment with an external rotor similar to the embodiment in FIG. 8.

На фиг. 20 изображен вариант конструкции, аналогичный варианту на фиг. 12.In FIG. 20 shows a design similar to the embodiment of FIG. 12.

На фиг. 21 изображен вариант конструкции, аналогичный варианту на фиг. 7.In FIG. 21 shows a design similar to the embodiment of FIG. 7.

На фиг. 22 изображен вариант конструкции, аналогичный варианту на фиг. 21, но с количеством катушек равным тридцать два.In FIG. 22 shows an embodiment similar to the embodiment of FIG. 21, but with thirty-two coils.

На фиг. 23 и 24 изображены варианты расположения групп датчиков (сенсоров) 12 относительно положения элементов 13 ротора. Датчики могут быть оптическими, гальваномагнитными и индукционными. К датчикам гальваномагнитного типа относятся элементы Холла, магниторезисторы и магнитодиоды. При их использовании элементами 13 ротора могут служить постоянные магниты, от взаимодействия с которыми будут срабатывать сенсоры 12.In FIG. 23 and 24 depict options for the arrangement of groups of sensors (sensors) 12 relative to the position of the elements 13 of the rotor. Sensors can be optical, galvanomagnetic and induction. Galvanomagnetic type sensors include Hall elements, magnetoresistors, and magnetodiodes. When they are used, permanent magnets can serve as elements of the rotor 13, from the interaction of which sensors 12 will act.

Количество датчиков на фиг. 23 составляет 17 единиц. Они расположены относительно четырех элементов 13 ротора, которые соответствуют четырем магнитным сборкам Халбаха, имеющим одинаковые направления намагниченности. Остальные четыре сборки имеют противоположные направления намагниченности относительно центра движения.The number of sensors in FIG. 23 is 17 units. They are located relative to the four rotor elements 13, which correspond to the four Halbach magnetic assemblies having the same directions of magnetization. The remaining four assemblies have opposite directions of magnetization relative to the center of motion.

Количество датчиков на фиг. 24 составляет 9 единиц и они расположены по отношению к восьми элементам 13 ротора, которые соответствуют восьми сборкам, имеющим одинаковые направления намагниченности относительно центра вращения ротора.The number of sensors in FIG. 24 is 9 units and they are located in relation to eight elements 13 of the rotor, which correspond to eight assemblies having the same directions of magnetization relative to the center of rotation of the rotor.

Датчики 12 расположены по дуге окружности неподвижно по отношению к статору. Центральный угол между двумя соседними сенсорами составляет десять градусов. В исходном (нулевом) состоянии центр первого сенсора совпадает с центром элемента 13 ротора.The sensors 12 are located along an arc of a circle motionless with respect to the stator. The central angle between two adjacent sensors is ten degrees. In the initial (zero) state, the center of the first sensor coincides with the center of the rotor element 13.

В таком положении данный датчик будет находиться в активном (включенном) состоянии, которое должно сохраняться при изменении угла поворота ротора менее пяти градусов в обе стороны.In this position, this sensor will be in an active (on) state, which should be maintained when the angle of rotation of the rotor is less than five degrees in both directions.

При угле поворота равным пяти градусов и более данный сенсор отключается (переходит в пассивное состояние). В исходном состоянии фиг. 24 центр следующего элемента 13 ротора смещен по отношению к центрам пятого и шестого датчиков на угол равный пяти градусам, значит эти датчики находятся в пассивном состоянии. Включен только первый датчик. Если случайно одновременно, все-таки в этот момент сработают пятый и шестой датчики, то микроконтроллер исправит эту ситуацию, как запрещенную. Срабатывание только шестого и первого датчиков означает небольшой поворот ротора против часовой стрелки, а срабатывание пятого и первого датчиков означает поворот ротора по часовой стрелке.When the rotation angle is five degrees or more, this sensor is disabled (goes into a passive state). In the initial state of FIG. 24, the center of the next rotor element 13 is displaced with respect to the centers of the fifth and sixth sensors by an angle equal to five degrees, which means these sensors are in a passive state. Only the first sensor is on. If by chance at the same time, all the same, at this moment the fifth and sixth sensors work, then the microcontroller will correct this situation as forbidden. The operation of only the sixth and first sensors means a slight rotation of the rotor counterclockwise, and the operation of the fifth and first sensors means a rotation of the rotor clockwise.

На фиг. 23 центральный угол между двумя соседними сенсорами составляет 10,6 градусов (округленно). В исходном состоянии включен первый (верхний) датчик. Его состояние будет сохраняться при изменении угла поворота ротора менее 5,3 градусов в обе стороны. Центры девятого и десятого датчиков смещены по отношению к центру элемента ротора на угол равный 5,3 градуса, поэтому они будут выключены. Одновременное срабатывание двух соседних датчиков также является запрещенной ситуацией и микроконтроллер, учитывая предварительное состояние датчиков и направление движения, должен будет внести коррекцию.In FIG. 23, the central angle between two adjacent sensors is 10.6 degrees (rounded). In the initial state, the first (upper) sensor is turned on. Its condition will be maintained when the angle of rotation of the rotor is less than 5.3 degrees in both directions. The centers of the ninth and tenth sensors are offset with respect to the center of the rotor element by an angle equal to 5.3 degrees, so they will be turned off. The simultaneous operation of two adjacent sensors is also a prohibited situation and the microcontroller, taking into account the preliminary state of the sensors and the direction of movement, will have to make a correction.

Позиция 14 обозначает условную границу между элементами 13 датчика и сенсорами 12.Position 14 denotes the conditional boundary between the elements 13 of the sensor and the sensors 12.

На фиг. 25 изображена структурная схема варианта устройства переключения электрической машины в режиме двигателя. Устройство содержит микроконтроллер 15, блок датчиков 16 положения ротора, группу регистров 17, блок драйверов 18 (преобразователей) ключей нижнего и верхнего уровней, блок ключей 19 нижнего уровня, блок ключей 20 верхнего уровня, группу катушек 21 обмотки магнитопровода и блок 22 внешнего управления (пульт управления).In FIG. 25 is a block diagram of an embodiment of a device for switching an electric machine in engine mode. The device contains a microcontroller 15, a block of sensors 16 of the position of the rotor, a group of registers 17, a block of drivers 18 (converters) of keys of the lower and upper levels, a block of keys 19 of the lower level, a block of keys 20 of the upper level, a group of coils 21 of the magnetic core winding, and an external control unit 22 ( Remote Control).

Первая группа цифровых входов-выходов (порты ввода - вывода) микроконтроллера 15 подключена к блоку 22 внешнего управления, вторая группа цифровых входов - выходов микроконтроллера 15 подключена к блоку датчиков 16 положения ротора, третья группа цифровых входов - выходов микроконтроллера 15 подключена к объединенным одноименным информационным входам группы регистров 17, управляющие входы которых подключены к четвертой группе цифровых входов - выходов микроконтроллера 15. Выходы группы регистров 17 подключены к соответствующим входам блока драйверов 18 ключей нижнего и верхнего уровней, выходы которых соединены со входами блока ключей 18 нижнего уровня и входами блока ключей 20 верхнего уровня. Выходы одноименных ключей блока 19 и блока 20 объединены между собой и подключены к точкам последовательного соединения группы катушек 21, которая соединена в последовательную цепь и образует замкнутую кольцевую структуру.The first group of digital inputs and outputs (input / output ports) of the microcontroller 15 is connected to the external control unit 22, the second group of digital inputs and outputs of the microcontroller 15 is connected to the sensor unit 16 of the rotor position, the third group of digital inputs and outputs of the microcontroller 15 is connected to the united informational of the same name the inputs of the group of registers 17, the control inputs of which are connected to the fourth group of digital inputs - outputs of the microcontroller 15. The outputs of the group of registers 17 are connected to the corresponding inputs of the block dr yverov keys 18 of the lower and upper levels, the outputs of which are connected to the inputs of a key block 18 of the lower level and the upper level input key unit 20. The outputs of the same keys of the block 19 and block 20 are interconnected and connected to the serial connection points of a group of coils 21, which is connected in a serial circuit and forms a closed ring structure.

В качестве микроконтроллера 15 можно применить один из микроконтроллеров серии AVR. Так, например, микросхема ATmega 8515 имеет 35 цифровых входов-выходов, а микросхема ATmega 64 имеет 53 цифровых входа - выхода, поэтому оптимальный выбор зависит от многих факторов. В качестве регистров 17 можно использовать микросхему КР1554ИР35, которая является восьмиразрядным регистром с параллельным вводом - выводом данных.As the microcontroller 15, one of the microcontrollers of the AVR series can be used. So, for example, the ATmega 8515 chip has 35 digital inputs / outputs, and the ATmega 64 chip has 53 digital inputs / outputs, so the optimal choice depends on many factors. As registers 17, you can use the chip KR1554IR35, which is an eight-bit register with parallel input - output of data.

В качестве ключей нижнего 19 и верхнего 20 уровней используют МОП (МДП, MOSFET) или IGBT транзисторы, способные работать с напряжением до 1000 В и мощностью свыше 5 кВт. Для управления ими можно применить драйверы 1R2110, 1R2113, логический вход которых совместим со стандартным КМОП выходом, а выходной канал можно использовать для управления силовым транзистором с напряжением питания верхнего уровня до 500 В, или до 600 В (драйверы 18). При использовании низковольтного питания (до 50 В) и средней мощности можно использовать микросхему L 298, которая содержит два МОП-моста со схемой управления, т.е. содержит и драйверы и ключи. Данная микросхема позволяет независимо управлять двумя соленоидами (катушками) с током до 2 А.As the keys of the lower 19 and upper 20 levels, MOS (MOSFET) or IGBT transistors are used that can operate with voltages up to 1000 V and power above 5 kW. To control them, you can use drivers 1R2110, 1R2113, the logical input of which is compatible with the standard CMOS output, and the output channel can be used to control a power transistor with a top-level supply voltage of up to 500 V, or up to 600 V (drivers 18). When using low-voltage power supply (up to 50 V) and medium power, you can use the L 298 chip, which contains two MOS bridges with a control circuit, i.e. contains both drivers and keys. This chip allows you to independently control two solenoids (coils) with a current of up to 2 A.

Блок внешнего управления 22 (пульт управления) может содержать средства для подачи внешних логических сигналов на микроконтроллер 15, а также цифровые индикаторы для контроля работы электрической машины. Можно задавать и контролировать такие режимы работы, как мощность, скорость вращения, включение и выключение и т.д. Регулирование мощности целесообразно производить с помощью изменения напряжения питания, для чего используют источники питания с регулируемым выходом, например, на тиристорах или симисторах. Вариантов построения пульта 22 бесконечно много и они зависят от конкретных требований к электрической машине. На фиг. 26 изображена структурная схема другого варианта устройства переключения электрической машины в режиме двигателя. В отличие от первого варианта катушки статора не соединяются между собой. Каждая катушка независимо управляется своим МОП-мостом, образованным ключами 19 нижнего уровня и ключами 20 верхнего уровня.The external control unit 22 (control panel) may contain means for supplying external logic signals to the microcontroller 15, as well as digital indicators for monitoring the operation of the electric machine. You can set and control such operating modes as power, rotation speed, on and off, etc. It is advisable to control the power by changing the supply voltage, for which use power sources with an adjustable output, for example, on thyristors or triacs. The options for constructing the remote control 22 are infinitely many and they depend on the specific requirements of the electric machine. In FIG. 26 is a structural diagram of another embodiment of a device for switching an electric machine in engine mode. Unlike the first option, the stator coils are not interconnected. Each coil is independently controlled by its MOS bridge, formed by the lower level keys 19 and the upper level keys 20.

На фиг. 27 изображена функциональная схема варианта устройства преобразования напряжения электрической машины в режиме генератора. Устройство содержит группу катушек 21 обмотки магнитопровода, соединенных последовательно с образованием замкнутой электрической цепи. Устройство содержит также две группы выпрямительных диодов 23, 24 и элемент нагрузки 25. Катоды первой группы диодов 23 соединены с анодами второй группы диодов 24 и точками соединений катушек 21. Аноды первой группы диодов 23 соединены между собой и подключены к первому выводу элемента нагрузки 25, второй вывод которого соединен с объединенными катодами второй группы диодов 24. В качестве диодов 23, 24 можно применять выпрямительные диоды с допустимым током в несколько ампер и с допустимым обратным напряжением до 1000 В, например диоды 1N4007.In FIG. 27 is a functional diagram of an embodiment of a voltage conversion device of an electric machine in generator mode. The device contains a group of coils 21 of the winding of the magnetic circuit connected in series with the formation of a closed electrical circuit. The device also contains two groups of rectifier diodes 23, 24 and a load element 25. The cathodes of the first group of diodes 23 are connected to the anodes of the second group of diodes 24 and the connection points of the coils 21. The anodes of the first group of diodes 23 are interconnected and connected to the first output of the load element 25, the second output of which is connected to the combined cathodes of the second group of diodes 24. As diodes 23, 24, rectifier diodes can be used with an allowable current of several amperes and with an allowable reverse voltage of up to 1000 V, for example, 1N4007 diodes.

На табл. 1 представлена таблица состояний сенсоров 12 (см. фиг. 23) в зависимости от угла поворота ротора. Нулевому углу соответствует положение датчиков, изображенное на фиг. 23. Нумерация сенсоров сквозная, от верхнего (первого) до семнадцатого против часовой стрелки. Изменение угла поворота ротора через 2,65 градусов от нуля до 90 градусов. Далее картина повторяется. Активное состояние сенсора отмечается знаком плюс. Таблица составлена для варианта вращения ротора по часовой стрелке.On the table. 1 presents a table of states of sensors 12 (see FIG. 23) depending on the angle of rotation of the rotor. The zero position corresponds to the position of the sensors shown in FIG. 23. The numbering of sensors is end-to-end, from the top (first) to the seventeenth counterclockwise. Changing the angle of rotation of the rotor after 2.65 degrees from zero to 90 degrees. Further the picture is repeated. The active state of the sensor is indicated by a plus sign. The table is compiled for the option of rotating the rotor clockwise.

На табл. 2 зафиксированы состояния сенсоров 12 (см. фиг. 24) при повороте ротора против часовой стрелки. Изменение угла поворота через 2,5 градусов от нуля до 45 градусов. Далее картина повторяется. Активное состояние сенсоров отмечается знаком плюс.On the table. 2, the states of the sensors 12 are fixed (see Fig. 24) when the rotor rotates counterclockwise. Change the angle of rotation through 2.5 degrees from zero to 45 degrees. Further the picture is repeated. The active state of the sensors is indicated by a plus sign.

На табл. 3 представлена таблица переключений катушек обмотки статора в зависимости от угла поворота ротора. Количество катушек 16, количество сборок 8 (фиг. 7, 8)On the table. Figure 3 presents a table of switching stator winding coils depending on the angle of rotation of the rotor. The number of coils 16, the number of assemblies 8 (Fig. 7, 8)

По вертикали таблицы зафиксированы номера катушек. По горизонтали таблицы обозначены углы поворота ротора. При нулевом угле первая катушка расположена напротив первой линейной сборки 6 при угле поворота 22,5 градусов первая сборка будет находиться напротив второй (шестнадцатой) катушки, при угле 45 градусов напротив третьей (пятнадцатой) катушки, при угле сорок пять градусов напротив третьей катушки (четырнадцатой). При угле 90 градусов напротив пятой катушки. Далее состояние катушек повторяется. Соседние сборки 6 намагничены в противоположные стороны по отношению к центру вращения.The vertical numbers of the coils are fixed. The horizontal table indicates the rotor angles of rotation. At zero angle, the first coil is located opposite the first linear assembly 6 at a rotation angle of 22.5 degrees, the first assembly will be opposite the second (sixteenth) coil, at an angle of 45 degrees opposite the third (fifteenth) coil, at an angle of forty-five degrees opposite the third coil (fourteenth ) At an angle of 90 degrees opposite the fifth coil. Further, the state of the coils is repeated. Adjacent assemblies 6 are magnetized in opposite directions with respect to the center of rotation.

За положительный угол поворота можно принять поворот в любую сторону. Знаком плюс отмечается положительное направление (условное) тока через катушку, знаком минус отмечается отрицательное направление тока через данную катушку, знаком ноль отмечается выключение тока через данную катушку.For a positive angle of rotation, you can take a turn in any direction. The plus sign indicates the positive direction (conditional) of the current through the coil, the minus sign indicates the negative direction of the current through this coil, the zero sign indicates the turning off of the current through this coil.

На табл. 4 отображаются переключения катушек для вариантов на фиг. 18, 19, 20, 21. Количество катушек равно 24, диапазон изменения угла 45 градусов. Далее картина повторяется. Все сборки намагничены в одну сторону по отношению к центру вращения.On the table. 4 shows coil switching for the options of FIG. 18, 19, 20, 21. The number of coils is 24, the angle range is 45 degrees. Further the picture is repeated. All assemblies are magnetized in one direction with respect to the center of rotation.

На табл. 5 зафиксированы переключения катушек для варианта на фиг. 22. Количество катушек равно 32, диапазон изменения угла равен 45 градусов. Все сборки намагничены одинаково.On the table. 5, switching coils for the embodiment of FIG. 22. The number of coils is 32, the angle range is 45 degrees. All assemblies are magnetized the same.

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

По определению вращающий момент (крутящий момент, момент вращения, момент силы) равен векторному произведению силы вращения на радиус вращения, и его модуль будет равенBy definition, the torque (torque, torque, torque) is equal to the vector product of the force of rotation by the radius of rotation, and its module will be equal to

М=F⋅R⋅sin∝M = F⋅R⋅sin∝

где М - вращающий моментwhere M is the torque

F - сила вращенияF - rotation force

R - радиус вращенияR is the radius of rotation

∝ - угол между направлением силы вращения и радиусом вращения.∝ is the angle between the direction of the rotation force and the radius of rotation.

Согласно закону Ампера сила, действующая на проводник с током I в магнитном поле с индукцией В, пропорциональна произведению значения тока на значение индукции. Аналогичная сила, согласно третьему закону Ньютона, будет действовать на магниты ротора со стороны магнитного поля, создаваемого токами катушек статора, но с противоположным знаком. Значит вращающий момент, при прочих равных условиях, будет пропорционален значению магнитной индукции в рабочем зазоре электрической машины.According to Ampere’s law, the force acting on a conductor with current I in a magnetic field with induction B is proportional to the product of the current value by the induction value. A similar force, according to Newton’s third law, will act on the rotor magnets from the side of the magnetic field created by the currents of the stator coils, but with the opposite sign. This means that the torque, ceteris paribus, will be proportional to the value of magnetic induction in the working gap of the electric machine.

Рассмотрим функционирование варианта электрической машины, изображенного на фиг. 7, 8. Пронумеруем катушки фиг. 7 от 1 до 16 по часовой стрелке, считая первой верхнюю катушку. Аналогично пронумеруем магнитные сборки от 1 до 8, считая первой верхнюю сборку. За нулевое (исходное) состояние примем расположение катушек и сборок, изображенное на фиг. 7.Consider the operation of the embodiment of the electric machine shown in FIG. 7, 8. We number the coils of FIG. 7 from 1 to 16 clockwise, counting the top coil first. Similarly, we number the magnetic assemblies from 1 to 8, counting the top assembly first. For the zero (initial) state, we take the arrangement of coils and assemblies shown in FIG. 7.

Соседние магнитные сборки намагничены по разному. Для определенности примем, что у первой, третьей, пятой и седьмой сборки в рабочем зазоре находится южный полюс, а у второй, четвертой, шестой и восьмой в зоне максимальной индукции будет северный полюс. Также примем, что положительному значению угла поворота ротора будет соответствовать поворот по часовой стрелке. Согласно табл. 3 для поворота ротора из нулевого положения по часовой стрелке необходимо включить определенные катушки (создать ток). Значения токов указаны в первом столбце (нулевой угол). Катушки 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 могут быть выключены, т.к. они не создадут вращающего момента. Для них sin∝=0. Катушки 2, 6, 10, 14 должны иметь ток со знаком плюс. Катушки 4, 8, 12, 16 должны иметь ток со знаком минус т.е. в противоположном направлении.Adjacent magnetic assemblies are magnetized differently. For definiteness, we assume that the first, third, fifth, and seventh assemblies have a south pole in the working gap, and the second, fourth, sixth, and eighth in the maximum induction zone will have a north pole. We also assume that a clockwise rotation will correspond to a positive value of the angle of rotation of the rotor. According to the table. 3 to turn the rotor from zero position clockwise, it is necessary to turn on certain coils (create current). The current values are indicated in the first column (zero angle). Coils 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 can be turned off, because they will not create torque. For them, sin∝ = 0. Coils 2, 6, 10, 14 must have a current with a plus sign. Coils 4, 8, 12, 16 must have a current with a minus sign i.e. in the opposite direction.

В результате появится вращающий момент для поворота ротора по часовой стрелке. При изменении направления токов на противоположные появится вращающий момент для поворота ротора против часовой стрелки.As a result, a torque appears to rotate the rotor clockwise. When the currents are reversed, a torque appears to rotate the rotor counterclockwise.

При повороте ротора по часовой стрелке сработает датчик 9 фиг. 23 и микроконтроллер даст команду на включение тока в катушках 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 со знаком минус, при сохранении токов в других катушках. Такое состояние должно сохраняться до угла поворота 22.5 градусов. При таком угле поворота ротора каждая катушка занимает предыдущее место соседней катушки, которое она занимала при угле поворота ноль градусов. При таком положении ротора можно выключить часть катушек на короткое время, но уже при угле 23,8 градусов в активном состоянии будут датчики 7 и 16 табл. 1 и катушки должны переключаться в соответствии с шестым столбцом для 25 градусов табл. 3. Зона от 21,2 до 23,8 градусов является неоднозначной и ее можно принимать за нулевой угол, т.е. выключать часть катушек.When the rotor is turned clockwise, the sensor 9 of FIG. 23 and the microcontroller will give a command to turn on the current in coils 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 with a minus sign, while maintaining currents in other coils. This condition should be maintained up to an angle of rotation of 22.5 degrees. With this angle of rotation of the rotor, each coil takes the previous place of the adjacent coil, which it occupied at a rotation angle of zero degrees. With this position of the rotor, you can turn off some of the coils for a short time, but already at an angle of 23.8 degrees, sensors 7 and 16 of the table will be in the active state. 1 and the coils should switch according to the sixth column for 25 degrees of the table. 3. The zone from 21.2 to 23.8 degrees is ambiguous and can be taken as a zero angle, ie turn off part of the coils.

Далее состояние катушек должно сохраняться до угла поворота ротора 45 градусов, при котором каждая катушка снова занимает место следующей катушки. При этом угле включены датчики с номерами 5 и 14, что дает точную фиксацию момента перехода через эту точку.Further, the state of the coils should be maintained up to a rotation angle of the rotor of 45 degrees, at which each coil again takes the place of the next coil. At this angle, sensors with numbers 5 and 14 are included, which gives an accurate fixation of the moment of transition through this point.

При этом угле часть катушек можно выключить, но при угле 47,7 градусов катушки переключаются в соответствии с одиннадцатым столбцом для 50 градусов табл. 3.At this angle, part of the coils can be turned off, but at an angle of 47.7 degrees, the coils are switched in accordance with the eleventh column for 50 degrees of the table. 3.

Каждая из катушек с номерами 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 при углах поворота ротора 0 и 45 градусов создает вращающий момент одновременно для двух соседних линейных сборок, которые намагничены по разному. За счет этого сила вращения, создаваемая этими катушками направлена в одну сторону (по часовой стрелке).Each of the coils with numbers 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 at rotor angles of 0 and 45 degrees creates a torque simultaneously for two adjacent linear assemblies, which are magnetized in different ways. Due to this, the rotation force created by these coils is directed in one direction (clockwise).

Далее переключение катушек происходит аналогично и в соответствии с табл. 1, 3. При углах поворота ротора 67,5 и 90 градусов необходимы новые переключения катушек.Further, the switching of the coils occurs similarly and in accordance with table. 1, 3. At angles of rotation of the rotor of 67.5 and 90 degrees, new switching coils are needed.

Начиная с угла поворота ротора 90 градусов цикл переключений полностью повторяется.Starting from a 90 degree rotor angle, the switching cycle is completely repeated.

Переключением токов в катушках в зависимости от угла поворота ротора, управляет микроконтроллер 15 фиг. 26. Алгоритм его работы представлен на Фиг. 28.The switching of currents in the coils, depending on the angle of rotation of the rotor, is controlled by the microcontroller 15 of FIG. 26. The algorithm of its operation is presented in FIG. 28.

Блок 26. После включения питания происходит начальный сброс и выполнение программы начинается с нулевого адреса.Block 26. After the power is turned on, an initial reset occurs and the program starts from the zero address.

Блок 27. Выполняется начальная установка системы. Обнуляется счетчик номера циклов. Выключаются токи через все катушки.Block 27. The initial installation of the system. The cycle number counter is reset. Turns off currents through all coils.

Блок 28. Считывание кода с блока 22 внешнего управления через цифровые входы-выходы микроконтроллера 15 фиг. 26. Проверка кода на разрешение работы. При отсутствии разрешения организуется цикл и происходит процесс повторения запросов на разрешение работы. При наличии разрешения переход к блоку 29. Разрешение может выполняться как оператором, так и подачей команды от внешнего (удаленного) источника.Block 28. Reading the code from the external control unit 22 through the digital inputs and outputs of the microcontroller 15 of FIG. 26. Checking the code for permission to work. In the absence of permission, a cycle is organized and the process of repeating requests for permission to work occurs. If there is a permission, go to block 29. The permission can be performed either by the operator or by issuing a command from an external (remote) source.

Блок 29. Запись информации с датчиков положения ротора через цифровые входы- выходы микроконтроллера. Включение индикации на пульте управления. Проверка кода на наличие запрещенных состояний датчиков положения ротора. Исправление таких состояний. Определение угла поворота ротора. В соответствии с таблицами, определение кода для включения катушек статора. Запись данного кода в регистры 17 фиг. 26. Увеличение содержимого счетчика номера цикла на единицу. Переход к блоку 30.Block 29. Recording information from rotor position sensors via digital inputs and outputs of the microcontroller. Turning on the display on the control panel. Checking the code for the presence of prohibited states of the rotor position sensors. Correction of such conditions. Determination of the angle of rotation of the rotor. According to the tables, the definition of the code for turning on the stator coils. Writing this code to the registers 17 of FIG. 26. Increase the contents of the cycle number counter by one. Go to block 30.

Блок 30. Ветвление программы в зависимости от номера цикла. Если цикл первый, то переход к блоку 33. Если цикл не первый, то переход к блоку 31.Block 30. Branching the program depending on the cycle number. If the cycle is first, then go to block 33. If the cycle is not the first, then go to block 31.

Блок 31. Ветвление программы в зависимости от результата сравнения предыдущего кода сдатчиков положения ротора и нового кода. Если код не изменился, то переход к блоку 34. Если код изменился, то переход к блоку 32.Block 31. Branching of the program depending on the result of comparing the previous code of rotor position transmitters and the new code. If the code has not changed, then go to block 34. If the code has changed, then go to block 32.

Блок 32. Определение значения интервала времени между двумя соседними углами поворота ротора по таймеру. Вычисление скорости движения ротора. Запись информации на пульт управления. Обнуление таймера. Новое включение таймера. Переход к блоку 28.Block 32. Determining the value of the time interval between two adjacent rotor rotation angles by timer. Calculation of rotor speed. Recording information on the control panel. Reset timer New inclusion of the timer. Go to block 28.

Блок 33. Включение таймера при первом цикле. Переход к блоку 34 или к блоку 28.Block 33. Starting the timer during the first cycle. Go to block 34 or block 28.

Блок 34. Определение интервала времени для разных циклов. Переход к блоку 35.Block 34. Determining the time interval for different cycles. Go to block 35.

Блок 35. Сравнение измеренного интервала времени с допустимым значением. Если измеренное значение меньше допустимого, то переход к блоку 3. Если измеренное значение не меньше предельно допустимого, то переход к блоку 36.Block 35. Comparison of the measured time interval with a valid value. If the measured value is less than permissible, then go to block 3. If the measured value is not less than the maximum permissible, then go to block 36.

Блок 36. Фиксация аварийного состояния. Индикация на пульте управления аварийного режима. Переход к блоку 37.Block 36. Fixing an emergency condition. Indication on the emergency control panel. Go to block 37.

Блок 37. Остановка работы.Block 37. Stop work.

Варианты электрических машин, изображенные на фиг. 3, 4, 5, 6 функционируют аналогичным образом. Датчики положения ротора для этих вариантов расположены в соответствии с табл. 1. Катушки статоров должны переключаться в соответствии с табл. 3. Микроконтроллер функционирует согласно алгоритму на Фиг. 28.Variants of the electrical machines shown in FIG. 3, 4, 5, 6 function in a similar way. The rotor position sensors for these options are located in accordance with table. 1. Coils of stators should be switched in accordance with table. 3. The microcontroller operates according to the algorithm of FIG. 28.

Линейные варианты электрических машин, изображенные на фиг. 9, 10, 16, 17 имеют свои конструктивные особенности, но принципы функционирования, изложенные выше, могут быть использованы и для этих вариантов. Отличием будет то, что датчики положения ротора должны быть расположены вдоль движения ротора линейным образом, а таблицы переключений катушек и датчиков положения ротора должны охватывать весь диапазон движения ротора, выраженный в линейных единицах измерения.The linear versions of the electrical machines shown in FIG. 9, 10, 16, 17 have their own design features, but the principles of operation described above can be used for these options. The difference will be that the rotor position sensors should be located along the rotor movement in a linear way, and the switching tables of the coils and rotor position sensors should cover the entire range of rotor movement, expressed in linear units.

Варианты выполнения электрических машин, изображенных на фиг. 11, 12, 13, 14 также функционируют аналогичным образом с использованием тех же таблиц и алгоритмов. Но благодаря горизонтальному расположению зон максимальной индукции сборок по отношению к плоскости движения ротора здесь могут возникать вертикальные составляющий силы взаимодействия между сборками и катушками статора. Эти силы направлены перпендикулярно плоскости вращения ротора и его радиусу и не создают вращающего момента. Однако они могут оказывать негативное влияние на работу электрической машины. В частности, их действие может создавать тормозящий эффект и приводить к преждевременному износу подшипников.Embodiments of the electrical machines shown in FIG. 11, 12, 13, 14 also function in a similar manner using the same tables and algorithms. But due to the horizontal arrangement of the zones of maximum induction of the assemblies with respect to the plane of motion of the rotor, vertical components of the interaction force between the assemblies and stator coils can arise here. These forces are directed perpendicular to the plane of rotation of the rotor and its radius and do not create a torque. However, they can adversely affect the operation of an electric machine. In particular, their action can create a braking effect and lead to premature bearing wear.

Для компенсации этих сил предусмотрен вариант электрической машины, изображенный на фиг. 15. Он состоит из двух электрических машин, изображенных на фиг. 12, причем вторая (верхняя) является зеркальным отображением первой. Такая сдвоенная конструкция электрической машины позволит компенсировать негативные силы, действующие на ротор при удвоении силы вращения. Данные силы могут возникать в каждой электрической машине, но будут направлены противоположно друг к другу и взаимно компенсироваться. В остальном работа этой машины аналогична предыдущим.To compensate for these forces, a variant of the electric machine is shown, as shown in FIG. 15. It consists of two electric machines shown in FIG. 12, the second (top) being a mirror image of the first. Such a dual design of the electric machine will compensate for the negative forces acting on the rotor when doubling the rotation force. These forces can occur in each electric machine, but will be directed oppositely to each other and mutually compensated. Otherwise, the operation of this machine is similar to the previous ones.

Катушки статора для вышеприведенных вариантов должны быть включены в соответствии со схемой фиг. 26, где каждая катушка переключается с помощью МОП-моста, независимо от состояния соседних катушек. В схеме фиг. 25 переключение возможно только в случаях, когда соседние катушки должны иметь разные токи. Одинаковые токи (по величине и направлению) будут только при последовательном включении нескольких катушек, и при отключении промежуточных ключей низкого и верхнего уровней. Но в этом случае величина общего тока уменьшится пропорционально количеству включенных катушек.The stator coils for the above options should be included in accordance with the circuit of FIG. 26, where each coil is switched using a MOS bridge, regardless of the state of adjacent coils. In the circuit of FIG. 25 switching is only possible in cases where adjacent coils must have different currents. The same currents (in magnitude and direction) will only occur when several coils are connected in series, and when intermediate switches of the lower and upper levels are disconnected. But in this case, the total current decreases in proportion to the number of coils turned on.

Согласно табл. 3 одинаковые токи в соседних катушках возможны во многих случаях, при разных углах поворота ротора, поэтому переключение происходит в соответствии со схемой фиг. 26.According to the table. 3, identical currents in adjacent coils are possible in many cases, at different angles of rotation of the rotor, therefore, switching occurs in accordance with the circuit of FIG. 26.

Варианты электрической машины, изображенные на фиг. 18, 19, 20, 21 содержат по 24 катушки на 8 сборок. Рассмотрим их функционирование на примере фиг. 21. Центральный угол между двумя соседними катушками составляет 15 градусов. Соседние линейные магнитные сборки могут быть намагничены как одинаково, так и в противоположных направлениях. Рассмотрим первый вариант. Расположение датчиков положения ротора для этого варианта изображено на фиг. 24.The embodiments of the electric machine shown in FIG. 18, 19, 20, 21 contain 24 coils for 8 assemblies. Let us consider their operation using the example of FIG. 21. The central angle between two adjacent coils is 15 degrees. Neighboring linear magnetic assemblies can be magnetized both equally and in opposite directions. Consider the first option. The arrangement of rotor position sensors for this embodiment is shown in FIG. 24.

Количество датчиков составляет 9 штук. Центральный угол между двумя соседними датчиками составляет 10 градусов. Совместное срабатывание двух соседних датчиков также запрещено. Количество элементов ротора 8 штук. В табл. 2 отображается состояние датчиков в зависимости от угла поворота ротора против часовой стрелки (для сравнения с табл. 1) от 0 до 45 градусов, далее цикл повторяется. Точками переключения являются углы 0, 15, 30, 45 градусов. В табл. 4 приведены состояния катушек в зависимости от угла поворота ротора. Восемь катушек выключены при каждом угле поворота. Значение плюсов и минусов условное и означает различное направление тока в катушках. При анализе табл. 4 можно отметить, что токи в соседних катушках всегда имеют противоположное направление, поэтому для переключения катушек можно использовать схему фиг. 25, которая является более простой по сравнению со схемой табл. 26.The number of sensors is 9 pieces. The central angle between two adjacent sensors is 10 degrees. The joint operation of two adjacent sensors is also prohibited. The number of rotor elements is 8 pieces. In the table. 2 the status of the sensors is displayed depending on the angle of rotation of the rotor counterclockwise (for comparison with table. 1) from 0 to 45 degrees, then the cycle repeats. The switching points are angles 0, 15, 30, 45 degrees. In the table. 4 shows the state of the coils depending on the angle of rotation of the rotor. Eight coils are turned off at every angle of rotation. The value of the pros and cons is conditional and means a different direction of the current in the coils. When analyzing the table. 4 it can be noted that the currents in adjacent coils always have the opposite direction, therefore, for switching the coils, you can use the circuit of FIG. 25, which is simpler compared to the circuit table. 26.

Преимуществом этого варианта можно также считать упрощение конструкции датчиков положения ротора, и большую стабильность величины силы вращения в зависимости от угла поворота.The advantage of this option can also be considered a simplification of the design of the rotor position sensors, and greater stability of the magnitude of the rotation force depending on the angle of rotation.

Последнее объясняется тем, что количество катушек, которые взаимодействуют с данной сборкой при данном угле поворота становится больше, а значит можно более точно подобрать момент переключения конкретной катушки.The latter is explained by the fact that the number of coils that interact with this assembly at a given angle of rotation becomes larger, which means that it is possible to more accurately select the moment of switching a particular coil.

В остальном работа аналогична рассмотренным выше вариантам.The rest of the work is similar to the options discussed above.

На фиг. 22 изображен вариант электрической машины, содержащей 32 катушки на 8 линейных магнитных сборок. Конструкция датчиков положения ротора соответствует фиг. 24, а состояния катушек отображены в табл. 5. Центральный угол между соседними катушками равен 11,25 градусов. Точками переключения являются углы 0; 11,25; 22,5; 33,75; 45 градусов. Согласно табл. 5 в определенные моменты, с конкретными сборками взаимодействуют по три катушки, причем две из них имеют одинаковые токи. Это усиливает силу вращения. Однако в отдельных случаях можно ограничиться и двумя катушками с разными токами для использования схемы фиг. 25.In FIG. 22 shows an embodiment of an electric machine comprising 32 coils in 8 linear magnetic assemblies. The design of the rotor position sensors corresponds to FIG. 24, and the states of the coils are shown in table. 5. The central angle between adjacent coils is 11.25 degrees. The switching points are angles 0; 11.25; 22.5; 33.75; 45 degrees. According to the table. 5 at certain times, three coils interact with specific assemblies, and two of them have the same currents. This enhances the power of rotation. However, in some cases, it is possible to limit ourselves to two coils with different currents for using the circuit of FIG. 25.

В данном варианте наблюдается еще большая стабильность величины силы вращения от угла поворота ротора, за счет увеличения количества катушек, взаимодействующих с конкретной сборкой. В остальном работа аналогична рассмотренным выше вариантам.In this embodiment, there is even greater stability of the magnitude of the rotation force from the angle of rotation of the rotor, due to an increase in the number of coils interacting with a particular assembly. The rest of the work is similar to the options discussed above.

Здесь необходимо отметить, что магнитопровод 4 ротора и пластины 8 расположены со стороны зоны минимальной индукции сборок 6. Магнитное поле в этой области сильно ослаблено и эффект (увеличение силы вращения) от применения данного магнитопровода и пластин не превышает нескольких процентов. Поэтому в отдельных случаях конструкцию данного магнитопровода можно выполнять из немагнитного материала (алюминия), а вместо пластин просто размещать магнитные сборки внутри магнитопровода. Это уменьшит вес и упростит конструкцию электрической машины. Это также дает возможность применять вариант с тангенциальным намагничиванием магнитных сборок, что расширяет функциональные возможности электрической машины. Также следует отметить возможность применения рассмотренных вариантов для создания безконтактных магнитных подшипников, работающих на принципе магнитной левитации. Для этого следует включать только те катушки, которые находятся напротив центров сборок. Силы взаимодействия будут направлены по радиусу, не будут создавать вращающий момент, но создадут эффект магнитной левитации. Такой режим работы будет отличаться от рассмотренных только несколько иной программой работы микроконтроллера, а именно, составом таблицы переключений катушек.It should be noted here that the rotor magnetic circuit 4 and plates 8 are located on the side of the zone of minimum induction of the assemblies 6. The magnetic field in this region is strongly weakened and the effect (increase in rotation force) from the use of this magnetic circuit and plates does not exceed several percent. Therefore, in some cases, the design of this magnetic circuit can be made of non-magnetic material (aluminum), and instead of plates, it is easy to place magnetic assemblies inside the magnetic circuit. This will reduce weight and simplify the design of the electric machine. It also makes it possible to use the option with tangential magnetization of magnetic assemblies, which extends the functionality of an electric machine. It should also be noted the possibility of using the considered options for creating contactless magnetic bearings operating on the principle of magnetic levitation. To do this, turn on only those coils that are opposite the assembly centers. The forces of interaction will be directed along the radius, will not create a torque, but will create the effect of magnetic levitation. This mode of operation will differ from those considered only by a slightly different program of operation of the microcontroller, namely, by the composition of the table of switching coils.

На фиг. 27 изображен вариант функциональной схемы устройства преобразования напряжения электрической машины в режиме генератора. Согласно закону Фарадея (электромагнитной индукции) электродвижущая сила (э.д.с.), возникающая в замкнутом контуре, пропорциональна изменению магнитного потока через этот контур. На основании этого закона при вращении ротора электрической машины в катушках статора будет возникать э.д.с. При возникновении напряжения на любой катушке статора, происходит его подключение через диоды 23, 24 к нагрузке 25. По нагрузке 25 будет течь электрический ток с падением напряжения фиксированной полярности. Величина напряжения зависит от числа витков катушек, величины магнитной индукции в рабочем зазоре и скорости вращения ротора. При низких скоростях вращения, например в генераторах использующих силу ветра, можно увеличивать диаметры ротора и статора с увеличением количества катушек и магнитных сборок.In FIG. 27 is a variant of a functional diagram of a voltage conversion device of an electric machine in generator mode. According to the Faraday law (electromagnetic induction), an electromotive force (emf) arising in a closed loop is proportional to the change in magnetic flux through this loop. Based on this law, when the rotor of an electric machine rotates, an emf will occur in the stator coils When a voltage occurs on any stator coil, it is connected through diodes 23, 24 to a load of 25. An electric current will flow with a load of 25 with a voltage drop of a fixed polarity. The magnitude of the voltage depends on the number of turns of the coils, the magnitude of the magnetic induction in the working gap and the speed of rotation of the rotor. At low speeds, for example in generators using wind power, it is possible to increase the diameters of the rotor and stator with an increase in the number of coils and magnetic assemblies.

Таким образом, с помощью электрической машины можно осуществлять двухстороннее преобразование механической и электрической энергии.Thus, with the help of an electric machine, two-way conversion of mechanical and electrical energy can be carried out.

Для всех вариантов исполнения электрических машин с линейными магнитными сборками Халбаха были разработаны компьютерные модели и проведены расчеты методом конечных элементов. Были определены силы вращения, действующие на ротор в зависимости от угла его поворота. Результат расчетов подтверждает значительное усиление силы вращения (вращающего момента) при использовании линейных магнитных сборок в роторе электрической машины. Для вариантов с увеличенным количеством катушек на одну сборку подтверждалось увеличение стабильности величины силы вращения в зависимости от угла поворота ротора.For all versions of electric machines with linear Halbach magnetic assemblies, computer models were developed and finite element calculations were performed. The rotational forces acting on the rotor were determined depending on the angle of rotation. The calculation result confirms a significant increase in the rotational force (torque) when using linear magnetic assemblies in the rotor of an electric machine. For options with an increased number of coils per assembly, an increase in the stability of the magnitude of the rotation force depending on the angle of rotation of the rotor was confirmed.

Предлагаемую электрическую машину можно использовать в различных областях промышленности и сельского хозяйства. Весьма эффективно ее применение при создании электромобилей. Сочетание ее технических характеристик с низковольтным напряжением питания автомобиля дает возможность применения микросхем L 298, что значительно упрощает схему переключения. Все это в совокупности позволит создать децентрализованную конструкцию двигателя автомобиля, с размещением его элементов непосредственно в колесах автомобиля. При этом убирается малоэффективная механическая передача энергии от центрального двигателя к колесам, снижаются потери энергии и вес автомобиля. Наличие микроконтроллера в каждом двигателе позволит эффективно управлять движением всего автомобиля, снижать энергозатраты и повышать надежность управления.The proposed electric machine can be used in various fields of industry and agriculture. Its use in the creation of electric vehicles is very effective. The combination of its technical characteristics with a low-voltage power supply of the car makes it possible to use L 298 chips, which greatly simplifies the switching circuit. All this together will allow you to create a decentralized design of the car engine, with the placement of its elements directly in the wheels of the car. At the same time, ineffective mechanical energy transfer from the central engine to the wheels is removed, energy losses and vehicle weight are reduced. The presence of a microcontroller in each engine will allow you to effectively control the movement of the entire car, reduce energy consumption and improve control reliability.

Claims

1. An electric machine (options) containing a stator, rotor, a switching device in motor mode and a voltage conversion device in generator mode, characterized in that this device contains a group of linear Halbach magnetic assemblies whose maximum induction zones are either perpendicular or parallel to the plane of movement of the rotor with an accuracy of several degrees, and with closed magnetic circuits of the rotor and stator, this device is a rotating electric machine.

2. The electric machine according to claim 1, characterized in that when the zones of maximum induction are perpendicular to the plane of motion of the rotor, the internal or external rotor contains a group of linear Halbach magnetic assemblies with a magnetic circuit, and the external or, accordingly, internal stator contains a magnetic circuit with a winding.

3. The electric machine according to claim 1, characterized in that when the zones of maximum induction are parallel to the plane of motion of the rotor, a second similar electric machine is additionally introduced, comprising a second stator and a second rotor with its own magnetic circuits, the magnetic circuit of the second rotor combined with the magnetic circuit of the first rotor, and the second electric machine is a mirror image of the first.

4. An electric machine (options) containing a stator, rotor, a switching device in motor mode and a voltage conversion device in generator mode, characterized in that this device contains a group of linear Halbach magnetic assemblies whose maximum induction zones are either perpendicular or parallel to the plane of motion of the rotor with an accuracy of several degrees, and with the open magnetic circuits of the rotor and stator, this device is converted into a linear electric machine, in which nktsii rotor or stator may perform as a group of linear magnetic assembly Halbaha with the yoke and accordingly, the magnetic circuit with a winding.