RU2704491C1 - Synchronous electric motor with magnetic reduction - Google Patents

Synchronous electric motor with magnetic reduction Download PDF

Info

Publication number
RU2704491C1
RU2704491C1 RU2018142511A RU2018142511A RU2704491C1 RU 2704491 C1 RU2704491 C1 RU 2704491C1 RU 2018142511 A RU2018142511 A RU 2018142511A RU 2018142511 A RU2018142511 A RU 2018142511A RU 2704491 C1 RU2704491 C1 RU 2704491C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stator
rotor
disks
teeth
magnetic
Prior art date
Application number
RU2018142511A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Юрьевич Афанасьев
Николай Алексеевич Березов
Константин Алексеевич Килиманов
Валерий Геннадьевич Макаров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2018142511A priority Critical patent/RU2704491C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2704491C1 publication Critical patent/RU2704491C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, namely to synchronous motors with excitation from permanent magnets. Synchronous motor with magnetic reduction includes housing 1 and bearing shields 2, 3. Rings 4, 5 of stator magnetic conductor are installed on them. On rings 4, 5 there are twelve teeth 6, 7 with crowns and coils 8, 9. Four permanent magnets 10 are installed on bushing 11 of rotor of fast rotation. Stator discs 14, 15 are secured on stator sleeves 12, 13. Slow rotation rotor disks 18, 19 are fitted on bushings 16, 17. Stator discs 14, 15 and slow rotation rotor disks 18, 19 have ferromagnetic and non-magnetic elements in the form of sectors. On end surfaces of teeth 6, 7 there are protrusions, angular position of which coincides with position of ferromagnetic elements of stator discs. Shaft 20 rests on bearings 21, 22. They are installed in bearing shields 2, 3. Rotor of fast rotation rests on bearing 23 installed in the middle on shaft 20. Amount of ferromagnetic elements on stator disc zc and on rotor disk zp are related by equality zp=zc±2p, where p is number of pole pairs of stator winding. With number of stator teeth z=6p and making coils around two adjacent teeth creating spatial harmonics of MMF along gap without even harmonics, synchronous motor with improved energy indices is obtained.
EFFECT: improvement of power characteristics of synchronous electric motor.
1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим машинам, а конкретно к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата "двигатель-редуктор" в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, для применения, например, в качестве мотор-колеса экологически чистых автомобилей.The invention relates to electric machines, and in particular to synchronous motors with excitation from permanent magnets, and can be used as a compact unit "motor-reducer" in mechanical systems with a long service life under shock loads, for use, for example, as a motor wheels of environmentally friendly cars.

Известно техническое решение по патенту РФ №2375806. Сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель имеет корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, вал, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с ротором, а цилиндры статора - с корпусом, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения. Введены второй пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней поверхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быстрого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, расположенные между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмоткой, имеющим обращенную конструкцию.A technical solution according to the patent of the Russian Federation No. 2375806 is known. The essence is that the synchronous electric motor has a housing, a stator package with teeth and with a multiphase winding, a shaft, alternating coaxial hollow cylinders of the rotor and stator, consisting of ferromagnetic and non-magnetic elements located along the axis of rotation, and the rotor cylinders are mechanically connected to the rotor, and the stator cylinders - with a housing, while the teeth and ferromagnetic elements of the stator cylinders, as well as the teeth of the magnetic circuit and the ferromagnetic elements of the rotor cylinders have their same angular positions. A second stator package was introduced in the form of a hollow cylinder with teeth on its inner surface, located outside of the hollow cylinders, a shaft with a fast rotation rotor containing highly coercive permanent magnets in the form of rectangular parallelepipeds located radially, tangentially and counter magnetized, wedge-shaped pole tips located between hollow cylinders and a stator package with a multiphase winding having a reversed design.

Недостатком является сложность конструкции и ограниченная скорость вращения из-за консольного расположения полых цилиндров, а также низкая надежность работы на подвижном основании.The disadvantage is the design complexity and limited rotation speed due to the cantilever arrangement of the hollow cylinders, as well as the low reliability of work on a moving base.

Известно техническое решение по патенту РФ №2544835. Сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами на валу с подшипниками и многослойный ротор медленного вращения на валу с подшипниками. Ротор медленного вращения и статор имеют чередующиеся диски, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности другого кольца имеются клиновидные выступы, имеющие свои одинаковые угловые размеры и положения с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора zc и на диске ротора zp связаны равенством zp=zc±2р, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны.A technical solution according to the patent of the Russian Federation No. 2544835 is known. The essence is that the synchronous motor with magnetic reduction contains a housing, a stator package with teeth and with a multiphase winding, a fast rotation rotor with permanent magnets on a shaft with bearings and a multi-layer slow rotation rotor on a shaft with bearings. The slow rotation rotor and the stator have alternating disks consisting of ferromagnetic and non-magnetic elements in the form of sectors, permanent magnets have the form of sectors and are magnetically axially magnetized with alternating polarity, the stator package is made in the form of two rings of electrical steel tape by winding located at the ends of the electric motor, false teeth with coils and crowns are installed on the end surface of the ring of the stator package, on the surface of the other ring there are wedge-shaped protrusions having their same angles stems dimensions and position with the ferromagnetic elements of the stator disk, wherein the number of ferromagnetic elements on the stator disk and z c z p rotor disk related by z p z c = 2p ± and angular dimensions of the ferromagnetic elements of the stator and rotor disks slow rotation are different.

Недостатком является наличие двух валов, что усложняет конструкцию, а также отсутствие оптимального соотношения между толщиной постоянных магнитов и толщиной и количеством рабочих зазоров, что снижает энергетические показатели.The disadvantage is the presence of two shafts, which complicates the design, as well as the lack of an optimal ratio between the thickness of the permanent magnets and the thickness and number of working gaps, which reduces energy performance.

Известно техническое решение по патенту РФ №2604058. Сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит корпус, магнитопровод статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора и ротора медленного вращения состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, магнитопровод статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности первого кольца магнитопровода статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора zc и на диске ротора zp связаны равенством zp=zc±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, подшипник ротора быстрого вращения установлен на валу ротора медленного вращения а толщина постоянных магнитов hм на роторе быстрого вращения связана с толщиной и количеством рабочих зазоров соотношением hм=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения,A technical solution according to the patent of the Russian Federation No. 2604058 is known. The essence is that the synchronous electric motor with magnetic reduction contains a housing, a stator magnetic circuit with teeth and a multiphase winding, a fast rotation rotor with permanent magnets and a bearing, a slow rotation rotor on a shaft with bearings and a stator have alternating disks, stator and rotor disks slow rotation consist of ferromagnetic and non-magnetic elements in the form of sectors, permanent magnets have the form of sectors and are magnetized axially with alternating polarity, the stator magnetic circuit is made in in the form of two rings of electrical steel tape by winding, located at the ends of the electric motor, false teeth with coils and crowns are installed on the end surface of the first ring of the stator magnetic circuit, and the number of ferromagnetic elements on the stator disk z c and on the rotor disk z p are related by z p = z c ± 2р, where p is the number of pairs of poles of the stator winding, and the angular dimensions of the ferromagnetic elements of the disks of the stator and the rotor of slow rotation are different, the bearing of the fast rotation rotor is mounted on the rotor shaft rotation and the thickness of the permanent magnets h m on the fast rotor is related to the thickness and number of working gaps by the ratio h m = 2mδ, where δ is the gap between the disks, m is the number of disks of the slow rotation rotor,

Недостатком является наличие осевого усилия на вал медленного вращения из-за несимметрии магнитной системы, большой поток рассеяния из-за большой МДС постоянного магнита и большого количества путей, а также трудность охлаждения из-за расположения обмотки с одного торца электродвигателя, что снижает энергетические показатели и надежность электродвигателя.The disadvantage is the presence of axial force on the shaft of slow rotation due to asymmetry of the magnetic system, a large scattering flux due to the large MDS of the permanent magnet and a large number of paths, as well as the difficulty of cooling due to the location of the winding from one end of the electric motor, which reduces energy performance and reliability of the electric motor.

Наиболее близким техническим решением к заявленному техническому решению по наибольшему количеству совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, выбранному заявителем в качестве прототипа, является изобретение по патенту РФ №2668817. Сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит корпус, магнитопровод статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора и ротора медленного вращения состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, магнитопровод статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевых поверхностях первого, второго колец магнитопровода статора, на торцевых поверхностях коронок зубцов выполнены выступы, положение которых совпадает с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора zc и на диске ротора zp связаны равенством zp=zc±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, подшипник ротора быстрого вращения установлен посередине на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов hм на роторе быстрого вращения связана с толщиной и количеством рабочих зазоров соотношением hм=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения.The closest technical solution to the claimed technical solution for the largest number of matching features and the achieved technical result, selected by the applicant as a prototype, is the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2668817. The essence is that the synchronous electric motor with magnetic reduction contains a housing, a stator magnetic circuit with teeth and a multiphase winding, a fast rotation rotor with permanent magnets and a bearing, a slow rotation rotor on a shaft with bearings and a stator have alternating disks, stator and rotor disks slow rotation consist of ferromagnetic and non-magnetic elements in the form of sectors, permanent magnets have the form of sectors and are magnetized axially with alternating polarity, the stator magnetic circuit is made in in the form of two rings of electrical steel tape by winding, located at the ends of the electric motor, overhead teeth with coils and crowns are installed on the end surfaces of the first, second rings of the stator magnetic circuit, protrusions are made on the end surfaces of the tooth crowns, the position of which coincides with the ferromagnetic elements of the stator disks, and number of ferromagnetic elements on the stator disk and z c z p rotor disk related by z p z c = ± 2p, where p - the number of stator pole pairs and the angular dimensions Furr magnetic members of the stator disks and the rotor slow rotation are different, the rapid rotation of the rotor bearing is mounted centrally on the rotor slow rotation shaft, and the thickness of the permanent magnets h m rotor rapid rotation is related to the thickness and number of transmission gaps ratio h m = 2mδ, where δ - gap between disks, m is the number of disks of the rotor of slow rotation.

Недостатком является наличие четных пространственных гармоник в законе распределения вдоль зазора магнитодвижущей силы обмотки статора, что вызывает дополнительные потери энергии в магнитопроводе.The disadvantage is the presence of even spatial harmonics in the distribution law along the gap of the magnetomotive force of the stator winding, which causes additional energy loss in the magnetic circuit.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в улучшении энергетических показателей.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to improve energy performance.

Технический результат достигается тем, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, магнитопровод статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора и ротора медленного вращения состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, магнитопровод статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевых поверхностях первого, второго колец магнитопровода статора, на торцевых поверхностях коронок зубцов выполнены выступы, положение которых совпадает с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора zc и на диске ротора zp связаны равенством zp=zc±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, подшипник ротора быстрого вращения установлен посередине на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов hм на роторе быстрого вращения связана с толщиной и количеством рабочих зазоров соотношением hм=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения, имеет число зубцов статора z=6р, а катушки намотаны вокруг двух соседних зубцов.The technical result is achieved in that the synchronous electric motor with magnetic reduction, comprising a housing, a stator magnetic circuit with teeth and a multiphase winding, a fast rotation rotor with permanent magnets and a bearing, a slow rotation rotor on a shaft with bearings and a stator, have alternating disks, stator disks and slow rotation rotors consist of ferromagnetic and non-magnetic elements in the form of sectors, permanent magnets have the form of sectors and are magnetized axially with alternating polarity, the magnetic circuit stat The ora is made in the form of two rings of electrical steel tape by winding, located at the ends of the electric motor, patch teeth with coils and crowns are installed on the end surfaces of the first, second rings of the stator magnetic circuit, protrusions are made on the end surfaces of the tooth crowns, the position of which coincides with the ferromagnetic elements of the disks stator, and the number of ferromagnetic elements on the stator disk z c and on the rotor disk z p are related by the equality z p = z c ± 2р, where p is the number of pairs of poles of the stator winding, and the angles e the dimensions of the ferromagnetic elements of the disks of the stator and the rotor of slow rotation are different, the bearing of the rotor of fast rotation is mounted in the middle on the shaft of the rotor of slow rotation, and the thickness of the permanent magnets h m on the rotor of fast rotation is connected with the thickness and number of working gaps by the ratio h m = 2mδ, where δ - the gap between the disks, m is the number of disks of the rotor of slow rotation, has the number of stator teeth z = 6p, and the coils are wound around two adjacent teeth.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами (фиг. 1 - фиг. 7):The claimed technical solution is illustrated by drawings (Fig. 1 - Fig. 7):

- на фиг. 1 - показано продольное сечение синхронного электродвигателя с магнитной редукцией;- in FIG. 1 - shows a longitudinal section of a synchronous electric motor with magnetic reduction;

- на фиг. 2 - показан ротор быстрого вращения;- in FIG. 2 - shows a fast rotation rotor;

- на фиг. 3 - показан диск статора;- in FIG. 3 - shows the stator disk;

- на фиг. 4 - показан диск ротора медленного вращения;- in FIG. 4 - shows the rotor disk of a slow rotation;

- на фиг. 5 - показан вид зубцов с катушками;- in FIG. 5 - shows a view of teeth with coils;

- на фиг. 6 - показан закон распределения МДС обмотки прототипа;- in FIG. 6 - shows the distribution law of the MDS winding of the prototype;

- на фиг. 7 - показан закон распределения МДС обмотки электродвигателя заявки.- in FIG. 7 - shows the distribution law of the MDS winding of the electric motor of the application.

Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах.The following are presented in detail the design features of the features shown in these figures.

На фиг. 1 представлен синхронный электродвигатель, где;In FIG. 1 shows a synchronous electric motor, where;

1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты;1 - housing; 2, 3 - bearing shields;

4, 5 - кольца пакета статора;4, 5 - stator pack rings;

6, 7 - зубцы;6, 7 - teeth;

8, 9 - катушки;8, 9 - coils;

10 - постоянный магнит;10 - permanent magnet;

11 - втулка ротора быстрого вращения;11 - sleeve rotor fast rotation;

12, 13 - втулки статора;12, 13 - stator bushings;

14, 15 - диски статора;14, 15 - stator disks;

16, 17 - втулки ротора медленного вращения;16, 17 - sleeve rotor slow rotation;

18, 19 - диски ротора медленного вращения;18, 19 - discs of the rotor of slow rotation;

20 - вал;20 - shaft;

21, 22 - подшипники ротора медленного вращения;21, 22 - slow rotor bearings;

23 - подшипник ротора быстрого вращения.23 - bearing of the rotor of rapid rotation.

Заявленная конструкция собрана следующим образом. Корпус 1 жестко связан с подшипниковыми щитами 2, 3. На них установлены кольца 4, 5 магнитопровода статора. На кольце 4 имеются двенадцать зубцов 6 с катушками 8. На кольце 5 имеются двенадцать зубцов 7 с катушками 9.The claimed design is assembled as follows. The housing 1 is rigidly connected with the bearing shields 2, 3. They are installed rings 4, 5 of the stator magnetic circuit. On the ring 4 there are twelve teeth 6 with coils 8. On the ring 5 there are twelve teeth 7 with coils 9.

Четыре постоянных магнита 10 установлены на втулке 11 ротора быстрого вращения. Диски 14, 15 статора закреплены на втулках 12, 13 статора, установленных на корпусе 1. Диски 18, 19 ротора медленного вращения установлены на втулках 16, 17 ротора медленного вращения, установленных на валу 20. Вал 20 опирается на подшипники 21, 22, установленные в подшипниковых щитах 2, 3. Ротор быстрого вращения установлен на подшипнике 23, установленном на валу 20. Подшипник 23 имеет большую ширину и является радиально-упорным для обеспечения требуемого положения ротора быстрого вращения.Four permanent magnets 10 are mounted on the sleeve 11 of the fast rotation rotor. The stator disks 14, 15 are mounted on the stator bushings 12, 13 mounted on the housing 1. The slow rotation rotor disks 18, 19 are mounted on the slow rotation rotor bushings 16, 17 mounted on the shaft 20. The shaft 20 is supported by bearings 21, 22 mounted in the bearing shields 2, 3. The fast rotation rotor is mounted on a bearing 23 mounted on the shaft 20. The bearing 23 is wide and angularly resistant to provide the required position of the fast rotation rotor.

Кольца 4, 5 магнитопровода статора и зубцы 6, 7 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. Зубцы 6, 7 с коронками имеют вид секторов. Они установлены на кольцах 4, 5 магнитопровода статора. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С.The rings 4, 5 of the stator magnetic circuit and the teeth 6, 7 are made of electrical steel tape by winding. The teeth 6, 7 with crowns look like sectors. They are installed on the rings 4, 5 of the stator magnetic circuit. Coils arranged diametrically are connected in series in the opposite direction and form three phases of the stator winding: A, B and C.

Ротор быстрого вращения имеет четыре постоянных магнита 10 из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, имеющие вид секторов (на фиг. 2 показаны закрашенными), и немагнитные сектора (на фиг. 2 не закрашены). Сектора намагничены по оси вращения и образуют на торцевых поверхностях чередующиеся полюса.The fast rotation rotor has four permanent magnets 10 made of highly coercive hard magnetic material having the form of sectors (shown in shaded in FIG. 2) and non-magnetic sectors (not shaded in FIG. 2). Sectors are magnetized along the axis of rotation and form alternating poles on the end surfaces.

Диски 14, 15 статора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 3 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 3 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.The stator disks 14, 15 have alternating sectors of soft magnetic material (shown in Fig. 3 as dark) and non-magnetic material (in Fig. 3 light). Magnetic elements are made of electrical steel.

Диски 18, 19 ротора медленного вращения имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 4 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 4 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.The disks 18, 19 of the slow rotation rotor have alternating sectors of soft magnetic material (shown in Fig. 4 dark) and non-magnetic material (in Fig. 4 light). Magnetic elements are made of electrical steel.

Количество ферромагнитных элементов дисков статора zc и ферромагнитных элементов дисков ротора медленного вращения zp, приходящихся на одно полюсное деление, отличаются на единицу. На фиг. 3, 4 показан случай, когда число пар полюсов р=2, zc=20, zp=24.The number of ferromagnetic elements of the stator disks z c and ferromagnetic elements of the disks of the slow rotation rotor z p per one pole division differ by one. In FIG. 3, 4, the case is shown when the number of pole pairs is p = 2, z c = 20, z p = 24.

Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией работает следующим образом. При подаче на обмотку статора трехфазной системы напряжений возникает вращающееся магнитное поле с четырьмя полюсами. Оно увлекает за собой ротор быстрого вращения. Вместе с ним вращаются области большой магнитной индукции в дисках статора и ротора медленного вращения. В результате ротор медленного вращения поворачиваются так, что места совпадения положений ферромагнитных элементов дисков статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков ротора медленного вращения находятся в зонах максимума модуля магнитной индукции.Synchronous motor with magnetic reduction operates as follows. When a three-phase voltage system is applied to the stator winding, a rotating magnetic field with four poles arises. It carries with it a rotor of rapid rotation. Together with it, areas of large magnetic induction rotate in the disks of the stator and rotor of slow rotation. As a result, the slow rotation rotor is rotated so that the positions of coincidence of the positions of the ferromagnetic elements of the stator disks and the corresponding ferromagnetic elements of the disks of the slow rotation rotor are in the areas of maximum magnetic induction module.

За половину периода напряжения питания T/2=π/ω ротор быстрого вращения повернется на угол π/2, а места максимума модуля магнитной индукции повторятся. При этом ротор медленного вращения должен повернуться на один сектор, т.е. на угол 2π/zp.Следовательно, магнитный редуктор имеет передаточное отношение zp/4. Поэтому скорость вращения ротора медленного вращения будет ωм=2ω/zp. Здесь ω - угловая частота напряжения питания. Момент на валу медленного вращения Мм=zpMб/2.For half the period of the supply voltage T / 2 = π / ω, the rotor of rapid rotation will rotate by an angle π / 2, and the places of the maximum magnetic induction module will be repeated. In this case, the rotor of slow rotation should turn by one sector, i.e. at an angle of 2π / z p. Therefore, the magnetic gearbox has a gear ratio z p / 4. Therefore, the rotational speed of the rotor of slow rotation will be ω m = 2ω / z p. Here ω is the angular frequency of the supply voltage. The moment on the shaft of slow rotation M m = z p M b / 2.

Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.The presence of several disks of the stator and rotor causes multiple deformation of the magnetic field in the zone of the disks, which increases the developed moment and allows to improve the overall dimensions.

На торцевых поверхностях коронок зубцов 6, 7, обращенных к активной зоне, имеются клиновидные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.On the end surfaces of the teeth crowns 6, 7, facing the active zone, there are wedge-shaped protrusions in the form of sectors, repeating in shape and quantity the ferromagnetic elements of the stator disks, which increases the developed moment.

На фиг. 5 показаны зубцы с обмотками. Катушки А и -А смещены на угол π/2 и соединены последовательно и согласно. Аналогично размещены и соединены соответственно катушки В, -В и С, -С.In FIG. 5 shows teeth with windings. Coils A and -A are offset by an angle π / 2 and connected in series and in accordance. Coils B, -B and C, -C are respectively placed and connected respectively.

Ферромагнитные элементы дисков статора и ротора медленного вращения выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется.Ferromagnetic elements of the disks of the stator and rotor of slow rotation are made of electrical steel lined to reduce losses in the steel due to eddy currents, since during operation the magnetic induction in the sectors changes.

Передача момента от ротора быстрого вращения к ротору медленного вращения является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на валу медленного вращения он отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.The moment transfer from the rotor of fast rotation to the rotor of slow rotation is elastic - through a magnetic field. With an increase in the load moment on the shaft of slow rotation, it lags by a certain angle from the position corresponding to idling.

Электродвигатель не имеет механических контактов между подвижными активными частями, бесшумен в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между роторами осуществляется через магнитное поле.The electric motor does not have mechanical contacts between the moving active parts, is silent in operation, has a long service life, determined by bearings, allows shock loads, since the connection between the rotors is through a magnetic field.

Удельная энергия магнитного поля определяется выражениемThe specific energy of the magnetic field is determined by the expression

Figure 00000001
Figure 00000001

При линейной кривой размагничивания максимальная энергия постоянного магнита достигается при условии равенства магнитных сопротивлений постоянного магнита и нагрузки, которой являются зазоры между дисками статора и ротора медленного вращения. Это равенство обеспечивает высокие энергетические показатели и выполняется, если толщина магнита равна сумме длин зазоров между дисками, т.е. при выполнении равенстваWith a linear demagnetization curve, the maximum energy of the permanent magnet is achieved provided that the magnetic resistances of the permanent magnet are equal to the load, which is the gaps between the disks of the stator and the slow rotor rotor. This equality provides high energy performance and is satisfied if the thickness of the magnet is equal to the sum of the lengths of the gaps between the disks, i.e. when fulfilling equality

hм=2mδ,h m = 2mδ,

где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения.where δ is the gap between the disks, m is the number of disks of the rotor of slow rotation.

Установка подшипника 23 ротора быстрого вращения на вал 20 увеличивает базу для вала и упрощает конструкцию. Ротор быстрого вращения усиливает поле, созданное обмоткой двигателя. Благодаря его размещению посередине и размещению зубцов с катушками на обоих магнитопроводах получается симметричная магнитная система и полностью снимается осевое усилие, действующее на вал. Подшипники 21, 22 нагружены лишь радиальными усилиями, что снижает напряжение трогания электродвигателя и повышает его надежность.The installation of the bearing 23 of the rotor of rapid rotation on the shaft 20 increases the base for the shaft and simplifies the design. The rapid rotation rotor reinforces the field created by the motor winding. Thanks to its placement in the middle and the placement of teeth with coils on both magnetic circuits, a symmetrical magnetic system is obtained and the axial force acting on the shaft is completely removed. Bearings 21, 22 are loaded only with radial forces, which reduces the starting voltage of the electric motor and increases its reliability.

Центральное размещение ротора быстрого вращения с постоянными магнитами снижает магнитный поток рассеяния в магнитном редукторе приблизительно в четыре раза по сравнению с несимметричным размещением. Это увеличивает полезный магнитный поток, проходящий через диски статора и ротора медленного вращения, что увеличивает максимальный вращающий момент электродвигателя.The central location of the rotor of fast rotation with permanent magnets reduces the magnetic flux of scattering in the magnetic gearbox by about four times compared with the asymmetric placement. This increases the useful magnetic flux passing through the stator and slow rotor disks, which increases the maximum torque of the electric motor.

Мощность потерь в обмотках, приходящаяся на один торец электродвигателя, в два раза меньше, чем при одностороннем положении обмотки, что облегчает охлаждение электродвигателя и повышает его надежность.The power loss in the windings per one end of the electric motor is two times less than with the unilateral position of the winding, which facilitates cooling of the electric motor and increases its reliability.

На фиг. 6 показано распределение МДС F(x) прототипа в момент времени, когда ток в фазе А максимален. Показаны первая F1(х) и вторая F2(х) гармоники. Магнитодвижущая сила одной катушки при максимальном значении тока принята равной 20 А.In FIG. 6 shows the distribution of the MDF F (x) of the prototype at a time when the current in phase A is maximum. The first F 1 (x) and second F 2 (x) harmonics are shown. The magnetomotive force of one coil at a maximum current value is taken equal to 20 A.

На фиг. 7 показано распределение МДС F(x) в момент времени, когда ток в фазе А максимален. Показаны первая F1(x) и пятая F5(x) гармоники. Магнитодвижущая сила одной катушки при максимальном значении тока принята равной 10 А - в два раза меньше, чем в обмотке прототипа. В таблице приведены амплитуды пространственных гармоник для обмотки прототипа с шестью катушками и заявляемой обмотки с двенадцатью катушками.In FIG. 7 shows the distribution of the MDF F (x) at a time when the current in phase A is maximum. The first F 1 (x) and fifth F 5 (x) harmonics are shown. The magnetomotive force of one coil at a maximum current value is taken equal to 10 A - two times less than in the prototype winding. The table shows the amplitudes of the spatial harmonics for the winding of the prototype with six coils and the claimed winding with twelve coils.

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Видно, что пространственные гармоники МДС, кратные трем, отсутствуют в обеих обмотках. В предлагаемой обмотке отсутствуют четные гармоники. Нечетные гармоники, не кратные трем, в обеих обмотках совпадают.It is seen that the spatial harmonics of the MDS, multiples of three, are absent in both windings. The proposed winding lacks even harmonics. Odd harmonics, not multiple of three, in both windings coincide.

Среднеквадратическое значение высших пространственных гармоник МДС прототипа и заявляемой обмоток имеют значенияThe rms value of the higher spatial harmonics of the MDS prototype and the claimed windings matter

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Видно, что у заявляемой обмотки действующее значение высших гармоник МДС меньше на 54,28%.It is seen that the claimed value of the current value of the higher harmonics of the MDS is 54.28% less.

Высшие пространственные гармоники МДС создают аналогичные гармоники магнитной индукции и вызывают дополнительные магнитные потери в стали статора и ротора. Поэтому предлагаемая обмотка имеет значительные преимущества по экономичности.The higher spatial harmonics of the MDS create similar harmonics of magnetic induction and cause additional magnetic losses in the steel of the stator and rotor. Therefore, the proposed winding has significant advantages in terms of efficiency.

Claims (1)

Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, магнитопровод статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора и ротора медленного вращения состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, магнитопровод статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевых поверхностях первого и второго колец магнитопровода статора, на торцевых поверхностях коронок зубцов выполнены выступы, положение которых совпадает с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора zc и на диске ротора zp связаны равенством zp=zc±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, подшипник ротора быстрого вращения установлен посередине на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов hм на роторе быстрого вращения связана с толщиной и количеством рабочих зазоров соотношением hм=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения, отличающийся тем, что число зубцов статора z=6р, а катушки намотаны вокруг двух соседних зубцов.Magnetic reduction synchronous electric motor, comprising a housing, a stator magnetic circuit with teeth and a multiphase winding, a fast rotation rotor with permanent magnets and a bearing, a slow rotation rotor on a shaft with bearings and a stator have alternating disks, the stator and slow rotation rotor disks consist of ferromagnetic and non-magnetic elements in the form of sectors, permanent magnets have the form of sectors and are magnetized axially with alternating polarity, the stator magnetic circuit is made in the form of two rings of electrical tape of technical steel by winding, located at the ends of the electric motor, overhead teeth with coils and crowns are installed on the end surfaces of the first and second rings of the stator magnetic circuit, protrusions are made on the end surfaces of the tooth crowns, the position of which coincides with the ferromagnetic elements of the stator disks, and the number of ferromagnetic elements on the disk the stator z c and on the rotor disk z p are connected by the equality z p = z c ± 2р, where p is the number of pairs of poles of the stator winding, and the angular dimensions of the ferromagnetic elements of the disks the stator and the rotor of slow rotation are different, the bearing of the rotor of fast rotation is installed in the middle on the shaft of the rotor of slow rotation, and the thickness of the permanent magnets h m on the rotor of fast rotation is connected with the thickness and number of working gaps by the ratio h m = 2mδ, where δ is the gap between the disks, m - the number of disks of the rotor of slow rotation, characterized in that the number of stator teeth is z = 6p, and the coils are wound around two adjacent teeth.
RU2018142511A 2018-11-30 2018-11-30 Synchronous electric motor with magnetic reduction RU2704491C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018142511A RU2704491C1 (en) 2018-11-30 2018-11-30 Synchronous electric motor with magnetic reduction

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018142511A RU2704491C1 (en) 2018-11-30 2018-11-30 Synchronous electric motor with magnetic reduction

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2704491C1 true RU2704491C1 (en) 2019-10-29

Family

ID=68500531

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018142511A RU2704491C1 (en) 2018-11-30 2018-11-30 Synchronous electric motor with magnetic reduction

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2704491C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2375806C1 (en) * 2008-10-07 2009-12-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева Synchronous motor with magnetic reduction
EP2133982A2 (en) * 2008-06-13 2009-12-16 Siemens Aktiengesellschaft An electrical machine with integrated magnetic gears
EP2572440A2 (en) * 2010-05-17 2013-03-27 Magnomatics Limited Magnetically geared machine
RU2544835C1 (en) * 2013-08-23 2015-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" Synchronous motor with magnet gear reduction
RU2604058C1 (en) * 2015-11-09 2016-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Synchronous motor with magnetic reduction
RU2668817C1 (en) * 2017-12-21 2018-10-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Synchronous motor with magnetic reduction

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2133982A2 (en) * 2008-06-13 2009-12-16 Siemens Aktiengesellschaft An electrical machine with integrated magnetic gears
RU2375806C1 (en) * 2008-10-07 2009-12-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева Synchronous motor with magnetic reduction
EP2572440A2 (en) * 2010-05-17 2013-03-27 Magnomatics Limited Magnetically geared machine
RU2544835C1 (en) * 2013-08-23 2015-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" Synchronous motor with magnet gear reduction
RU2604058C1 (en) * 2015-11-09 2016-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Synchronous motor with magnetic reduction
RU2668817C1 (en) * 2017-12-21 2018-10-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Synchronous motor with magnetic reduction

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4725750A (en) Permanent magnet rotary machine
US4488075A (en) Alternator with rotor axial flux excitation
RU2604058C1 (en) Synchronous motor with magnetic reduction
JP5318758B2 (en) Ring coil motor
RU2544835C1 (en) Synchronous motor with magnet gear reduction
CN102118096A (en) Rotating electrical machine
JP2016538817A (en) Transverse flux type electric machine
CN111969823A (en) Radial-axial air gap type three-phase disc transverse flux permanent magnet motor
RU2594018C1 (en) Magnetic reducing gear
RU2668817C1 (en) Synchronous motor with magnetic reduction
RU2588599C1 (en) Synchronous motor with magnetic reduction
RU2545166C1 (en) Magnetic reducing gear
RU2704491C1 (en) Synchronous electric motor with magnetic reduction
RU2006106463A (en) ROTARY MACHINE AND ELECTROMAGNETIC MACHINE
RU2708382C1 (en) Synchronous electric motor for helicopter screw
RU2673587C1 (en) Motor-wheel
RU2246167C1 (en) Face-type electrical machine
CN110138161B (en) External disk motor with barrier stator
RU2705219C1 (en) Magnetic gearbox
RU2256276C2 (en) Butt-end momentum motor
RU2759797C1 (en) Motor-generator
EA009822B1 (en) Gate electric motor
RU2544836C1 (en) Stepping motor
US5952759A (en) Brushless synchronous rotary electrical machine
RU2717820C1 (en) Electromagnetic gear