ТОРЦЕВАЯ СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ВНУТРЕННИМ СТАТОРОМ

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно к торцевым синхронным электрическим машинам, и может быть использована на транспорте, в том числе, в автомобилях с гибридными силовыми установками.
По мере развития разработок, направленных на использование в электромобилях и автомобилях гибридных силовых установок, повышаются требования к тяговым электрическим машинам в части уменьшения их габаритных размеров и повышения энергетических показателей. Одним из перспективных направлений в совершенствовании тяговых электродвигателей является создание торцевых электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов.
Из уровня техники известны торцевые электрические машины, конструкции которых, предусматривают применение постоянных магнитов, закрепленных на магнитопроводе известными способами, самый распространенный из которых клеевое соединение. Кроме того, известные торцевые электрические машины с сосредоточенными обмотками, называемые также “зубцовыми”, характеризуются наличием переменной составляющей магнитного потока, проходящего через магниты. Указанный эффект усиливается при протекании токов через обмотку, так как магнитопровод представляет собой массив, в котором наводятся вихревые токи, вызывающие разогрев магнитопровода и самих магнитов.
Например, из публикации «Analysis of the Yokeless and Segmented Armaturemachine», T.J. Woolmer, M.D. McCulloch, Oxford University, Engineering Department Parks Road, Oxford, UK, OX1 3PJ, размещенной в сети Интернет по адресу: http://www.mojaladja.com/upload/elmotor/Analysis of the Yokeless and Segmented Armature machine.pdf (дата последнего изменения, указанная в свойствах файла, содержащего публикацию и предназначенного для свободного скачивания - 6.03.2007 г.) известна конструкция с двумя роторами и статором, состоящим из сосредоточенных катушек, обмотанных вокруг сердечников выполненных из прессованного порошка железа. На роторах, представляющих собой диски из магнитопроводящего железа, наклеены магниты чередующейся полярности. К недостатком указанной конструкции следует отнести увеличенные потери в магнитопроводе ротора из-за вихревых токов, наводимых в массиве магнитопровода от переменной составляющей магнитного потока.
В опубликованной статье «Axial flux permanent magnet disc machines: a Review», M. Aydin, S. Huang and T.A. Lipo, Caterpillar Inc, размещенной в сети Интернет по адресу: http://www.mojaladja.com/upload/elmotor/Axial Flux Permanent Magnet Disc Machines - A Review.pdf (дата последнего изменения, указанная в свойствах файла, содержащего публикацию и предназначенного для свободного скачивания - 6.07.2005 г.) также рассмотрены конструкции торцевых электрических машин, в которых на дисковых магнитопроводящих роторах расположены магниты с чередующейся полярностью. В этих конструкциях также увеличены потери в магнитопроводе ротора из-за вихревых токов, наводимых в массиве магнитопровода от переменной составляющей магнитного потока. Данная конструкция рассматривается в качестве аналога.
Из работы «Design of an axial flux machine for an in-wheel motor application)), Master of Science Thesis, Christian du-Bar, Department of Energy and Environment Division of Electric Power Engineering, Chalmers University Of Technology, Göteborg, Sweden, 2011, размещенной в сети Интернет по адресу: http://webfiles.portal.chalmers.se/etMSc/DubarChristian.pdf (дата последнего изменения, указанная в свойствах файла, содержащего публикацию и предназначенного для свободного скачивания - 3.07.2011 г.) также рассмотрена конструкция с внутренним статором, представляющим собой сосредоточенные катушки, намотанные на сердечник из композитного магнитопроводящего материала и двух внешних роторов, представляющих собой цельнометаллические диски из магнитопроводящего материала, на внутренние стороны которых наклеены магниты чередующейся полярности. Анализ работы данной конструкции выявил возникновение повышенных потерь в магнитопроводе ротора из-за переменной составляющей магнитного потока, возникающей в машинах с сосредоточенными катушками. Указанная конструкция по совокупности существенных признаков принята за прототип.
Общим недостатком рассмотренных электрических машин является возникновение вихревых токов, вызывающих нагрев магнитопровода и самих магнитов.
Задача реализуемая предлагаемой полезной моделью направлена на создание компактной торцевой синхронной электрической машины с улучшенными энергетическими характеристиками.
Технический результат, получаемый в результате использования полезной модели, заключается в повышении энергетических показателей за счет снижения потерь в магнитопроводе роторов, а также снижения тепловых нагрузок, массы и габаритных размеров синхронной электрической машины.
Технический результат достигается тем, что в торцевой электрической машине, содержащей корпус и крышку с установленными в них статором с обмотками из сосредоточенных катушек, намотанных вокруг сердечников из ферромагнитного материала, радиально расположенных по окружности симметрично оси вращения, при этом катушки закреплены в каркасе статора, выполненном из диэлектрического материала, и двумя торцевыми роторами, каждый из которых состоит из магнитопровода в виде диска выполненного из стального магнитопроводящего материала, на внутренней стороне которого смонтированы магниты трапецеидальной формы, при этом роторы установлены в корпусе таким образом, что противолежащие магниты, расположенные точно друг против друга и намагниченные в направлении, параллельном оси вращения роторов, чередуются по радиусу в порядке (…N-S-N-S…), формируя однонаправленные, относительно оси вращения роторов, рабочие магнитные потоки, каждый из роторов выполнен составным по толщине, из по меньшей мере, диэлектрического каркаса с постоянными магнитами, стального диска-магнитопровода ротора и размещенного между ними шихтованного каркаса с подложками из композитного материала, при этом, в диэлектрическом и шихтованном каркасах, выполненных в виде дисков, диаметры которых соответствуют диаметру стального диска-магнитопровода имеются сквозные отверстия, профили которых соответствуют контурам одинаковых по форме магнитов и подложек, а толщины диэлектрического и шихтованного дисков соответствует толщинам установленных в них магнитов и подложек. При этом подложки могут быть выполнены из композитного материала, представляющего собой порошковое прессованное железо с электроизолирующим наполнителем.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах:
на фиг. 1 показан общий вид поперечного разреза электрической машины в сборе и схематический состав основных элементов;
на фиг. 2 показан ротор в сборе;
на фиг. 3 показано взаимное расположение роторов в сборе;
на фиг. 4 показан общий вид статора;
на фиг. 5 показан общий вид подложки из композиционного материала,
на фиг. 6 показан общий вид шихтованного каркаса;
на фиг. 7 показан общий вид диэлектрического каркаса;
на фиг. 8 показан общий вид диэлектрического каркаса с установленными магнитами.
Торцевая электрическая машина, содержит корпус 1 и крышку 2 в которых установлены статор 3 и два ротора 4 и 5. Статор 3 снабжен обмотками 6, намотанными вокруг сердечников 7 из ферромагнитного материала, радиально расположенных по окружности симметрично оси вращения. При этом катушки закреплены в каркасе статора (не показан), выполненном из диэлектрического материала. Каждый из двух торцевых роторов 4 и 5 состоит из магнитопровода, выполненного в виде диска 8 из стального магнитопроводящего материала со смонтированными на внутренней стороне постоянными магнитами трапецеидальной формы 9. Роторы 4 и 5 оппозитно установлены в корпусе 1 таким образом, что противолежащие магниты, расположенные точно друг против друга и намагниченные в направлении, параллельном оси вращения роторов, чередуются по радиусу в порядке (…N-S-N-S…), формируя однонаправленные, относительно оси вращения роторов 10, рабочие магнитные потоки. Кроме того, каждый из роторов 4 и 5 выполнен составным по толщине, из по меньшей мере, диэлектрического каркаса 11 с постоянными магнитами 9, стального диска-магнитопровода ротора 8 и размещенного между ними шихтованного каркаса 12 с подложками 13 из композитного материала. Каркас 11 с постоянными магнитами выполнен из диэлектрического материала, а каркас 12 подложек изготовлен из шихтованного электротехнического железа. Оба каркаса 11 и 12 выполнены в виде дисков, диаметры которых соответствуют диаметру стального диска-магнитопровода. В указанных каркасах выполнены сквозные отверстия 14, профили которых соответствуют контурам одинаковых по форме магнитов и подложек 13, а толщины диэлектрического и шихтованного дисков соответствует толщинам установленных в них магнитов 9 и подложек 13. Подложки 13 могут быть выполнены из композитного материала, представляющего собой порошковое прессованное железо с электроизолирующим наполнителем.
Устройство по полезной модели работает следующим образом: при вращении роторов 4 и 5 магнитный поток, создаваемый магнитами 9, меняется из-за изменения магнитного сопротивления цепи между магнитами - когда ось магнитов оказывается напротив оси катушки, магнитный поток максимален, когда напротив оси магнитов оказывается паз между катушками, магнитное сопротивление минимально. Благодаря наличию подложки 13 из композитного материала и каркаса 12 из шихтованного железа большая часть переменной составляющей магнитного потока проходит через них, так как наводимые в массивном стальном диске-магнитопроводе 8 вихревые токи не пропускают переменную составляющую магнитного потока в массив и потери от вихревых токов оказываются минимальными, это обеспечивает снижение нагрева роторов и снижение потерь в электрической машине. Кроме того, применение диэлектрического 11 и шихтованного 12 каркасов обеспечивает увеличение прочности конструкции, что в совокупности позволяет решить поставленную техническую задачу.