Синхронная электрическая машина торцевого типа

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к синхронным электрическим машинам торцевого типа (с торцевым расположением статора и ротора), и может быть использована в конструкциях синхронных двигателей и генераторов с ротором на постоянных магнитах и модульным статором.
В настоящее время широко известны конструкции явнополюсных синхронных электрических машин, содержащих неподвижный статор с обмотками, размещенными на зубцах статора. Статор модульного типа (модульный статор) образован одинаковыми узлами сердечника статора, многократно повторенными по его окружности. Ротор такой синхронной машины обычно выполняют с постоянными магнитами, расположенными по окружности ротора с чередующейся полярностью и обращенными через рабочий зазор к статору.
Конструкция синхронной электрической машины может быть с радиальным или торцевым расположением статора и ротора.  При радиальном расположении статор и ротор образуют кольцевой рабочий зазор, зубцы радиальной машины обычно расположены радиально. При торцевом расположении статор и ротор образуют плоский рабочий зазор. Зубцы статора торцевой машины обычно расположены аксиально.
Из патента 2534046 (опубл. 27.11.2014) известен синхронный электрогенератор торцевого типа с модульным статором и ротором на основе постоянных магнитов. По окружности статора установлены магнитопроводы с катушками. Магнитопроводы выполнены П-образными и содержат ярмо и два полюсных зубца. На каждом полюсном зубце расположена катушка, которая охватывает этот зубец. В каждом пазу статора (пространстве между полюсными зубцами одного магнитопровода) расположены две стороны соседних катушек. Постоянные магниты ротора намагничены в аксиальном направлении.
Окончания полюсных зубцов каждого магнитопровода расположены радиально, что увеличивает диаметр статора и, следовательно, электрогенератора.
Количество катушек статора в два раза больше количества П-образных магнитопроводов. Количество полюсов ротора (постоянных магнитов) также в два раза больше количества П-образных магнитопроводов. Большое количество полюсов ротора (постоянных магнитов), практически в два раза превышающее количество магнитопроводов, повышает потери электрической машины на циклическое перемагничивание стали.
Магнитопроводы расположены по окружности статора с большими свободными пространствами между ними, что ухудшает использование зубцовой зоны статора и приводит к неравномерному распределению магнитного потока в рабочем зазоре. Постоянные магниты ротора, которые являются полюсами ротора, расположены также с большими неактивными пространствами между ними.
В целом это снижает использование активного объема электрогенератора, и следовательно, ухудшает его технические характеристики.
Из патента 2722923 (опубл. 04.06.2020) известен модульный статор синхронной электрической машины торцевого типа, содержащий установленные по его окружности одинаковые магнитопроводы, на зубцах которых размещены катушки. Каждый магнитопровод выполнен Ш-образным и содержит средний зубец и два крайних полузубца. Каждый из двух соседних магнитопроводов сопряжен своими крайними полузубцами с образованием составного зубца из двух сопряженных крайних полузубцов. Обмотка статора выполнена однослойной (в каждом пазу расположена активная сторона одной катушки). Катушка охватывает средний зубец, а составной зубец не охвачен катушкой. Конструкция ротора не раскрыта в данном патенте.
В известном статоре улучшено использование его активного объема. Однако катушки однослойной обмотки (по сравнению с двухслойной обмоткой) имеют большую толщину, т.к. должны полностью заполнить паз, что увеличивает длину вылета лобовых частей обмотки. Изготовление двухслойных обмоток при данной конструкции магнитопровода практически неосуществимо. В результате, в тех же габаритах (наружном и внутреннем диаметре статора по лобовым частям) нельзя увеличить радиальную длину магнитопровода, и следовательно, нельзя увеличить активный объем синхронной электрической машины без увеличения ее габарита.
Из патента 2510559 (опубл. 27.03.2014) известна синхронная электрическая машина с модульным статором и ротором на основе постоянных магнитов. Модульный статор содержит установленные по его окружности элементарные ячейки. Каждая элементарная ячейка включает в себя П-образный магнитопровод с двумя зубцами, на которых расположены катушки. Каждая катушка охватывает один зубец. Элементарные ячейки расположены по окружности статора с большими свободными пространствами между ними, в том числе в рабочем зазоре. В каждом пазу статора расположены две стороны соседних катушек. Постоянные магниты ротора намагничены в аксиальном направлении.
Недостатком известной электрической машины является неэффективное использование зубцовой зоны статора ввиду наличия свободных пространств между соседними магнитопроводами и между сторонами двух катушек в каждом пазу. Последнее приводит к низкому коэффициенту заполнения паза обмоткой, что повышает электрические потери в обмотке и ухудшает отвод тепла, выделяемого обмотками. Кроме того, количество полюсов ротора (постоянных магнитов) в два раза больше количества П-образных магнитопроводов, и полюсы ротора расположены с большими неактивными пространствами между ними, что снижает использование активного объема ротора. В целом это приводит к недоиспользованию активного объема электрической машины и, соответственно, ухудшает ее технические и эксплуатационные характеристики.
Кроме того, большое количество полюсов ротора (постоянных магнитов), практически в два раза превышающее количество магнитопроводов, повышает потери электрической машины на циклическое перемагничивание стали.
Таким образом, актуальна проблема улучшения технических и эксплуатационных характеристик синхронной электрической машины торцевого типа.
Техническим результатом настоящей полезной модели является увеличение активного объема синхронной электрической машины торцевого типа без изменения ее габарита.
Сущность изобретения поясняется чертежами. Фиг.1 - статор с полузубцами трапециевидного поперечного сечения. Фиг. 2 - статор с полузубцами  прямоугольного поперечного сечения. Фиг. 3а - магнитопровод статора на фиг. 1. Фиг. 3б - магнитопровод статора на фиг. 2. Фиг. 4 - ротор со встроенными постоянными магнитами. Фиг. 5 - ротор с поверхностным расположением постоянных магнитов.
На фиг. 1 и 2 модульный статор 1 содержит установленные по окружности одинаковые магнитопроводы 2 с катушками 3 и опорный статорный элемент 4 дискообразной формы (фиг.2). Магнитопроводы 2 содержат  ярмо  5 (фиг. 1, 3а, 3б) и два параллельных полузубца 6, т.е. имеют П-образную форму, открытую по направлению к ротору 7 (фиг.4). Каждый из двух соседних магнитопроводов 2 сопряжен своими полузубцами 6 с образованием составного зубца 8 из двух сопряженных полузубцов 6. На составных зубцах 8 размещены катушки 3 так, что каждая катушка 3 охватывает один составной зубец 8. Катушки 3 и составные зубцы 8 выполнены в поперечном сечении трапециевидной формы. Опорный статорный элемент 4 выполнен в виде подшипникового щита.
Магнитопровод 2 статора может быть изготовлен с открытыми или с полуоткрытыми пазами (пространствами между полузубцами 6 одного и того же магнитопровода 2).
На фиг. 1 и 2 показаны статоры 1 с открытыми пазами. Открытые пазы статора имеют две параллельные боковые стороны и одинаковое поперечное сечение по всей высоте пазов. Все составные зубцы 8 охвачены катушками 3. В пазах расположено по две активных стороны соседних катушек 3, которые полностью занимают паз (двухслойная обмотка).
Магнитопроводы 2 могут быть изготовлены из шихтованной тонколистовой электротехнической стали с электроизоляционным покрытием или из прессованного порошкового ферромагнитного материала. Выводные концы обмотки (на фиг. не показаны) позволяют произвести соответствующее электрическое подключение для образования окончательной электрической схемы обмотки.
В статоре на фиг. 1 полузубцы 6 выполнены трапециевидного поперечного сечения. И полузубцы 6 одного и того же составного зубца 8 плотно сопряжены между собой по всей своей высоте. Для упрощения технологии изготовления статора, полузубцы 6 статора на фиг. 2 и 3б выполнены прямоугольного поперечного сечения, и полузубцы 6 одного и того же составного зубца 8 плотно сопряжены между собой на внутреннем диаметре статора. Сопряжение между собой полузубцов 6 соседних магнитопроводов 2, и следовательно, самих магнитопроводов 2, способствует эффективному использованию зубцовой зоны статора. Причем в статоре на фиг. 1, при одинаковой со статором на фиг. 2 индукции в полузубцах 6, увеличивается магнитный поток в воздушном зазоре и эффект использования зубцовой зоны статора увеличивается.
На фиг. 4 ротор 7 имеет дискообразную форму и выполнен со встроенными постоянными магнитами 9.  Между постоянными  магнитами 9 по окружности ротора 7 расположены полюсы 10. Полюсы 10 изготовлены из магнитомягкого материала. Векторы намагниченности каждого постоянного магнита 9 направлены тангенциально. Чередование полярности постоянных магнитов 9 по окружности ротора 7 обозначено (N) и (S).
На фиг. 5 ротор 7 имеет дискообразную форму и выполнен с поверхностным расположением постоянных магнитов 9. Векторы намагниченности каждого постоянного магнита 9 направлены аксиально. В этом случае постоянные магниты 9 являются полюсами ротора 7. Чередование полярности постоянных магнитов 9 по окружности ротора 7 обозначено (N) и (S).
На фиг.1 и фиг.2 в качестве примера приведены статоры, состоящие из 12 П-образных магнитопроводов (и соответственно с 12 пазами и 12 составными зубцами). В общем случае количество пазов статора 1 равно количеству магнитопроводов 2. Количество пар полюсов ротора (2р) в заявляемой электрической машине определяется по формуле 2р=N/2±1, где N - количество магнитопроводов. При N=12 количество пар полюсов ротора (2р) может быть равно 5 или 7. На фиг. 4 и 5 в качестве примера приведены роторы с 7 парами полюсов.
Изготовление и установку катушек 3 статора 1 (фиг. 1 и 2) производят следующим образом. Сначала производят намотку плотно прижатых друг к другу витков провода, образующих каждую из катушек 3 трапециевидного поперечного сечения, на независимый шаблон с трапециевидным сердечником, поперечное сечение которого, по существу, равно поперечному сечению составного зубца 8. Сформированную таким образом катушку 3 насаживают в форме единого блока на составной зубец 8 статора, размещая в каждом пазу по две стороны катушки 3, которые полностью заполняют весь объем паза. Укладка катушек 3 в форме единого блока позволяет полностью сохранить плотность намотки катушек 3, что обеспечивает эффективное заполнение пазов обмоточным проводом, за счет чего, в конечном счете, улучшается коэффициент полезного действия (КПД) электрической машины.
На опорном статорном элементе (подшипниковом щите) 4 могут закрепить магнитопроводы 2 без катушек 3, надев затем катушки 3 на составные зубцы 8. Или могут закрепить на опорном элементе 4 магнитопроводы 2 в сборе с катушками 3. В обоих случаях магнитопроводы 2 жестко прикрепляют к опорному элементу 4 любым известным способом, например, при помощи клея, крепежных деталей и т.п. Далее выполняют электрические соединения для образования электрической схемы обмотки.
Изготовление ротора 7 со встроенными постоянными магнитами 9 (фиг.4) производят следующим образом. Сначала изготавливают сердечник ротора 7 из магнитомягкого материала. При этом сердечник ротора 7 снабжен свободными пространствами, расположенными радиально в поперечном сечении ротора. Затем устанавливают в указанных свободных пространствах постоянные магниты 9 прямоугольной призматической формы, намагниченные в тангенциальном направлении. Полюсы 10 полярности (N) образованы секторами сердечника ротора 7, расположенными в промежутках между постоянными магнитами 9 полярности (N). Логика образования полюсов полярности (S) аналогична. В результате, сектора сердечника ротора 7, расположенные в промежутках между постоянными магнитами 9, являются полюсами 10 ротора, имеющими чередующуюся полярность.
Синхронная электрическая машина с поверхностным расположением постоянных магнитов ротора может содержать один статор и один ротор, или два статора и расположенный между ними ротор, или два ротора и расположенные между ними два статора. На фиг. 5 показано исполнение ротора 7 для его расположения между двумя статорами 1. Синхронная электрическая машина со встроенными постоянными магнитами ротора (фиг.4) содержит два статора 1 и расположенный между ними ротор 7.
Синхронная электрическая машина работает следующим образом.
Магнитный поток каждого из полюсов 10 ротора со встроенными постоянными магнитами 9 (фиг.4) создается двумя тангенциально намагниченными постоянными магнитами 9 ротора. Это позволяет концентрировать магнитный поток постоянных магнитов 9 на полюсы 10, и тем самым повысить индукцию магнитного поля в рабочем зазоре.
Магнитный поток каждого из полюсов 10 ротора с поверхностным расположением постоянных магнитов (фиг. 5) создается аксиально намагниченным постоянным магнитом 9 ротора.
Магнитный поток полюса (N) проходит воздушный зазор, ближайший составной зубец 8 статора, образованный двумя сопряженными полузубцами 6 соседних магнитопроводов 2, два ярма 5 указанных магнитопроводов 2, два других полузубца 6 указанных магнитопроводов 2, воздушный зазор и замыкается на соседнем полюсе (S) ротора 7.
В двигательном режиме на клеммы каждой фазы обмотки статора 1 электрической машины подается переменное напряжение в соответствии с числом фаз электрической машины. По катушкам 3 обмотки протекает ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком воздушного зазора, создает вращающий момент.
В режиме генератора ротор 7 электрической машины приводится во вращение сторонним источником механической энергии, например, двигателем внутреннего сгорания, при этом вращающий момент прикладывают к ротору 7. Магнитный поток полюсов 10 ротора 7 пересекает проводники катушек 3 статора 1, в которых наводится электродвижущая сила (ЭДС). Если цепь нагрузки замкнута, по обмотке статора 1 протекает ток. Получаемая при этом электрическая энергия передается в нагрузку.
Выполнение магнитопроводов 2 модульного статора 1 в виде ярма 5 с двумя полузубцами 6, при образовании из двух сопряженных полузубцов 6 составного зубца 8, на каждом из которых размещена катушка 3, позволяет максимально использовать зубцовую зону статора 1 за счет минимизации неактивных пространств между соседними магнитопроводами 2 в рабочем зазоре.
За счет того, что полюс 10 ротора образует магнитную цепь с обращенным к нему через воздушный зазор составным зубцом 8, образованным из двух сопряженных полузубцов 6 соседних магнитопроводов 2, каждый полюс 10 ротора работает на два П-образных магнитопровода 2 статора (по сравнению с работой двух полюсов ротора на один магнитопровод статора в патентах 2534046 и 2510559), что улучшает использование активного объема ротора.
При этом существенное снижение количества полюсов ротора (в два раза по сравнению с патентами 2534046 и 2510559 при работе на одном и том же питающем напряжении) снижает потери электрической машины на циклическое перемагничивание стали.
Таким образом, в предложенной электрической машине эффективно использован активный объем статора 1 и ротора 7 без изменения ее габарита, что позволяет в двигательном режиме увеличить вращающий момент, в генераторном режиме - увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку, без увеличения массогабаритных показателей электрической машины.