ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ДИСКОВЫМ РОТОРОМ
ELECTRICAL MACHINE WITH DISC ROTOR

Изобретение относится к низкооборотным бесконтактным моментным электрическим машинам с постоянными магнитами и может использоваться для преобразования энергии вращения роторов малых ветро и гидроэнергетических установок в электрический ток с компенсацией сил магнитного удержания ротора при равномерно нагруженных выходных обмотках.
Известна электрическая машина с дисковым ротором по патенту RU №2340068 от 27.11.2008 г. [1], содержащая немагнитный корпус из двух половин с подшипниковыми узлами для вала ротора, магнитопроводами и обмотками статора, ротор дискового типа с размещенными по кольцу магнитными секторами с взаимно-противоположными векторами намагниченности по короткой оси и проходящими при вращении ротора в воздушных зазорах О-образных электромагнитных систем (ЭМС) статора.
О-образные ЭМС статора состоят из двух П-образных частей с обмотками статора, размещенных в половинах корпуса. При прохождении магнитных секторов ротора в воздушных зазорах статорной ЭМС в ее магнитном сердечнике изменяется магнитный поток, что приводит к возникновению ЭДС на выводах статорных обмоток. С целью снижения влияния сил магнитного удержания секторов ротора в зазорах статорных ЭМС прототипа [1] используются известные способ и устройство взаимной компенсации тормозящих сил в электрическом генераторе с постоянными магнитами по патенту RU №2394336 от 10.07.2010 г. [2], в которых магнитопроводы статорных ЭМС выполнены с постоянной намагниченностью полюсов, причем силы магнитного втягивания в воздушные зазоры одних статорных ЭМС уравновешиваются силами магнитного выталкивания секторов дискового ротора из воздушных зазоров других статорных ЭМС.
Существенными недостатками прототипа [1] являются:
- высокая материалоемкость конструкции и технологически сложность обеспечения свободного вращения ротора в воздушных зазорах статорных ЭМС O-образного типа из-за высоких сил магнитного притяжения намагниченных секторов ротора к полюсам статорных ЭМС;
- непроизводительные потери вследствие повышенного магнитного сопротивления статорной ЭМС из-за значительной длины средней магнитной линии и значительного воздушного зазора O-образном сердечнике.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, состоит в снижении материалоемкости и повышении технологичности и энергоэффективности конструкции.
Для достижения технического результата статорные ЭМС электрической машины выполнены П-образной формы с открытыми полюсами, обращенными к открытым полюсам магнитных элементов ротора, соединенных попарно с помощью магнитных перемычек, размещенных на противоположной стороне ротора относительно открытых полюсов его магнитных элементов, причем расстояние между центрами полюсов статорных ЭМС равно расстоянию между центрами полюсов соседних магнитных элементов ротора.
На фиг.1 изображен дисковый ротор электрической машины /вид сверху и вид сбоку в разрезе/; на фиг.2 показано взаиморасположение дискового ротора и одной из статорных ЭМС /вверху разрез с торца ротора, внизу вид сверху/, когда магнитный поток от постоянных магнитов статорной ЭМС суммируется с магнитным потоком от постоянных магнитов ротора; на фиг.3 показан вариант взаимовычитания магнитных потоков от постоянных магнитов статорной ЭМС и ротора; на фиг 4 изображено промежуточное положение полюсов статорных ЭМС относительно полюсов роторных магнитных систем, при котором магнитное сопротивление статорных ЭМС максимально из-за значительного воздушного зазора в магнитных цепях статорных ЭМС; на фиг.5. показано промежуточное положение полюсов статорных ЭМС относительно полюсов роторных магнитных систем для другого варианта размещения магнитных элементов ротора.
В немагнитном диске 1 ротора закреплены с постоянным угловым шагом магнитные секторы 2, попарно соединенные магнитными перемычками 3 в П-образный постоянный магнит, обращенный открытыми полюсами к открытым полюсам П-образных статорных ЭМС, содержащих ферромагнитные элементы 4, 5, 6 и статорную обмотку 7, размещенную на каркасе 8
При вращении диска 1 ротора взаиморасположение обращенных друг к другу открытых магнитных полюсов элементов 2 ротора и 4, 5 статора проходит несколько характерных фаз:
- фаза максимального результирующего магнитного потока в статорной ЭМС, изображенная на фиг.2, когда в воздушных зазорах между полюсами взаимодействуют разноименные полюсы элементов 2 и 4, 5, в результате чего суммируются магнитные потоки статорной ЭМС и соответствующей роторной магнитной системы;
- фаза минимального магнитного потока в статорной ЭМС, изображенная на фиг.3, когда в воздушных зазорах между полюсами взаимодействуют одноименные полюсы элементов 2 и 4, 5, в результате чего взаимокормпенсируются магнитные потоки статорной ЭМС и соответствующей роторной магнитной системы;
- фаза промежуточного значения магнитного потока в статорной ЭМС, изображенная на фиг.4, когда величина воздушных зазоров между магнитными полюсами 2 и 4, 5 максимальна, также максиально магнитное сопротивление соответствующих статорных ЭМС.
Во всех других взаимных расположениях элементов 2 ротора и 4, 5 статорной ЭМС происходит изменение значений потоков между этими крайними фазами, создавая в выходных обмотках 7 ЭДС, пропорциональную числу витков обмотки и скорости изменения магнитного потока. При четном числе пар статорных ЭМС в предложенном устройстве обеспечена эффективная компенсация сил магнитного втягивания ротора одной пары статорных ЭМС силами магнитного отталкивания ротора от аналогичного положения другой пары статорных ЭМС. В итоге при ненагруженных /или равномерно нагруженных/ выходных обмотках статорных ЭМС ротор легко вращается на фоне действия на него значительных взаимкомпенсирующих друг друга сил магнитного взаимодействия магнитных полюсов ротора с магнитными полюсами статорных ЭМС.
На фиг.4 показан вариант размещения полюсов одних пар статорных ЭМС /левая по фиг.4 статорная ЭМС/ и других пар статорных ЭМС /правая по фиг.4 статорная ЭМС/ по окружности вращения магнитных секторов ротора с чередующейся полярностью открытых полюсов. В то же время возможен вариант, приведенный на фиг.5 попарного размещения в роторе двух секторов одинаковой намагниченности, при котором ориентация полюсов всех статорных ЭМС по окружности вращения магнитных секторов ротора будет одинаковой, тем не менее будет обеспечена эффективная компенсация сил магнитного удержания ротора
По сравнению с прототипом в предложенном устройстве:
- снижена материалоемкость конструкции /использовано меньшее число магнитных элементов в статорных ЭМС/;
- упрощена технология сборки и разборки конструкции за счет одностороннего размещения дискового ротора относительно полюсов статорных ЭМС;
- за счет размещения полюсов статорных ЭМС в одной плоскости обеспечена возможность как снижения воздушного зазора между полюсами ротора и статора, так и длины средней магнитной линии статорных ЭМС, что существенно повышает энергоэффективность устройства.
Источники информации
1. Патент RU №2340068 от 27.11.2008 г.
2. Патент RU №2394336 от 10.07.2010 г.