ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА (варианты)
ELECTRIC MACHINE (VERSIONS)

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, предназначенным для использования в качестве двигателей или генераторов.
Известен электродвигатель, который содержит кольцеобразный магнитопровод статора с двумя рядами постоянных магнитов, размещенных на внешней и внутренней поверхностях магнитопровода симметрично по его окружности с чередующейся полярностью и с противоположной полярностью в направлении через толщу магнитопровода статора, а также двухсекционный ротор, одна из секций которого охватывает статор и является внешней, а другая размещена внутри статора, то есть является внутренней секцией. Катушки электромагнитов внешней и внутренней секций ротора попарно подсоединены к токосъемникам, установленным с возможностью контактирования с пластинами коллекторного распределителя, и подключены к области электромагнитов (патент РФ № RU 2248657, МПК H02K 37/00, опубл. 20.03.2005 г.).
Недостатком данного устройства является высокая потребляемая мощность для создания крутящего момента. Кроме того, большое количество используемых токосъемников коллектора отрицательно сказывается на надежности работы электродвигателя.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является шаговый электродвигатель, содержащий магнитопровод статора с аксиально смещенными полюсами, кольцевую обмотку управления, установленную между торцами полюсов магнитопровода, постоянные магниты, размещенные между торцами полюсов магнитопровода и пластинами-фиксаторами положения ротора, пассивный явнополюсный ротор, с целью повышения эргономичности изображения при использовании в качестве привода в бленкерном знакоместе цифровых часов, полюсы магнитопровода установлены параллельно друг другу, полюсы ротора смещены по отношению друг к другу в аксиальном и диаметральном направлении и на концах роторных полюсов с угловой протяженностью вполовину оборота ротора выполнены фиксирующие ротор дополнительные полюса с угловой протяженностью в четверть оборота ротора и занимающие в аксиальном направлении величину в пределах от 1/4 до 2/3 аксиального размера двухзубцовых пластин-фиксаторов (патент РФ № RU 2214669, МПК Н02К 37/00, опубл. 20.10.2003 г.).
Указанная конструкция электродвигателя требует в своей работе наличия устройства управления, не обладает достаточной мощностью и высоким КПД.
Была поставлена задача - создать конструкцию электрической машины, обладающей высокими эксплуатационными характеристиками.
Поставленная задача решается за счет того, что в первом варианте электрическая машина, содержащая выполненные из диэлектриков корпус с крышками, установленный в крышках вал с расположенным на нем ротором, статор, постоянные магниты, фиксаторы, ротор состоит из разделенных втулкой и расположенных параллельно дисков, в которых размещены друг против друга разными полюсами постоянные магниты и стержни, расположенные между полюсами постоянных магнитов и замкнутые внутренним и внешним кольцами, кроме того, снаружи каждого диска установлен металлический диск, статор размещен между дисками ротора и закреплен неподвижно в корпусе.
Корпус и крышки в электрической машине выполнены с каналами для входа/выхода воздуха и соединены разъемным соединением. Машина снабжена охлаждающим устройством, выполненным в виде вентилятора. Фиксаторы выполнены в виде втулок из диэлектриков, размещенных между крышками и дисками ротора.
По второму варианту в электрической машине, содержащей выполненные из диэлектриков крышки, установленный в крышках вал с расположенным на нем ротором, статор, постоянные магниты, машина снабжена установленным на валу внешним ротором, часть которого заключена в металлическое кольцо, при этом роторы состоят из расположенных друг против друга разными полюсами постоянных магнитов и стержней, концы которых замкнуты по типу «беличья клетка», постоянные магниты внешнего и внутреннего роторов расположены друг против друга разными полюсами, статор размещен между внешним и внутренним роторами и закреплен в крышках.
Внутренний ротор может быть выполнен с цельным постоянным магнитом, а стержни расположены между его полюсами.
Технический результат при решении поставленной задачи заключается в усилении магнитного поля, исключении устройства управления и упрощении эксплуатации электрической машины за счет расположения дисков ротора параллельно (1 вариант) или использования двух роторов (2 вариант) с постоянными магнитами и замкнутыми стержнями, и расположении статора между дисками ротора или роторами.
Вращение внешнего и внутреннего ротора происходит синхронно, сохраняя расположение магнитов друг относительно друга, внешние магниты притягиваются к внутренним, происходит чередование полюсов магнитов и их притяжение друг к другу, обеспечивая усиление и направленность магнитных полей.
Использование всех существенных признаков позволяет улучшить эксплуатационные характеристики электрической машины.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности изобретения - «новизна» и «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - электрическая машина (1 вариант), вид сбоку в разрезе;
Фиг. 2 - диск ротора;
Фиг. 3 - электрическая машина (2 вариант), вид справа в разрезе;
Фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 3;
Фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 3;
Электрическая машина по первому варианту состоит из корпуса 1 с крышками 2 с установленным в них на опорных подшипниках валом 3, ротора, состоящего из двух дисков 4 с постоянными магнитами 5 и стержнями 6, статора 7.
Корпус 1 и крышки 2 выполнены их диэлектрика, например стеклопластика, и соединены разъемным соединением, например резьбовым. Корпус 1 и крышки 2 выполнены с каналами для входа/выхода воздуха.
Стеклопластиковый корпус 1 позволяет сконцентрировать магнитные поля в требуемых направлениях. В этой связи отсутствует индукция тока в корпусе 1 и, следовательно, магнитные поля от постоянных магнитов 5 не искажаются.
Ротор установлен на валу 3 с возможностью вращения и состоит из двух дисков 4, выполненных из стеклопластика. В дисках 4 размещены по два постоянных магнита 5 и размещенные между их полюсами стержни 6, которые расположены радиально и замкнуты внутренним и внешним кольцами 8 и 9 соответственно. Стержни 6 выполнены из электротехнической стали.
Снаружи каждого диска 4 установлен металлический диск 10, выполненный из электротехнической стали.
Диски 4 ротора расположены параллельно и разделены втулкой 11, которая удерживает два диска 4 на расстоянии 16 мм друг от друга.
Постоянные магниты 5 как внутри дисков 4, так и между ними размещены друг против друга разными полюсами.
Постоянные магниты 5 расположены таким образом, чтобы наружные магниты притягивались к внутренним. Происходит чередование полюсов магнитов и притяжение их друг к другу. Это обеспечивает усиление и направленность магнитных полей:
- магнитное поле начинает движение от левого магнита первого диска 4 ротора и его движение направлено к левому магниту второго диска 4;
- левый магнит второго диска 4 принимает на себя магнитное поле, проводит через себя и передает по диску 10 на правый магнит второго диска 4;
- правый магнит второго диска 4 принимает на себя магнитное поле, проводит через себя и передает на правый магнит первого диска 4;
- правый магнит первого диска 4 принимает на себя магнитное поле, проводит через себя и передает по диску 10 на левый магнит первого диска 4;
Между дисками 4 ротора размещен статор 7 и закреплен неподвижно в корпусе 1. Статор 7 выполнен из материала, обеспечивающего высокую теплопроводность и магнитопроводность, высокую прочность при малых габаритах, например из полиэфирной смолы, наполненной частицами железа с размещенными в нем обмотками.
Между крышками 2 и дисками 4 ротора расположены фиксаторы, выполненные в виде втулок 12.
Расположение втулок 11 и 12, выполненных из диэлектрика, обеспечивает зазоры между крышками 2, дисками 4 ротора и статором 7 для прохождения воздуха, охлаждающего статор 7 при помощи вентилятора 13, установленного между крышкой 2 и диском 4 ротора.
По второму варианту (фиг. 3-5) электрическая машина содержит выполненные из диэлектриков крышки 14, установленный в крышках на опорных подшипниках вал 15 с расположенными на нем с возможностью вращения внутренним ротором 16 и внешним ротором 17, статор 18.
Внутренний ротор 16 выполнен в виде цилиндра из стеклопластика с расположенным внутри него постоянным магнитом 19. Постоянный магнит 19 может состоять как из двух расположенных друг против друга разными полюсами магнитов или выполнен цельным. В роторе 16 размещены стержни 20, концы которых замкнуты металлическими кольцами 21 и 22 по типу «беличья клетка». Стержни 20 размещены между полюсами магнита 19.
Внешний ротор 17 закреплен на валу 15 при помощи резьбы и выполнен из стеклопластика в виде стакана, в стенках которого размещены напротив друг друга разными полюсами два постоянных магнита 23 с размещенными между ними стержнями 24, концы которых замкнуты металлическими кольцами 25 и 26 по типу «беличья клетка».
Часть внешнего ротора 17 в зоне расположения постоянных магнитов 23 заключена в металлическое кольцо 27.
Внутренний и внешний роторы 16 и 17 расположены друг против друга так, что их постоянные магниты 19 и 23 расположены друг против друга разными полюсами.
Постоянные магниты 19 и 23 расположены таким образом, чтобы наружные магниты притягивались к внутренним. Происходит чередование полюсов магнитов и притяжение их друг к другу. Это обеспечивает усиление и направленность магнитных полей:
- магнитное поле начинает движение от верхнего крайнего магнита, и его движение направлено к внутреннему магниту;
- внутренний магнит принимает на себя магнитное поле, проводит через себя и передает на другой наружный магнит;
- магнитное поле перетекает через наружный магнит и передается на кольцо 27;
- магнитное поле по кольцу 27 возвращается на первоначальный магнит.
Между внутренним и внешним роторами 16 и 17 неподвижно расположен и закреплен на крышках 14 статор 18. Как и в первом варианте, статор 18 выполнен из материала, обеспечивающего высокую теплопроводность и магнитопроводность, высокую прочность при малых габаритах, например из полиэфирной смолы, наполненной частицами железа с размещенными в нем обмотками.
Между крышками 14, роторами 16, 17 и статором 18 выдержаны зазоры для прохождения воздуха, охлаждающего статор 18 при помощи вентилятора. Зазоры должны быть в пределах от 0,1 мм до 1 мм.
Статор 7 (18) легко заменяем при поломке.
Работа электрической машины
При включении в сеть запускается вращение электромагнитного поля вокруг статора 7 (18). В начале ротор машины стоит неподвижно, поэтому электромагнитные поля статора 7 (18) пересекают стержни 6 (20, 24), индуцируя в них электричество и электромагнитное поле соответственно. Принцип работы рассматриваемой части машины схож с принципом работы короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя. Стержни 6 (20, 24) во время запуска позволяют избавиться от фиксированных магнитных полей, с помощью которых магнитное поле ротора может «скользить» в пределах угла, равного 270° по ротору. Машина набирает обороты со скоростью, сопоставимой со скоростью асинхронного электродвигателя. После достижения определенной угловой скорости, шаг перемещения ротора происходит за счет постоянных магнитов 5 (19, 23). Машина начинает работать в режиме шагового двигателя, а стержни 6 (20, 24) выполняют функцию укрепляющих элементов машины и усиливают связь магнитного поля между статором 7 (18) и постоянными магнитами 5 (19, 23). В момент отсутствия индуцированного магнитного поля в стержнях 6 (20, 24) ротор точно следует за электромагнитным полем. Машина продолжает работать в режиме шагового электродвигателя до выключения или до отставания шага ротора от шага электромагнитного поля. При резком увеличении нагрузки на вал 3 (15) машины, ротор начинает отставать от шага электромагнитных полей статора 7 (18), происходит включение режима асинхронного электродвигателя или «скользящих» магнитных полюсов. В этом случаи электромагнитное поле снова пересекает стержни 6 (20, 24) и индуцирует в них электромагнитное поле. Чем больше отставание ротора машины, тем больше индуцируется ток и магнитное поле. Тем самым увеличивается сила магнитного поля и соответственно сила самой машины, что позволяет ротору догнать шаг электромагнитного поля и перейти в экономичный режим - в режим шагового электродвигателя.
Созданная конструкция электрической машины, за счет объединения принципов работы асинхронного и шагового электродвигателей, обладает высокими эксплуатационными характеристиками и позволяет:
- исключить эффект «проскальзывания шага»;
- увеличить КПД до 85-93%;
- исключить управление с помощью контроллеров;
- упростить эксплуатацию.
Технический результат достигнут.
Электрическая машина может быть изготовлена на стандартном оборудовании по известным технологиям с использованием современных материалов.