БЕСЩЕТОЧНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
BRUSHLESS ELECTRIC MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к бесщеточной электрической машине, имеющей несколько петель магнитного потока и, в частности, к бесщеточной электрической машине, включающей статор, имеющий несколько магнитоизолированных элементов статора для взаимодействия с несколькими элементами ротора, снабженными постоянными магнитами.
Описание материалов, использованных при экспертизе заявки
В наиболее ранних конструкциях электрических машин использовали вывод ферромагнитного элемента для создания крутящего момента, использующего лишь половину мощности электрических машин. В настоящих роторных электрических машинах используют два вывода обмотки с целью создания большей эффективной площади воздушного зазора между ротором и статором с целью создания крутящего момента электрических машин. Тем не менее, смежные магнитные полюса оказывают негативное воздействие на концентрацию магнитного потока в конструкции известных универсальных электрических машин и приводят к нежелательному эффекту трансформаторных помех.
В патенте США U.S. Patent No. 6,791,222, выданному Maslov et al., раскрывается роторная электрическая машина, в которой используют два вывода обмотки с целью увеличения площади воздушного зазора между ротором и статором. Эффект трансформаторных помех, возникающих в результате магнитного потока между смежными обмотками, устраняют путем изолирования полюсных пар друг от друга. Статор такой электрической машины постоянного тока включает несколько ферромагнитно-изолированных электромагнитов. Аксиально совмещенные магниты ротора и полюса статора создают концентрированный магнитный поток, который может быть сфокусирован на относительно большую поверхность с целью создания высокого крутящего момента. Кроме того, датчик детектирует положение ротора относительно статора с целью обеспечения оптимального регулирования тока обмотки на электромагнитах в различные моменты времени, благодаря чему обеспечивается плавная работа электрической машины.
В патенте США U.S. Patent No. 6,891,306, выданном на имя Maslov et al., предлагается усовершенствование конструкции вышеупомянутой электрической машины с целью получения большей общей эффективной площади воздушного зазора. Путем увеличения площадей поверхности полюсов статора и магнитов ротора и за счет повышения эффективности распределения магнитного потока на основе концентрации магнитного потока обеспечивается большее распределение магнитного потока. Таким образом, в электрической машине образуются более крупные непрерывные создающие магнитный поток контуры между элементами ротора и элементами статора. Путем увеличения площади между полюсами ротора и соответствующими полюсами статора, проходящими через несколько воздушных зазоров, магнитный поток может быть сфокусирован на относительно большей поверхности с целью дополнительного повышения крутящего момента электрической машины. В двух вышеупомянутых электрических машинах взаимодействие электромагнитных сил происходит в осевом направлении, в результате чего осевой дисбаланс оказывает негативное воздействие на электрические машины. На практике пространственное расположение обмоток необходимо учитывать до работы устройства с целью достижения геометрически радиального баланса в пространстве, который в процессе работы достигается путем обеспечения одновременного контроля за взаимодействующими обмотками. В этом случае работа всех взаимодействующих обмоток должна быть прекращена с целью поддержания геометрического баланса даже несмотря на то, что не функционирует только одна из взаимодействующих обмоток. Это не только снижает гибкие эксплуатационные характеристики электрических машин, но также приводит к увеличению пульсации крутящего момента.
Целью настоящего изобретения является снижение отрицательного воздействия на электрическую машину при возникновении осевого дисбаланса и повышение распределения магнитного потока полюсов таким образом, чтобы обеспечивалось сосредоточение магнитного потока на большей полюсной поверхности, тем самым повышая эффективность и выходную мощность электрической машины, при этом снижая пульсацию крутящего момента и сохраняя безопасные, гибкие эксплуатационные характеристики.
Краткое изложение существа изобретения
Целью настоящего изобретения является создание бесщеточной электрической машины, обладающей высоким кпд и высокой выходной мощностью, при одновременном снижении пульсаций крутящего момента и достижении безопасных гибких эксплуатационных характеристик в процессе работы электрической машины.
С целью достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение предусматривает создание бесщеточной электрической машины, в которой взаимодействие электромагнитных сил происходит в осевом направлении. Кроме того, предусматривается увеличение площади поверхности полюсов ротора и соответствующих полюсов статор, проходящих через воздушные зазоры с целью дальнейшего повышения перегрузочной способности по крутящему моменту бесщеточной электрической машины. Дополнительно к достижению высокого кпд, высокой выходной мощности крутящего момента, а также к снижению пульсаций крутящего момента и повышению безопасных и гибких эксплуатационных характеристик в бесщеточной электрической машине достигается геометрический пространственный баланс. В соответствии с настоящим изобретением вышеуказанные цели могут быть достигнуты, по меньшей мере, частью конструкции бесщеточной электрической машины.
Первый пример осуществления настоящего изобретения включает бесщеточную электрическую машину, имеющую статор и ротор. Ротор включает несколько магнитных элементов, при этом каждый элемент имеет два постоянных магнита с противоположными магнитными полярностями. Несколько магнитных элементов последовательно меняют полярности (N/S) по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала с целью образования колесообразного кольца, при этом смежные постоянные магниты, расположенные по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, отделены друг от друга зазором. Кроме того, каждый постоянный магнит каждого магнитного элемента ротора является тонким, планарным постоянным дипольным магнитом. Каждый магнитный элемент с постоянными магнитами ротора включает в основном U-образное соединительное гнездо, выполненное из ферромагнитного материала. Два постоянных магнита соответственно установлены на внутренних поверхностях двух боковых стенок U-образного соединительного гнезда каждого магнитного элемента и образуют два магнитных полюса магнитного элемента. Каждый полюсный наконечник (поверхность полюса) постоянного магнита обращен в сторону одного из двух воздушных зазоров радиальной составляющей. Поверхность постоянного магнита каждого магнитного элемента, обращенного в сторону воздушного зазора, проявляет одну магнитную полярность, противоположную магнитной полярности поверхности другого постоянного магнита на том же самом магнитном элементе, образующем радиальный магнитный полюс. Статор включает, как минимум, один электромагнитный элемент. Вокруг вращающегося вала соосно расположено несколько ферромагнитоизолированных электромагнитных элементов статора. Каждый электромагнитный элемент имеет сдвоенные полюса, соединенные сегментом ферромагнитного сердечника. Полюсные наконечники сдвоенных полюсов обращены в сторону соответствующих воздушных зазоров радиальной составляющей. На сегменте сердечника электромагнитного элемента выполнены обмотки. Каждая обмотка имеет независимый выключатель для возбуждения. Каждый электромагнитный элемент статора прикреплен с помощью неферромагнитной конструкции к статору таким образом, чтобы исключался ферромагнитный контакт между электромагнитными элементами с целью предотвращения эффекта трансформаторных помех, возникающего в результате магнитного потока между смежными обмотками. Статор и ротор собирают вместе, при этом колесообразное кольцо статора, как минимум, частично окружено колесообразным кольцом ротора с целью создания двух воздушных зазоров радиальной составляющей на двух радиальных поверхностях ротора и между ротором и статором.
Обмотка каждого электромагнитного элемента статора имеет независимый выключатель для возбуждения. При возбуждении обмотки полюсные наконечники полюсной пары электромагнитного элемента образуют противоположные магнитные полярности. Полярности полюсной пары электромагнитного элемента меняются на обратные при изменении направления тока в обмотке. Соответственно возбужденные полюсные пары электромагнитных элементов статора разделяют заключенные в них магнитные поля ротора и создают соответствующую силу притяжения или силу отталкивания за счет взаимодействия с соответствующими постоянными магнитными полями магнитных элементов ротора для приведения ротора в действие. Отрицательное воздействие в результате эффекта электромагнитных помех между двумя смежными обмотками устраняют путем обоюдного разделения путей магнитных потоков электромагнитных элементов статора. Подача/отключение питания обмотки может регулироваться с помощью электромеханического переключателя или электронной переключающей цепи. Для регулирования с помощью электронной переключающей цепи необходимо подача сигнала обнаружения с датчика.
Во втором примере осуществления настоящего изобретения в результате изменения конструкции магнитных полюсных наконечников двух постоянных магнитов магнитного элемента ротора имеют идентичные площади поверхности полюсных наконечников с целью достижения равномерного распределения магнитного потока на полюсах двух постоянных магнитов магнитного элемента ротора. Кроме того, два полюсных наконечника полюсной пары электромагнитного элемента статора также имеют идентичные площади поверхности полюсных наконечников, в результате чего обеспечивается сбалансированность магнитного потока, проходящего через два полюса сдвоенных полюсов электромагнитных элементов статора. Тем не менее, такое изменение оказывает отрицательное воздействие на электрическую машину при независимой работе каждого электромагнитного элемента. Тем не менее, отрицательное воздействие, возникающее в результате геометрического дисбаланса, может быть частично устранено путем последовательного или параллельного возбуждения двух обмоток, имеющих угол сдвига фаз в 180° между собой в пространстве.
В третьем примере осуществления настоящего изобретения с целью предотвращения потерь выходной мощности бесщеточной электрической машины, учитывая при этом рабочий баланс бесщеточной электрической машины, полюсный наконечник на радиальной внутренней стороне двух магнитных полюсных наконечников магнитного элемента статора изменен с целью создания дополнительных совмещенных по оси магнитных полюсных наконечников с идентичной площадью полюсных наконечников. Кроме того, при четном количестве полюсных наконечников полюса статора в осевом направлении такое количество соответствует количеству полюсов ротора в осевом направлении таким образом, чтобы обеспечивалось четное количество воздушных зазоров аксиальной составляющей между радиально внутренним полюсом статора и соответствующим полюсом ротора. Такое усовершенствование не только позволяет создать в электрической машине два полюса с равномерным распределением магнитного потока, но также частично устранить отрицательное воздействие в результате геометрического дисбаланса.
В четвертом примере осуществления настоящего изобретения на основе дополнительных усовершенствований каждый из двух постоянных магнитных полюсов магнитного элемента ротора включает в основном U-образный полюсный наконечник. Один из трех полюсных наконечников U-образных полюсных наконечников расположен в основном перпендикулярно к вращающемуся валу и обращен к воздушному зазору радиальной составляющей, в то время как два других полюсных наконечника обращены к воздушным зазорам аксиальной составляющей. Каждый из сдвоенных полюсов электромагнитных элементов статора имеет в основном U-образную форму в поперечном сечении и отделен от соответствующего магнитного полюса магнитных элементов воздушным зазором радиальной составляющей и двумя воздушными зазорами аксиальной составляющей. Дополнительно к двум воздушным зазорам радиальной составляющей между статором и ротором для отделения статора от ротора каждый полюс статора и соответствующий полюс ротора имеют аксиально совмещенные воздушные зазоры аксиальной составляющей для отделения статора от ротора таким образом, чтобы количество воздушных зазоров аксиальной составляющей между каждым полюсом статора и соответствующим полюсом ротора являлось четным. Путем увеличения полюсных наконечников роторного магнитного полюса, обращенных к воздушным зазорам аксиальной составляющей, и полюсных наконечников соответствующего полюса статора достигается дополнительная площадь поверхности роторного магнитного полюса и соответствующего статорного полюса, идущего через воздушные зазоры с целью сосредоточения магнитного потока на относительно большой поверхности, тем самым повышая нагрузочную способность бесщеточной электрической машины. За счет увеличения аксиального полюсного наконечника бесщеточной электрической машины магнитные полюсные наконечники двух постоянных магнитов магнитных элементов имеют идентичные площади поверхности полюсных наконечников, в то время как два полюсных наконечника полюсной пары электромагнитного элемента имеют идентичную площадь поверхности полюсного наконечника, в результате чего обеспечивается достижение дополнительных конструктивных преимуществ.
За счет расположения соответствующих независимых элементов в конструкции бесщеточной электрической машины обеспечивается геометрический пространственный баланс бесщеточной электрической машины с целью дальнейшего повышения безопасных гибких эксплуатационных характеристик. Кроме того, за счет пространственного сбалансированного расположения нескольких электромагнитных элементов статора и нескольких магнитных элементов ротора обеспечивается снижение отрицательного воздействия на электрическую машину во время независимой работы одного элемента.
В пятом примере осуществления настоящего изобретения U-образный постоянный магнит каждого магнитного полюса магнитного элемента ротора заменен тремя постоянными магнитами, при этом каждый из двух магнитных полюсов с противоположными полярностями каждого магнитного элемента включает три полюсных наконечника, имеющих идентичную магнитную полярность. Несмотря на то, что такая конструкция оказывает отрицательное воздействие на концентрацию магнитного поля, создающего крутящий момент, упрощается изготовление постоянных магнитов, в то время как работа бесщеточной электрической машины остается без изменений.
В шестом примере осуществления настоящего изобретения, учитывая простоту изготовления постоянных магнитов, U-образный постоянный магнит каждого магнитного полюса магнитного элемента ротора в четвертом примере осуществления настоящего изобретения заменен дугообразным постоянным магнитом с целью создания двух воздушных зазоров радиальной составляющей между статором и ротором для отделения статора от ротора. Кроме того, аксиально совмещенные воздушные зазоры аксиальной составляющей расположены между полюсом статора и полюсом ротора для отделения полюса статора от полюса ротора. Несмотря на то, что такая конструкция сокращает площадь поверхности полюсного наконечника, в работу бесщеточной электрической машины не вносится никаких изменений.
В седьмом примере осуществления настоящего изобретения при внесении дополнительных усовершенствований смежные постоянные магниты ротора, расположенные по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, не только отделены друг от друга зазорами, но также не имеют между собой ферромагнитного контакта. Следовательно, на роторном магнитном полюсе обеспечивается более равномерное распределение магнитного потока, благодаря чему достигается концентрация магнитного потока, наиболее эффективное использование магнитного потока и снижение до минимума эффекта трансформаторных помех. За счет этого достигается высокоэффективная работа бесщеточной электрической машины при высокой производимой мощности.
Благодаря такому расположению и геометрическому усовершенствованию конструкции бесщеточной электрической машины обеспечивается снижение до минимума отрицательного воздействия, вызываемого геометрическим дисбалансом с целью достижения высокого кпд, высокой производимой мощности и безопасных гибких эксплуатационных характеристик бесщеточной электрической машины без существенного увеличения габаритов и веса.
Дополнительные преимущества настоящего изобретения очевидны специалистам в данной области техники из приведенного ниже описания, иллюстраций примеров осуществления изобретения и детального пояснения настоящего изобретения. На практике возможна реализация других различных примеров осуществления настоящего изобретения, и в него могут быть внесены изменения и модификации в пределах существа настоящего изобретения. Соответствующим образом, чертежи и описания рассматриваются как иллюстративные по своему характеру, а не как ограничивающие.
Промышленное применение
В соответствии с настоящим изобретением бесщеточная электрическая машина приемлема для высокоэффективных генераторов или двигателей и может быть использована в качестве двигателя самоходных устройств, таких как электрические коляски, электрические мотоциклы, электромобили и т.д.
Описание примеров осуществления настоящего изобретения приведено на основе иллюстративных примеров неограничивающего характера со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - изображение в перспективе в разобранном виде первого примера осуществления бесщеточной электрической машины в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - вид в перспективе первого примера осуществления бесщеточной электрической машины в соответствии с настоящим изобретением после сборки.
Фиг.3 - вид в поперечном сечении бесщеточной электрической машины по линии А-А на Фиг.2.
Фиг.4 - детальный вид в частичном разрезе бесщеточной электрической машины по линии В-В на Фиг.2.
Фиг.5 - вариант поперечного сечения на Фиг.3, иллюстрирующий второй пример осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 - вариант поперечного сечения на Фиг.4, иллюстрирующий третий пример осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 - вариант частичного изображения в перспективе в разобранном виде аналогичный части статора бесщеточной электрической машины на Фиг.1, иллюстрирующий четвертый пример осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 - вид в перспективе, иллюстрирующий часть статора бесщеточной электрической машины на Фиг.7 после сборки.
Фиг.9 - вид в поперечном сечении, иллюстрирующий часть четвертого примера осуществления бесщеточной электрической машины в соответствии с настоящим изобретением, при этом часть статора бесщеточной электрической машины после сборки проиллюстрирована на Фиг.7.
Фиг.10 - вариант поперечного сечения на Фиг.9, иллюстрирующий пятый пример осуществления настоящего изобретения.
Фиг.11 - другой вариант поперечного сечения на Фиг.9, иллюстрирующий шестой пример осуществления настоящего изобретения.
Перечень номеров позиций
21, 22, 22b1, 21с1, 22с1, 21d1, 22d1
воздушный зазор радиальной составляющей
21с2, 21с3, 22b2, 22b3, 22c2, 22с3, 21d2, 21d3, 22d2, 22d3
воздушный зазор аксиальной составляющей
32
зазор между смежными магнитными элементами вдоль по окружности по направлению вращающегося вала
33, 33с
зазор между полюсами электромагнитных элементов
55, 55a, 55b, 55с
соединительное гнездо магнитного элемента
51, 52, 51a, 52a, 52b, 51c, 52c
постоянный магнит магнитного элемента
51d1, 52d1
постоянный магнит на внутренней стороне соединительного гнезда магнитного элемента,
обращенного к воздушному зазору радиальной
составляющей
51d2, 51d3, 52d2, 52d3
постоянный магнит на внутренней стороне соединительного гнезда магнитного элемента, обращенного к воздушному зазору аксиальной составляющей
60
электромагнитный элемент
61, 62, 61a, 62a, 62b, 61c, 62c
полюсная пара электромагнитного элемента
65, 65a1, 65a2, 65e
обмотка электромагнитного элемента
63
сегмент сердечника электромагнитного элемента
69, 69b
соединительное гнездо электромагнитного элемента
611b, 612b
углубление в боковой стороне U-образной полюсной пары 61 и 62 электромагнитного элемента
611, 612
крепежная пластина
611a, 612a
радиальный выступ крепежной пластины 611, 612
611c, 612c
паз в крепежной пластине 611, 612
601
крепежная опора статора
601c1, 601c2
отверстие в крепежной опоре 601
601a
крепежная деталь
74
вращающийся вал
80
диск ротора
81, 81c, 81e
фиксирующий диск ротора
82, 82с
фиксирующий диск статора
83, 83е
внешнее кольцо ротора
Подробное описание предпочтительных примеров осуществления настоящего изобретения
На Фиг.1 приведено изображение в перспективе в разобранном виде, иллюстрирующее элементы первого примера осуществления бесщеточной электрической машины в соответствии с настоящим изобретением. Бесщеточная электрическая машина в соответствии с настоящим изобретением включает статор и ротор. Ротор включает несколько магнитных элементов, снабженных постоянными магнитами. Каждый магнитный элемент включает в основном U-образное соединительное гнездо 55, выполненное из ферромагнитного материала. Постоянные магниты 51 и 52 соответственно установлены на внутренних поверхностях двух боковых стенок U-образного соединительного гнезда 55 каждого магнитного элемента и образуют два магнитных полюса магнитного элемента. Тыльная сторона U-образного соединительного гнезда каждого магнитного элемента соединена с фиксирующим диском 81 ротора таким образом, чтобы магнитные элементы, снабженные постоянными магнитами, располагались по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала 74 и образовывали колесообразное кольцо ротора. Фиксирующий диск 81 ротора соединен с одним из двух дисков 80 ротора. Внешнее кольцо 83 ротора соединено с диском 80 ротора с двух сторон и соединено с вращающимся валом с помощью подшипников. Статор включает несколько электромагнитных элементов 60. Электромагнитные элементы статора, снабженные обмотками 65, соединены с вращающимся валом с помощью соединительных гнезд 69 и фиксирующим диском 82 статора таким образом, чтобы электромагнитные элементы располагались по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала и образовывали колесообразное кольцо статора. Колесообразное кольцо статора, по меньшей мере, частично окружено колесообразным кольцом ротора, образующим два воздушных зазора радиальной составляющей на двух радиальных поверхностях ротора и между ротором и статором. В этом случае число воздушных зазоров аксиального компонента, разделяющих полюс статора и соответствующий полюс ротора на аксиальной секции, составляет нуль (нуль к нулю аксиально совмещенные воздушные зазоры аксиальной составляющей).
На Фиг.2 показан вид в перспективе первого примера осуществления собранной бесщеточной электрической машины, приемлемой для приведении в действие колесного устройства, например транспортного средства.
На Фиг.3 показан вид в поперечном сечении по линии А-А на Фиг.2, иллюстрирующий конструкцию первого примера осуществления бесщеточной электрической машины в соответствии с настоящим изобретением. Во внешнем кольце 83 ротора к внутренней поверхности каждой боковой стенки U-образного соединительного гнезда 55 каждого магнитного элемента прикреплен постоянный магнит 51, 52, при этом магнитные полюсные наконечники каждого постоянного магнита 51, 52 обращены к соответствующему воздушному зазору радиальной составляющей. Магнитный полюсный наконечник каждого постоянного магнита проявляет одну магнитную полярность, противоположную магнитной полярности магнитного полюсного наконечника другого постоянного магнита на том же самом магнитном элементе. Магнитные элементы расположены по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала 74 и последовательно изменяют магнитные полярности (N/S), образуя колесообразное кольцо ротора. Каждый электромагнитный элемент статора включает сдвоенные полюса 61 и 62, соединенные с помощью сегмента ферромагнитного сердечника 63, при этом обмотка 65 выполнена на сегменте сердечника. Полюсная пара 61 и 62 каждого из нескольких электромагнитных элементов, расположенная по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, образуя кольцо статора, соответственно обращена к магнитным полюсам двух постоянных магнитов 51 и 52 на соответствующих магнитных элементах ротора через воздушные зазоры радиальной составляющей 21 и 22 соответственно. При возбуждении обмотки электромагнитного элемента магнитный поток проходит через сегмент сердечника 63, полюсную пару 61 и 62 и воздушные зазоры 21 и 22 радиальной составляющей между статором и ротором и взаимодействует с двумя постоянными магнитами 51 и 52 соответствующих магнитных элементов ротора. Каждый из постоянных магнитов 51 и 52 является тонким постоянным дипольным магнитом. Каждый магнитный полюсный наконечник каждого постоянного магнита проявляет одну магнитную полярность противоположную магнитной полярности противоположной стороны постоянного магнита. Зазоры 32 между смежными магнитными элементами по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала могут не являться идентичными друг другу с целью обеспечения простого взаимодействия с элементами на статоре. Кроме того, зазоры 32 между смежными электромагнитными элементами статора могут не являться идентичными друг другу с целью обеспечения простого взаимодействия с элементами на роторе. Пульсация крутящего момента бесщеточной электрической машины может быть снижена для достижения плавной работы за счет соответствующего расположения элементов. Магнитный поток, создающий крутящий момент, может быть сконцентрирован с помощью конструкции, проиллюстрированной на Фиг.3. Показанные магнитные полярности N и S приведены исключительно для иллюстрации магнитных полярностей магнитного поля, созданного магнитными полюсными наконечниками, обращенными к воздушным зазорам, а не для ограничительных целей.
На Фиг.4 приведен детальный вид в частичном разрезе бесщеточной электрической машины по линии В-В на Фиг.2. Как проиллюстрировано на Фиг.4, к диску 80 ротора с обеих сторон прикреплено внешнее кольцо 83 ротора. Каждый магнитный элемент соединен с фиксирующим диском 81 ротора с помощью соответствующего соединительного гнезда 55, с постоянным магнитом 51, 52, установленным на внутренней поверхности каждой боковой стенки U-образного соединительного гнезда 55 каждого магнитного элемента, и с магнитным полюсным наконечником каждого постоянного магнита 51, 52, обращенного к соответствующему воздушному зазору радиальной составляющей. Соединительное гнездо, выполненное из ферромагнитного материала, образует ярмо соответствующего магнитного элемента и служит в качестве пути для замыкания магнитного потока магнитных полюсов двух постоянных магнитов магнитных элементов таким образом, чтобы обеспечивалась концентрация магнитного потока на торцах постоянных магнитных полюсов магнитного элемента. Каждый электромагнитный элемент статора включает сегмент сердечника 63 для соединения сдвоенных полюсов 61 и 62. Сегмент сердечника 63 выполнен из ферромагнитного материала, такого как Fe, SiFe, SiFeP, SiFeCo и т.д. Обмотка 65 выполнена на сегменте сердечника 63 каждого электромагнитного элемента. Каждый электромагнитный элемент прикреплен с помощью соединительного гнезда 69 к фиксирующему диску 82 статора таким образом, чтобы обеспечивалось его непосредственное соединение с вращающимся валом. Два воздушных зазора радиальной составляющей 21 и 22 выполнены между полюсными наконечниками двух постоянных магнитов каждого магнитного элемента ротора и полярных пар статора с целью отделения ротора от статора. Соединительное гнездо 69 на Фиг.4 может быть выполнено из неферромагнитного материала, такого как алюминий или нержавеющая сталь таким образом, чтобы обеспечивалось формирование независимого пути магнитного потока в каждом электромагнитном элементе статора. Ввиду того, что электромагнитные элементы изолированы друг от друга ферромагнитным материалом, могут быть получены более сфокусированные концентрации магнитного потока с целью повышения характеристик бесщеточной электрической машины за счет взаимодействия между магнитными элементами ротора и электромагнитными элементами статора.
Путем установки датчика или переключателя в бесщеточной электрической машине, взаимодействующего со щеткой в соответствующем положении, в требуемое время обеспечивается регулирование тока обмотки соответствующих электромагнитных элементов для достижения плавного регулирования мощности. Например, при использовании бесщеточной электрической машины в качестве двигателя относительное положение между статором и ротором, детектируемое датчиком, можно использовать для соответствующего регулирования возбуждения обмотки электромагнитного элемента для намагничивания соответствующих электромагнитных элементов статора. Вследствие этого на полюсных наконечниках полярной пары электромагнитного элемента генерируются противоположные магнитные полярности N и S. Пути магнитного потока генерируются путем возбуждении обмотки через воздушные зазоры для создания магнитодвижущей силы, взаимодействующей с постоянными магнитами ротора для придания вращения ротору.
С целью пояснения настоящего изобретения ниже будет приведено описание примера регулирования возбуждения обмотки одного электромагнитного элемента статора бесщеточной электрической машины. Ввиду взаимного притяжения между противоположными магнитными полярностями, когда северный полюс N постоянного магнитного элемента ротора обращен к южному полюсу S электромагнитного элемента статора, южный полюс S на радиальной противоположной стороне магнитного элемента одновременно обращен к северному полюсу N того же самого электромагнитного элемента статора таким образом, чтобы обеспечивалось притяжение постоянных магнитных полюсов ротора электромагнитным элементом статора. Когда постоянные магнитные полюса ротора притягиваются электромагнитным элементом статора и радиально охватывают электромагнитный элемент статора, ток в обмотке электромагнитного элемента статора изменяет направление на обратное, в результате чего изменяется направление магнитного поля полярной пары электромагнитного элемента статора. В этот момент полярность магнитного поля полярной пары электромагнитного элемента статора является такой же, как полярность окружающего постоянного магнитного полюса ротора и, таким образом, отталкивается полярностью окружающего постоянного магнитного поля ротора, которое притягивает соседний постоянный магнитный полюс. Происходит вращение ротора за счет повторения вышеописанного процесса.
Несмотря на то, что регулирование возбуждения обмотки одного электромагнитного элемента статора бесщеточной электрической машины было приведено выше в качестве примера, любой иной электромагнитный элемент статора может рассматриваться в качестве независимого элемента, положение которого относительно ротора может быть определено датчиком для обеспечения регулирования возбуждения его обмотки. Ввиду того, что каждый из электромагнитных элементов является независимым, они могут быть изготовлены одновременно, обеспечивая простую, но плотную намотку обмоток. Таким образом, количество медной проволоки для создания обмоток может быть сокращено при повышении рабочих характеристик электрической машины.
На Фиг.5 представлен вариант поперечного сечения на Фиг.3, иллюстрирующий второй пример осуществления настоящего изобретения. На чертежах настоящего изобретения только измененные элементы обозначены различными позициями с целью лучшего понимания изменений, внесенных в примеры осуществления настоящего изобретения. По сравнению с электрической машиной на Фиг.3 бесщеточная электрическая машина на Фиг.5 не достигает максимальной мощности, но обеспечивает более равномерное распределение магнитного потока полюсной пары каждого электромагнитного элемента статора. Полюсная пара каждого электромагнитного элемента на Фиг.3 заменена полюсной парой 61 а и 62а с той же самой площадью полюсного наконечника на Фиг.5. Как показано на Фиг.5, с целью обеспечения большего согласования с распределением магнитного потока двух постоянных магнитных полюсов каждого магнитного элемента ротора магнитные полюса постоянных магнитов 51а и 52а каждого магнитного элемента изменены для придания им большей симметричности, при этом соединительное гнездо 55а также модифицировано в соответствии с изменениями постоянных магнитов 51а и 52а. Таким образом, распределение магнитного потока между полюсной парой электромагнитного элемента и постоянными магнитными полюсами магнитного элемента является более сбалансированным. Несмотря на то, что такое изменение может повысить пульсацию крутящего момента во время работы бесщеточной электрической машины, отрицательное воздействие, вызываемое геометрическим дисбалансом, может быть устранено путем достижения геометрической сбалансированности работы электрической машины. Например, обмотки 65а1 и 65а2 на Фиг.5 имеют угол сдвига фаз в 180° для обеспечения последовательного или параллельного возбуждения между ними.
На Фиг.6 представлен вариант поперечного сечения на Фиг.4, иллюстрирующий третий пример осуществления настоящего изобретения. По сравнения с первым примером осуществления изобретения третий пример осуществления изобретения обеспечивает более сбалансированное распределение магнитного потока между полюсной парой электромагнитного элемента статора и постоянными магнитными полюсами магнитного элемента ротора без снижения максимальной мощности бесщеточной электрической машины. Радиально внутренний полюс 62 полюсной пары каждого электромагнитного элемента и радиально внутренний полюс 52 постоянных магнитных полюсов соответствующих магнитных элементов на Фиг.4 заменены радиально внутренним полюсом 62b электромагнитного элемента, имеющего U-образный полюсный наконечник, и радиально внутренним постоянным магнитным полюсом 52b магнитного элемента на Фиг.6. Тем не менее, радиально внешний полюс полюсной пары каждого магнитного элемента и радиально внешний постоянный магнитный полюс соответствующего магнитного элемента на Фиг.6 являются идентичными радиальным внешним полюсам на Фиг.4 с целью сохранения нуль к нулю аксиально совмещенных воздушных зазоров аксиальной составляющей, как проиллюстрировано на чертеже. Как показано на Фиг.6, в конструкции имеются модифицированное соединительное гнездо 55b для магнитного элемента и модифицированное соединительное гнездо 69b для электромагнитного элемента с целью обеспечения взаимодействия с модифицированным электромагнитным элементом и модифицированным постоянным магнитным полюсом магнитного элемента. Постоянный магнит 52b внутреннего постоянного магнитного полюса магнитного элемента на Фиг.6 является тонким постоянным дипольным магнитом, имеющим U-образный полюсный наконечник. U-образный полюсный наконечник каждого постоянного магнита проявляет только одну магнитную полярность, противоположную полярности на тыльной стороне U-образной конструкции постоянного магнита, соединенного с внутренней поверхностью С-образного соединительного гнезда. Полярности N и S, приведенные на чертеже, предназначены исключительно для иллюстративных, а не для ограничительных целей. Внешняя сторона U-образной конструкции внутреннего полюса 62b электромагнитного элемента, имеющего U-образную форму в поперечном сечении и связанного с постоянным магнитным полюсом 52b магнитного элемента, имеет три полюсных наконечника, при этом U-образный полюсный наконечник постоянного магнитного полюса 52b взаимодействует с U-образным полюсным наконечником соответствующего внутреннего полюса 62b через воздушный зазор 22b1 радиальной составляющей и воздушные зазоры 22b2 и 22b3 аксиальной составляющей между ними. Ввиду того, что число воздушных зазоров аксиальной составляющей, отделяющих полюс статора 62b от соответствующего полюса ротора 52b, является четным, взаимнооднозначные аксиально совмещенные воздушные зазоры аксиальной составляющей создают дополнительную площадь воздушного зазора для повышения концентрации магнитного потока и улучшения сбалансированного распределения магнитного потока между парой магнитных полюсов. Кроме того, эффект балансирования в аксиальном направлении не вызывает отрицательного воздействия на электрическую машину, в результате чего исключается необходимость в дополнительном достижении геометрического баланса.
На Фиг.7 представлен вариант частичного изображения в перспективе в разобранном виде аналогичный части статора бесщеточной электрической машины на Фиг.1, иллюстрирующей четвертый пример осуществления настоящего изобретения. Каждый U-образный полюс 61с, 62с полюсной пары электромагнитного элемента статора образует относительно большую площадь воздушного зазора с целью уменьшения габаритов бесщеточной электрической машины и создания более эффективной бесщеточной электрической машины. Полюсные наконечники, расположенные в аксиальном направлении на двух сторонах каждого U-образного полюса, являются аксиально совмещенными. Каждый U-образный полюс 61с, 62с электромагнитного элемента статора включает четыре паза. Два паза 611b каждого U-образного полюса расположены на двух противоположных концах стороны U-образного полюса, в то время как два других паза 612b U-образного полюса расположены на двух противоположных концах другой стороны U-образного полюса. Каждая крепежная пластина 611 и 612, выполненная из неферромагнитного материала, включает выступ 611а, 612а на каждой из своих двух радиальных сторон, при этом выступы сужаются в направлении вовнутрь, и более узкая внутренняя часть выступа соединена с корпусом крепежной пластины. Корпус каждой крепежной пластины 611, 612 может состоять из двух идентичных компонентов, каждый из которых представляет собой удлиненную полосу концентрическую по отношению к другой. Конец одной удлиненной полосы соединен с концом другой удлиненной полосы в аксиальном направлении, при этом выступ 611а, 612а соединен с радиальной боковой поверхностью участка соединения удлиненных полос. Отверстия 611с, 612с в корпусах обеспечивают взаимное соединение с помощью пары смежных крепежных пластин таким образом, чтобы обеспечивалось соединение вместе нескольких крепежных пластин и образование кругового кольца. Два радиальных выступа 611а на крепежных пластинах соединяются с двумя радиальными пазами 611b полюса электромагнитного элемента статора, в то время как радиальные выступы 612а на крепежной пластине соединяются с радиальным пазами 612b полюса электромагнитного элемента статора. Крепежные пластины 611 и 612 являются в основном идентичными. За счет плотного соединения между пазами полюса электромагнитного элемента и выступами крепежных пластин несколько крепежных пластин, выполненных из неферромагнитного материала, соединяют друг с другом для взаимодействия с несколькими электромагнитными элементами, расположенными по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, образуя колесообразное кольцо статора. Как проиллюстрировано на чертеже, крепежная опора 601 статора предназначена для соединения колесообразного кольца статора с крепежным диском статора. Отверстия 601с1 крепежной опоры 601 совмещают с отверстиями 612с в крепежной пластине 612 и фиксируют с использованием известного способа, иллюстративным примером которого являются крепежные детали 601а. Отверстия 601с2 в крепежной опоре обеспечивают соединение с фиксирующим диском статора. На практике отсутствие крепежных пластин 611 не повлияет на работу бесщеточной электрической машины.
На Фиг.8 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий часть статора бесщеточной электрической машины на Фиг.7 после сборки. Два электромагнитных элемента статорного кольца, расположенных рядом друг с другом, разделены зазором 33с таким образом, чтобы исключался ферромагнитный контакт между электромагнитными элементами и обеспечивалась их изоляция в магнитном отношении.
На Фиг.9 представлен вид в поперечном сечении, иллюстрирующий часть четвертого примера осуществления бесщеточной электрической машины в соответствии с настоящим изобретением, при этом часть статора бесщеточной электрической машины после сборки проиллюстрирована на Фиг.7. Несколько крепежных пластин 611 и 612 примыкают друг к другу для взаимодействия с несколькими электромагнитными элементами, расположенными по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, образуя колесообразное кольцо статора за счет соединения между фиксирующими опорами 601 и фиксирующим диском 82 с статора. Для обеспечения взаимодействия с U-образным полюсом 61с, 62с электромагнитного элемента статора каждый магнитный элемент с постоянными магнитами включает в основном С-образное соединительное гнездо 55с, выполненное из ферромагнитного материала. Радиальная верхняя часть внутренней поверхности соединительного гнезда соединена с тыльной поверхностью U-образного постоянного магнита 51с, в то время как радиальная нижняя часть внутренней поверхности того же самого соединительного гнезда соединена с другим U-образным постоянным магнитом 52с, поверхность которого имеет противоположную магнитную полярность, благодаря чему образуются два магнитных полюса с противоположными магнитными полярностями у их полюсных наконечников на магнитном элементе. Два постоянных магнита на каждом магнитном элементе в основном разделены воздушным зазором радиальной составляющей. Каждый постоянный магнит каждого магнитного полюса магнитного элемента представляет собой тонкий постоянный дипольный магнит, имеющий U-образный полюсный наконечник. U-образный полюсный наконечник каждого постоянного магнита проявляет одну магнитную полярность противоположную полярности U-образной тыльной поверхности постоянного магнита, установленного на внутренней поверхности соединительного гнезда. Тыльная сторона С-образного соединительного гнезда каждого магнитного элемента соединена с фиксирующим диском 81 с ротора, который соединен с одним из роторных дисков 80. Роторное внешнее кольцо 83 соединено с роторными дисками с двух сторон. Таким образом, каждый полюс постоянного магнита магнитного элемента включает три полюсных наконечника одной и той же магнитной полярности в магнитном поле, первый из которых является в основном параллельным вращающемуся валу и обращен в сторону к воздушному зазору 21с1 (или 22с1) радиальной составляющей, в то время как два других соответственно обращены к воздушным зазорам 21с2 и 21с3 (или 22с2 и 22с3) аксиальной составляющей. Полюсный наконечник каждого магнитного полюса каждого магнитного элемента взаимодействует с соответствующим полюсным наконечником соответствующего магнитного полюса полюсной пары статора, при этом между ними имеется воздушный зазор. В соответствии с иллюстрацией на чертеже два магнитных полюса полюсной пары электромагнитного элемента имеют приблизительно одинаковую площадь полюсного наконечника. Два постоянных магнитных полюса магнитного элемента имеют приблизительно одинаковую площадь полюсного наконечника. Кроме того, число воздушных зазоров аксиального компонента, отделяющих полюс статора от соответствующего полюса ротора, является четным, обеспечивая взаимнооднозначные аксиально совмещенные воздушные зазоры аксиальной составляющей в аксиальном направлении. При надлежащем расположении ферромагнитного материала площадь полюсного наконечника полюсной пары статора, которая в основном соответствует площади электромагнитного элемента, не обязательно должна быть равной площади полюсного наконечника двух магнитных полюсов, которые, в основном, соответствуют идентичной площади полюсного наконечника электромагнитного элемента. Тем не менее, площадь полюсного наконечника полюсной пары электромагнитного элемента статора в основном соответствует площади полюсного наконечника двух магнитных полюсов магнитного элемента ротора с целью обеспечения более сбалансированного распределения магнитного потока сдвоенных полюсов электромагнитного элемента статора и двух постоянных магнитных полюсов магнитного элемента ротора. Ввиду того, что эффект достижения балансировки при аксиальном совмещении не оказывает отрицательного воздействия на электрическую машину, обеспечивается дальнейшее достижение геометрического баланса. Несколько магнитных элементов с постоянными магнитами расположены по направлению вдоль окружности вокруг вращающегося вала, образуя колесообразное кольцо, в котором постоянные магниты, окружающие вращающийся вал по направлению вдоль окружности, последовательно изменяют полярность. Магнитные полярности N и S на чертеже предназначены для иллюстрации полярности магнитного поля магнитного полюсного наконечника, обращенного к воздушному зазору, а не для ограничения изобретения.
На практике статор на Фиг.9 может быть собран с ротором на Фиг.4, что является всего лишь примером различных примеров осуществления настоящего изобретения. Несмотря на то, что такая сборка оказывает негативное воздействие на магнитный поток электрической машины, в ней имеются аксиально совмещенные воздушные зазоры аксиальной составляющей и обеспечивается эффективная работа. Полюс статора включает полюсный наконечник, обращенный к воздушному зазору радиальной составляющей, а также аксиально совмещенные полюсные наконечники, обращенные к воздушным зазорам аксиальной составляющей, в то время как полюс ротора включает только полюсный наконечник, обращенный к воздушному зазору радиальной составляющей. В результате этого число аксиально совмещенных воздушных зазоров аксиальной составляющей, разделяющих полюс статора и соответствующий полюс ротора на аксиальной секции, составляет нуль (нуль к нулю аксиально совмещенные воздушные зазоры аксиальной составляющей).
На Фиг.10 представлен вариант поперечного сечения на Фиг.9, иллюстрирующий пятый пример осуществления настоящего изобретения. U-образные постоянные магниты 51с и 52с на внутренней поверхности соединительного гнезда магнитного элемента на Фиг.9 заменены тремя постоянными магнитами 51d1, 51d2 и 51d3; 52d1, 52d2 и 52d3 на Фиг.10. На этом чертеже постоянные магниты 51d1 и 51d2 установлены на внутренней поверхности соединительного гнезда таким образом, чтобы магнитные полюсные наконечники соответственно были обращены к воздушным зазорам 21d1 и 22d1 радиальной составляющей, в то время как постоянные магниты 51d2, 51d3 и 52d2, 52d3 установлены на аксиальной секции внутренней поверхности С-образного соединительного гнезда таким образом, чтобы магнитные полюсные наконечники соответственно были обращены к воздушным зазорам 21d2, 21d3 и 22d2, 22d3 аксиальной составляющей. Каждый из трех постоянных магнитов каждого магнитного полюса представляет собой тонкий постоянный дипольный магнит и проявляет одну магнитную полярность, противоположную полярности на тыльной поверхности постоянного магнита. Таким образом, три смежных полюсных наконечника постоянных магнитов магнитного элемента имеют идентичную полярность магнитного поля (в результате чего магнитные потоки, идущие через воздушные зазоры, поддерживают друг друга) противоположную полярности трех смежных постоянных магнитов другого магнитного полюса одного и того же магнитного элемента. Магнитные полярности N и S на фиг.10 предназначены для иллюстрации полярности магнитного поля постоянного магнитного полюса, а не для ограничения изобретения.
На Фиг.11 представлен другой вариант поперечного сечения на Фиг.9, иллюстрирующий шестой пример осуществления настоящего изобретения. U-образные постоянные магниты 51с и 52с на внутренней поверхности соединительного гнезда магнитного элемента на Фиг.9 заменены постоянными магнитами 51е и 52е. Как видно из настоящего чертежа, для обеспечения взаимодействия при такой модификации постоянные магниты 51е и 52е установлены на внутренней поверхности соединительного гнезда 55е магнитного элемента, а тыльная поверхность соединительного гнезда магнитного элемента соединена с фиксирующим диском 81е ротора, в то время как полюсная пара 61е, 62е электромагнитного элемента статора обращена к постоянным магнитами 51е, 52е магнитного элемента ротора через соответствующие воздушные зазоры 21е, 22е, расположенные между ними. Таким образом, два воздушных зазора радиальной составляющей образованы между статором и ротором для отделения статора от ротора, и аксиально совмещенные воздушные зазоры аксиальной составляющей образованы между полюсом статора и соответствующим ему полюсом ротора для разделения полюса статора и полюса ротора. На чертеже представлен пример соответствующим образом модифицированной обмотки 65е электромагнитного элемента в связи с проведенными изменениями полюсной пары.
В седьмом примере осуществления настоящего изобретения могут быть использованы фиксирующий диск ротора и роторное внешнее кольцо четвертого примера осуществления изобретения, и они могут быть изготовлены из неферромагнитного материала таким образом, чтобы два смежных магнита из постоянных магнитов, окружающих вращающийся вал вдоль по направлению окружности, были разделены зазором, исключающим ферромагнитный контакт. Таким образом, на магнитном полюсе ротора обеспечивается более равномерное распределение магнитного потока, в результате чего достигается концентрация магнитного потока, наиболее эффективное использование магнитного потока и снижение до минимума эффекта трансформаторных помех. Кроме того, может быть снижено до минимума отрицательное воздействие на электрическую машину в результате отдельного возбуждения обмотки одного электромагнитного элемента статора за счет более эффективного пространственного геометрического баланса магнитных элементов ротора и электромагнитных элементов статора, обеспечивая при этом более плавное регулирование производимой мощности электрической машины и достижение безопасных гибких эксплуатационных характеристик.
Несмотря на то, что указывается конкретное число магнитных элементов ротора и соответствующих электромагнитных элементов статора, число соответствующих электромагнитных элементов статора и магнитных элементов ротора может быть идентичным или нет в зависимости от назначения конструкции. Каждый зазор между смежными магнитами магнитных элементов ротора, расположенными вдоль по направлению окружности вокруг вращающегося вала, может отличаться друг от друга. Кроме того, каждый зазор, используемый для изолирования смежных электромагнитных элементов статора друг от друга в магнитном отношении, расположенных вдоль по направлению окружности вокруг вращающегося вала, может отличаться друг от друга. Пульсация крутящего момента во время работы бесщеточной электрической машины может быть снижена за счет соответствующего расположения зазоров. Во всех из вышеприведенных примеров осуществления изобретения соединительные гнезда магнитных элементов ротора могут быть выполнены из неферромагнитного материала. Несмотря на возникновение отрицательного воздействия на концентрацию магнитного потока, не происходит изменений в управлении работой бесщеточной электрической машины. Таким образом, может быть достигнута эффективная работа бесщеточной электрической машины.
Компоненты статора или ротора могут быть изготовлены в соответствии с конкретными спецификациями размеров для упрощения производства. Таким образом, бесщеточная электрическая машина в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает более высокий кпд, более высокую производимую мощность и упрощенное производство.
Несмотря на то, что изложенные выше примеры осуществления настоящего изобретения включают установку электромагнитных элементов с обмотками на статоре и установку магнитных элементов на роторе, указанные компоненты можно устанавливать, поменяв их местами таким образом, чтобы магнитные элементы располагались на статоре, в то время как обмотки с выступающими полюсами располагались на роторе. Более того, на практике несколько бесщеточных электрических машин настоящего изобретения могут быть установлены соосно для повышения мощности. Кроме того, в случае необходимости создания более плоской электрической машины с более высокой мощностью, а также более плавной работой, несколько бесщеточных электрических машин могут быть установлены каскадно в радиальном направлении, при этом каскадная бесщеточная электрическая машина снабжена соответствующими колесообразными кольцами ротора и их соответствующими колесообразными кольцами статора, расположенными вдоль по соответствующим окружностям таким образом, чтобы каскадная бесщеточная электрическая машина перемещалась на соответствующий угол в соответствующих направлениях по окружности. Таким образом, отпадает необходимость в дополнительных датчиках для возбуждения обмоток электромагнитных элементов статора в соответствующие периоды времени для достижения требуемого режима работы.
Вышеприведенные примеры осуществления изобретения предназначены исключительно для иллюстрации настоящего изобретения, тем не менее, настоящее изобретение не ограничено указанными примерами осуществления. Несмотря на то, что в приведенных иллюстрациях настоящего изобретения статор окружен ротором, конструкция может быть изменена на обратную, в которой ротор окружен статором. В настоящем описании изобретения приведены и описаны только предпочтительные примеры настоящего изобретения и несколько примеров с модификациями. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение можно использовать в других различных сочетаниях и условиях, и в него можно внести изменения или модификации, не выходящие за объем идеи изобретения, изложенной в настоящем описании.