БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в автономном электроприводе в качестве электродвигателя или генератора постоянного или переменного тока.
Известна бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа (Патент РФ №2143777, НO2К 1/06, оп. 27.12.1999), содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами. Число зубцов статора Z кратно числу фаз m и число полюсов ротора 2р выбираются такими, чтобы разница между ними была ±1, где 1 - минимальное целое число, a m-фазная обмотка, каждая фаза которой состоит из 1-катушечных групп, намотана так, чтобы направление намотки на зубцах статора чередовались внутри каждой катушечной группы и чтобы на зубцах одной фазы, сдвинутых на 180°/1 направление было бы согласным при нечетном 1 и встречным при четном 1, а сдвиг между фазами αm определяется как
при m=2·l;
при m=(2·l+1), где l=1, 2, 3,…
Известна бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа (Патент РФ №2190292, НO2К 29/00, 1/16 оп. 27.09.2002), содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами.
Число зубцов статора Z, кратное числу фаз m и числу полюсов ротора 2р, выбирается как 2р=Z±1, при 1 - минимальное целое число. При этом его отношение между активной длиной L и его активным диаметром D и числом равномерно расположенных зубцов статора Z определяется как
при Z=2p±l;
Z - число зубцов статора;
l - минимальное целое число;
р - число пар полюсов.
a
a
Наиболее близким аналогом является бесконтактная электрическая машина (Патент РФ №31070, НO2К 29/00 НO2К 1/16 НO2К 19/10 от 10.07.2003), содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами, причем число зубцов статора Z кратно числу фаз m. При этом соотношение между активной длиной ротора L и его активным диаметром D определяется как
при ;
Z - число зубцов статора;
р - число пар полюсов ротора.
a
a
opt
a
Недостатком известных аналогов, в том числе и прототипа, является определение критерия оптимизации без учета максимально допустимого внешнего диаметра бесконтактной машины (например, в случае ее встраивания в другие узлы), а также без учета предельных тепловых ограничений и факторов стоимости изделия, что определяется в основном стоимостью активного объема машины. Кроме того, различные типы магнитных систем (с осевым или радиальным возбуждением) не всегда могут быть сведены к общему критерию максимальной жесткости механической характеристики при одном и том же соотношении (L/D), так как существуют различные условия для реализации электромеханических характеристик даже при наличии одинакового активного объема машины V.
a
a
m
В прототипе указанные соотношения связаны зависимостями, которые приводят к нерациональным соотношениям основных параметров L и D не приемлемых для данного конструктивного исполнения при ограничении максимально возможного диаметра D≤150 мм.
Задачей полезной модели является создание устройства, позволяющего создавать необходимый электромагнитный момент на валу машины при ограничении его внешнего диаметра (не более 150 мм) при ограничении его тепловых параметров и стоимости.
Технический результат состоит в повышении критерия оптимизации, что позволяет минимизировать тепловые потери за счет обеспечения получения максимально возможного момента при максимальном постоянном диаметре и допустимом нагреве обмоток.
a
m
Новая совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения указанного технического результата. Бесконтактная электрическая машина, содержит статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами, причем число зубцов статора Z кратно числу фаз m. Новым является выполнение ротора с осевым намагничиванием и определение соотношения между активной длиной статора L и максимально возможным диаметром D бесконтактной электрической машины как:
a
m
i
L/D=0.5-0.01·Z;
a
L - активная длина статора (мм);
m
m
D - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D=50 мм…150 мм);
i
i
Z - число зубцов статора (Z=2…36);
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на фиг.1 которого показаны основные конструктивные элементы статора бесконтактной электрической машины, на фиг.2 - основные конструктивные элементы ротора бесконтактной электрической машины, а на фиг.3 - поперечное сечение (А-А) бесконтактной электрической машины.
На фиг.1 показаны следующие обозначения:
1. Диск статора.
2. Зубцы статора.
3. Обмотка статора.
m
m
D - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D=50 мм…150 мм);
a
L - активная длина бесконтактной электрической машины (мм);
z
b - ширина зубца статора (мм);
a
l - активная длина зубца статора (мм);
k
b - ширина катушки статора (мм);
cp
l - средняя длина витка катушки статора (мм);
a
D - активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);
На фиг.2 показаны обозначения:
4. Магниты ротора.
5. Магнитопровод ротора.
a
L - активная длина ротора (мм);
p
b - ширина полюса ротора (мм);
а
l - активная длина полюса ротора (мм);
На фиг.3 показаны обозначения:
1. Диск статора.
2. Зубцы статора.
3. Обмотка статора.
4. Магниты ротора.
5. Магнитопровод ротора.
st s
h - высота стали статора (мм);
k
h - высота катушки статора (мм);
m
L - высота магнита ротора (мм);
st R
h - высота стали ротора (мм);
∑i
L - изменяемая активная толщина бесконтактной электрической машины при i=2…36 (мм).
Бесконтактная электрическая машина состоит из статора 1 с Z зубцами 2 статора 1, на которых размещена m фазная обмотка 3, примыкающая через рабочий зазор к торцевым поверхностям (2р) магнитов 4 ротора, намагничиваемых вдоль оси машины и расположенные симметрично на дисковом магнитопроводе 5 ротора.
oi
ai
Для выбора оптимальных геометрических соотношений при заданном максимально возможном диаметре Dm бесконтактной электрической машины и для сравнения различных модификаций предлагается использовать приведенный критерий оптимизации удельной жесткости механической характеристики K, приходящей на единицу активного объема машины V.
;
∑i
M - суммарный момент машины (Нм);
∑i
P - суммарные (омические) потери в машине (Вт);
3
- активный объем машины (мм);
m
m
D - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D=50 мм…150 мм);
∑i
L - изменяемая активная толщина бесконтактной электрической машины (мм);
∑i
st s
k
m
st R
L=h+h+L+h- изменяемая активная толщина бесконтактной электрической машины (мм);
st s
h - высота стали статора (мм);
k
h - высота катушки статора (мм);
m
L - высота магнита ротора (мм);
st R
h - высота стали ротора (мм).
Записывая: ;
Br - остаточная индукция магнита ротора (Тл);
ai
ai
ki
l=L-2b - изменяемая активная длина полюса катушки (мм);
ai
L - изменяемая активная длина машины (мм);
ki
b - изменяемое значение ширины катушки статора (мм);
ai
D - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);
i
i
Z - число зубцов статора (Z=2…36);
2
jk - плотность тока в катушке статора (А/мм);
k
i
2
(qw) - изменяемое значение суммарного сечения меди катушки статора (мм),
а  - изменяемые суммарные (омические) потери в машине (Вт);
2
jk - плотность тока в катушке статора (А/мм);
2
ρ - удельное сопротивление меди статора (Ом·мм/м);
cpi
l - изменяемая средняя длина витка катушки статора (мм);
k
i
2
(qw) - изменяемое значение суммарного сечения меди катушки статора (мм);
i
i
Z - число зубцов статора (Z=2…36);
и учитывается, что ;
А - линейная нагрузка (А/мм);
i
i
Z - число зубцов статора (Z=2…36);
ai
D - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм),
а ;
ki
b - изменяемое значение ширины катушки статора (мм);
3
К - коэффициент заполнения меди катушки статора;
А - линейная нагрузка (А/мм);
- изменяемое значение ширины катушки статора (мм);
zi
ki
b=2b - ширина зубца статора (мм);
pi
ki
b=3b - ширина полюса ротора (мм);
ai
D - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);
i
i
Z - число зубцов статора (Z=2…36),
ai
ai
i
oi
и задавая предельные значения А (линейной нагрузки), jk (плотности тока), можем, изменяя D (изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины) и L (изменяемая активная длина бесконтактной электрической машины) в зависимости от i, то есть от Z находим (после преобразования), что K (критерий оптимизации удельной жесткости механической характеристики) достигает максимума при  - оптимальное число зубцов машины, что приводит к соотношению
;
ai
L - изменяемая активная длина бесконтактной электрической машины;
ai
D - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины;
o
Z - оптимальное число зубцов бесконтактной электрической машины;
Zmax=36 - максимальное число зубцов статора;
m
i
тогда, при D=50 мм…150 мм и Z=2…36,
a
opt
m
(L)=0.26D;
a
opt
m
(D)=0.74D;
a
opt
(L) - оптимальная активная длина бесконтактной электрической машины (мм);
a
opt
(D) - оптимальный активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);
m
m
D - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D=50 мм…150 мм);
i
i
a
a
k
k
Данные соотношения позволяют определить самые важные параметры в двигателе. При условии задания Z - числа зубцов статора (в поворотных устройствах Z задают в зависимости от требуемого угла поворота исполнительного механизма, то есть когда двигатель работает при m=1 режиме моментного двигателя), что также резко уменьшается мощность потребления при заданных габаритах за счет рационального выбора L (активной длины статора), D (активного диаметра машины), h (высоты катушки статора) и b (ширины катушки статора).
i
Общая формула при различных Z (иногда задаваемых из эксплуатационных особенностей применения этих двигателей) будет такой:
ai
i
L=Dm·(0.5-0.01·Z);
ai
i
D=Dm·(0.5+0.01·Z);
i
m
при Z=2…36 и D=50 мм…150 мм
ai
L - изменяемая активная длина бесконтактной электрической машины (мм);
ai
D - изменяемый активный диаметр бесконтактной электрической машины (мм);
m
m
D - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D=50 мм…150 мм);
i
i
Z - число зубцов статора (Z=2…36), т.е.
a
m
i
L/D=0.5-0.01·Z;
ai
L - активная длина статора (мм);
Зная эти соотношения, можно быстро и рационально выбрать важные соотношения как в роторе, так и в статоре.
m
∑
∑
m
∑
2
Выполненная по данной конструктивной схеме бесконтактная электрическая машина весом около 3 кг при мощности Р=8×24=192 Вт развивает максимальный допустимый момент ≥8 Нм, что соответствует С=m/I>1,3 Нм, а в рабочем режиме развивает 3 Нм при мощности всего P=I·R, Р=21 Вт при максимально возможном внешнем диаметре D=100 мм и длине L=50 мм.
При этом динамические параметры машины позволяют реализовать входные сигналы в виде прямоугольных и треугольных импульсов тока с ошибкой не превышающей 10% и 2% соответственно.