Электрическая машина осевого потока

Предлагаемая полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, в частности применима в тяговых электрических двигателях, например, встроенных в колесо транспортного средства, в моментных двигателях, для приведения во вращательное движение различных исполнительных механизмов, в качестве альтернаторов в системах электроснабжения, в том числе в области распределенной и возобновляемой энергетики и других приложениях.
Известна полезная модель RU 152538 U1, в которой предложена конструкция электрической машины осевого потока с двухслойной распределенной обмоткой. Такая обмотка предполагает перекрытие плоскостей катушек, расположенных в разных слоях, поэтому для осуществления сборки катушек в полезной модели предложено, чтобы лобовые части каждой катушки были отогнуты на некоторый угол к плоскости витка. Из схемы, предлагаемой в полезной модели RU 152538 U1, статорной обмотки электрической машины осевого потока видно, что у основания катушек заполнение области обмотки проводом максимальное (секции соседних катушек плотно прилегают друг к другу), однако с увеличением радиуса появляется свободное от обмоточного провода пространство (пустоты), которое заполняется компаундом. Наличие данных пустот является недостатком предложенной схемы, и снижает эффективность электрической машины.
Известны патенты US 20130002066 A1, US 20160365755 A1, US 8823238, US 10141822, в которых также предлагается конструкция электрической машины осевого потока. Авторы патентов уделяют должное внимание вопросу повышения коэффициента заполнения статора таких машин. Предложенные в US 20130002066 A1, US 20160365755 A1, US 8823238, US 10141822 технические решения обеспечивают весьма высокий коэффициент заполнения статора обмоточным проводом, однако следует отметить два важных недостатка, которые упускают авторы соответствующих патентов:
1) высокий коэффициент заполнения фактически обеспечивается использованием большого количества катушек, что приводит к тому, что данные электрические машины являются принципиально многополюсными;
2) предлагаемая геометрия катушек двухслойной обмотки такова, что секции каждой катушки располагаются в разных плоскостях (одна секция в верхнем слое двухслойной обмотки, вторая секция, соответственно - в нижнем слое), это приводит к тому, что немагнитный зазор определяется размером удвоенной толщины одной секции катушки, что снижает магнитное поле в рабочем зазоре машины.
В настоящей заявке предлагается магнитная система синхронной электрической машины осевого потока, которая состоит из двухслойной статорной обмотки 1 и ротора, состоящего из двух соосных дисков 2, расположенных по обе стороны от статорной обмотки, и содержащих постоянные магниты 3. Данная магнитная система отличается тем, что катушки обмотки имеют четко выраженные лобовые части, отогнутые относительно плоскости витка на угол, максимально близкий к 90 градусам, при этом толщина секций катушек, формирующая немагнитный зазор, уменьшается при движении вдоль радиуса от оси магнитной системы к краю, сечение катушки плоскостью, поперечной средней линии катушки, на любом участке катушки сохраняется неизменным. Данная геометрия катушки позволяет добиться максимально возможного коэффициента заполнения обмотки статора обмоточным проводом и, как следствие, обеспечить геометрией обмотки неравномерный вдоль радиуса немагнитный зазор. Также на роторе располагаются полюсные и межполюсные постоянные магниты, толщина которых увеличивается с радиусом, обеспечивая тем самым неравномерный вдоль радиуса немагнитный зазор.
На Фиг. 2 показан внешний вид двухслойной статорной обмотки электрической машины осевого потока с максимально возможным коэффициентом заполнения статорной обмотки обмоточным проводом. Данная статорная обмотка относится к электрической машине с четырьмя парами полюсов, и состоит из двенадцати катушек, по шесть катушек в каждом слое. Обмотка является трехфазной, на каждую фазу приходится по четыре катушки. Полезная модель предполагает, что количество пар полюсов может быть: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и т.д. Соответственно катушек в обмотке может быть: 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, 36 и т.д.
На Фиг. 3 показан внешний вид катушки статорной обмотки. Толщина катушки уменьшается с радиусом. При этом геометрия катушки такова, что сечение плоскостью, перпендикулярной средней линии катушки, в любой точке остается неизменной.
На Фиг. 4 и 5 показаны сечения катушки различными плоскостями. Одинаковые по величине сечения обозначены символом S.
На Фиг. 6 показан эскиз катушки. Геометрия катушки такова, что выполняется следующее равенство:
На Фиг. 7 показан диск ротора электрической машины осевого потока с установленными на нем постоянными магнитами для случая, когда число пар полюсов равно четырем. Ротор состоит из двух одинаковых дисков, расположенных соосно по обе стороны относительно статора. Ротор содержит полюсные и межполюсные постоянные магниты. Так для восьми полюсного ротора число полюсных магнитов (намагниченных параллельно оси вращения ротора) равно восьми, число межполюсных магнитов также равно восьми. На Фиг. 7 показаны направления намагниченности магнитов на диске стрелками.
На Фиг. 8 показан эскиз магнитной системы электрической машины осевого потока. Видно, что постоянные магниты имеют переменную толщину. Таким образом, зазор между магнитами является не равномерным вдоль радиуса. Если нижнее основание сечения магнита обозначить , верхнее основание - , зазор между магнитами на расстоянии от оси ротора равном внутреннему радиусу магнитов через , тогда зазор на расстоянии от оси ротора, равном наружному радиусу магнитов будет равен .
К существенным признакам заявляемой полезной модели относится магнитная система электрической машины осевого потока, которая состоит из трехфазной статорной обмотки и ротора в виде соосных дисков с постоянными магнитами, геометрия которых такова, что немагнитный зазор уменьшается с радиусом, а коэффициент заполнения статорной обмотки обмоточным проводом максимален для провода круглого сечения.
Как показано на Фиг. 9, магнитное поле в рабочем зазоре электрической машины осевого потока в случае неравномерного зазора возрастает практически на всем протяжении рабочего зазора и становится более равномерным. Особенно сильно поле возрастает в области наружного радиуса постоянных магнитов.