ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОМЕНТНАЯ МАШИНА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Полезная модель относится к области электротехники и, в частности, к электрическим вентильным машинам, работающим в качестве моментных двигателей, используемых в электромеханических системах роботов, манипуляторов, станков, автономных электрических приводов и других устройств.
Задачей создания настоящей полезной модели является увеличение удельного момента электрических машин торцевого типа, определяемого отношением длительно допустимого момента к массе всей машины.
Известна бесщеточная электрическая машина постоянного тока дискового типа, содержащая статор с группами катушек, поочередно запитываемых током в одном и том же направлении, и дисковый ротор с расположенными на нем постоянными магнитами. В одном из вариантов машины статор выполнен с двумя активными поверхностями, напротив которых установлен свой роторный диск. Второй роторный диск представляет зеркальное отражение первого, при этом полярность постоянного магнита роторного диска, расположенного с одной стороны статора, противоположна полярности магнита диска, расположенного с другой стороны статора. [Патент СССР №1494877 A3, Н02К 29/00, заявл. 06.10.1982 (приоритет 09.02.1981, США), опубл. 15.07.1989].
Выполнение двигателя с двумя роторами или с двумя статорами повышает его удельные массогабаритные показатели. Двигатель по этому изобретению относится к машинам с коаксиально расположенными относительно друг друга статором и ротором, а изобретение направлено на повышение КПД и равномерности скорости вращения высокоскоростных вентильных машин постоянного тока.
Известен электродвигатель с внутренним или наружным ротором и постоянными магнитами возбуждения [заявка ФРГ №4423620 Al, H02К 1/02,
заявл. 06.07.1994, опубл 11.01.1996 // ИСМ, вып.107, №20, 1997 г., с.3]. В случае внутреннего ротора, вращающаяся вокруг него часть (статор) имеет обмоточную систему без магнитного сердечника, а ротор с постоянными магнитами возбуждения имеет цилиндрическое ярмо с равномерно распределенными по окружности радиальными шлицами, в которых закреплены постоянные магниты из анизотропного материала, намагниченные в окружном направлении с чередующейся полярностью. Ярмо изготовлено из изотропного материала, а его участки между анизотропными магнитами намагничиваются в радиальном направлении.
Приведенная конструкция машины с одним статором и ротором, имеющим дополнительные постоянные магниты, как и описанная выше конструкция с двумя роторными дисками, не относится к торцевому типу.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция моментного двигателя с постоянными магнитами, выполненного в торцевом варианте и снабженного кольцевой обмоткой [Столов Л.И., Зыков Б.Н., Моментные двигатели с постоянными магнитами, М.: Энергия, 1977, с.67, рис.38]. Двигатель содержит статор с витым кольцевым тороидальным магнитопроводом и кольцевой обмоткой, два диска ротора, охватывающих с двух торцевых сторон обмотку статора и выполненных в виде постоянных магнитов со встречной осевой намагниченностью.
При стремлении увеличить момент, приходящийся на единицу массы машины, необходимо увеличить активную длину, что приводит к снижению жесткости магнитопровода статора при увеличении среднего диаметра машины. Если же увеличить искусственно сечение магнитопровода больше расчетного (с целью увеличения его жесткости), при возрастании диаметра ухудшается использование полезного объема в машине за счет уменьшения коэффициента использования обмотки. Кроме того, это приводит к дополнительному нагреву машины из-за необходимости увеличения средней длины витка обмотки статора при увеличенном среднем диаметре машины.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в электрической моментной машине с постоянными магнитами, содержащей статор с тороидальным магнитопроводом и кольцевой обмоткой, два диска ротора, установленных на немагнитном валу и имеющих постоянные магниты со встречной осевой намагниченностью. В эту машину дополнительно введены радиально намагниченные постоянные магниты, закрепленные на внутренней цилиндрической поверхности магнитопровода ротора, который выполнен П-образным, в поперечном сечении дополнительные постоянные магниты обращены к торцевым и к радиальным сторонам торцевой обмотки статора и имеют одинаковую полярность. П-образный магнитопровод ротора выполнен разъемным, в разъем которого введено магнитопроводящее кольцо, а дополнительные постоянные магниты отделены друг от друга немагнитным материалом. Магнитопровод статора выполнен составным, в котором внешний тороидальный магнитопровод намотан из ленточной стали, внутренний магнитопровод набран из штампованных колец, а обе эти части объединены изоляционным материалом в единый неразъемный магнитопровод статора.
Несмотря на некоторое увеличение объема магнитов (не более 10% от объема машины) удается увеличить удельный момент примерно в 1,4 раза, что определяет эффективность использования данного технического решения. Кроме того, применение данного технического решения при тех же омических потерях в машине приводит к меньшему перегреву в обмотке статора за счет лучшего коэффициента теплоотдачи при большей поверхности охлаждения статора и ротора. Технический результат также состоит в увеличении жесткости ротора, что дает возможность снижения торцевых и радиальных рабочих зазоров и улучшает полезную проводимость воздушного зазора машины, позволяющую получить оптимальное значение магнитной индукции при меньшей толщине постоянных магнитов.
Предлагаемая полезная модель представлена на чертежах, где на фиг.1 изображен продольный разрез электрической моментной машины и на фиг.2 изображены ее поперечные сечения по А-А и Б-Б.
Электрическая машина содержит:
Немагнитный корпус 1;
Кольцевую обмотку 2 статора;
Внешний витой тороидальный магнитопровод 3 статора;
Внутренний кольцевой тороидальный магнитопровод 4 статора;
Немагнитный подшипниковый щит 5;
Немагнитный материал 6, отделяющий дополнительные постоянные магниты;
Торцевые постоянные магниты 7 (правосторонние);
Правый диск П-образного магнитопровода 8 ротора;
Дополнительные постоянные магниты 9 (радиальные);
Левый диск П-образного магнитопровода 10 ротора;
Магнитопроводящее кольцо 11;
Крышка 12 подшипника;
Подшипник 13;
Немагнитный вал 14;
Упорное кольцо 15;
Изоляционный материал 16;
Изоляция 17 сердечника статора.
На немагнитный вал 14 с левой стороны устанавливают немагнитный подшипниковый шит 5, подшипник 13 и крышку 12. Далее крепится на валу 14 с помощью шпонки левый диск П-образного магнитопровода 10 ротора с постоянными магнитами 9 и 7 и немагнитным материалом 6 (левая часть). На скрепленные изоляционным материалом 16 внешний витой тороидальный магнитопровод 3 и внутренний кольцевой тороидальный магнитопровод 4 наматывается кольцевая обмотка 2 статора. Собранный статор крепится неподвижно на внутренней поверхности немагнитного корпуса 1, после чего
он состыковывается с левым немагнитным подшипниковым щитом 5. После замеров специальными щупами левого торцевого и радиального рабочих зазоров и определения с помощью ряда замеров необходимой толщины магнитопроводящего кольца 11, закрепляется неподвижно на винт правый диск П-образного магнитопровода 8 с предварительно закрепленными на нем постоянными магнитами 7 и немагнитным материалом 6. Далее устанавливается на немагнитный вал 14 упорное кольцо 15, правый немагнитный подшипниковый щит 5 с подшипником 13 и крепится правая подшипниковая крышка 12 и щит 5 винтами.
Обмотка статора (фиг.1, 2) пронизывается осевыми и радиальными потоками, создаваемыми постоянными магнитами 7 и 9. Проходя через воздушный рабочий зазор и обмотку 2, поток попадает в магнитопровод якоря, причем осевые встречно направленные потоки от постоянных магнитов 7 проходят по внешнему витому тороидальному магнитопроводу 3, а радиальный поток, создаваемый постоянным магнитом 9, по нижней части внутреннего магнитопровода 4 статора, набранного из колец. Пройдя по сердечнику магнитопровода в тангенциальном направлении, поток переходит на магниты другой полярности, замыкаясь по П-образному магнитопроводу ротора, собранному из двух частей 8 и 10 для удобства монтажа и настройки торцевых рабочих воздушных зазоров. Рассмотренные пути основного потока условно представлены на фиг.1 и 2 стрелками.
На валу машины устанавливается не показанный на чертеже датчик положения ротора, который может быть выполнен в частном случае по литературе [Бут Д.А., Бесконтактные электрические машины, М.: Высшая школа, 1985, с.153, с.162, рис.5.18], переключающий ток в катушках обмотки якоря таким образом, что суммарное магнитное поле обмотки и поле ротора были взаимно перпендикулярны, что приводит к образованию максимально возможного электромагнитного момента. Зависимость параметров вентильной электрической машины от частоты вращения и режимов ее работы аналогична рассмотренным в работе Бута Д.А.
Составной магнитопровод статора получает дополнительную жесткость за счет внутреннего кольцевого магнитопровода 4, набранного из колец, что позволяет переходить на больший диаметр при относительно меньшей толщине корпуса и также приводит к увеличению удельного момента машины. Сравнительная простота сборки и настройки машины обеспечивается за счет регулируемого сопряжения деталей ротора 8, 10 и 11. Наличие магнитопроводящего кольца 11 с регулируемой толщиной позволяет устранить технологические ошибки, возникающие при сборке машины, и установить требуемые торцевые рабочие зазоры.