СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ РЕДУКЦИЕЙ
SYNCHRONOUS MOTOR WITH MAGNETIC REDUCTION

Изобретение относится к электрическим машинам, а конкретно к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата "двигатель-редуктор" в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках для применения, например, в качестве мотор-колеса экологически чистых автомобилей.
Известен синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, имеющий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры статора и ротора медленного вращения на валу, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения, второй пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней поверхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быстрого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, расположенные между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмоткой, имеющим обращенную конструкцию (Афанасьев А.Ю., Давыдов Н.В. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией. Патент РФ №2375806, МПК H02K 19/06, H02K 19/10, H02K 16/00, H02K 21/12, опубл. 2009.12.10, Бюл. №34) - [1].
Недостатком является сложность конструкции и ограниченная скорость вращения из-за консольного расположения полых цилиндров, а также низкая надежность работы на подвижном основании.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами на валу с подшипниками и ротор медленного вращения на валу с подшипниками, ротор медленного вращения и статор имеют чередующиеся диски, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности зубцов и на другом кольце имеются клиновидные выступы, при этом клиновидные выступы зубцов и ферромагнитные элементы дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора zc и на диске ротора zp связаны равенством zp=zc±2р, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны. (Афанасьев А.Ю., Завгороднев М.Ю., Ефремов Д.О. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией. Патент РФ №2544835, МПК H02K 19/00, опубл. 2015.03.20, Бюл. №8) - [2].
Недостатком является наличие двух валов, что усложняет конструкцию, а также отсутствие оптимального соотношения между толщиной постоянных магнитов и толщиной и количеством рабочих зазоров, что снижает энергетические показатели.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в упрощении конструкции и улучшении энергетических показателей.
c
p
p
c
м
м
Технический результат достигается тем, что в синхронном электродвигателе с магнитной редукцией, содержащем корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора и ротора медленного вращения состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности другого кольца имеются клиновидные выступы, имеющие свои одинаковые угловые размеры и положения с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z и на диске ротора z связаны равенством z=z±2р, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, новым является то, что подшипник ротора быстрого вращения установлен на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов h на роторе быстрого вращения связана с толщиной и количеством рабочих зазоров соотношением h=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения.
Заявленное техническое решение поясняется на (Фиг. 1 - Фиг. 7), где:
- Фиг. 1 - продольное сечение синхронного электродвигателя с магнитной редукцией;
- Фиг. 2 - ротор быстрого вращения;
- Фиг. 3 - диск статора;
- Фиг. 4 - диск ротора медленного вращения;
- Фиг. 5 - вид зубцов с катушками;
- Фиг. 6 - пути прохождения магнитного потока в предлагаемом электродвигателе;
- Фиг. 7 - форма листов шихтованного сектора (статора).
На Фиг. 1 показано продольное сечение синхронного электродвигателя с магнитной редукцией, где;
1 - корпус;
2, 3 - подшипниковые щиты;
4, 5 - кольца пакета статора;
6 - зубец;
7 - катушка;
8 - постоянный магнит;
9 - втулка ротора быстрого вращения;
10 - диски статора;
11 - втулка статора;
12 - диски ротора медленного вращения;
13 - втулка ротора медленного вращения;
14 - вал;
15-17 - подшипники;
18 - выступ.
Заявленная конструкция собрана следующим образом. Корпус 1 жестко связан с подшипниковыми щитами 2, 3. На них установлены кольца 4, 5 пакета статора. На кольце 4 имеются шесть зубцов 6 с катушками 7.
Четыре постоянных магнита 8 установлены на втулке 9 ротора быстрого вращения. Диски 10 статора закреплены на втулке 11 статора, установленной на корпусе 1. Диски 12 ротора медленного вращения установлены на втулке 13 ротора медленного вращения, установленной на валу 14. Вал 14 опирается на подшипники 15, 16, установленные в подшипниковых щитах 2, 3. Ротор быстрого вращения установлен на подшипнике 17, установленном на валу 14. Подшипник 17 имеет большую ширину и является радиально-упорным для обеспечения требуемого положения ротора быстрого вращения.
Кольца 4, 5 пакета статора и зубцы 6 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. Зубцы 6 с коронками имеют вид секторов. Они установлены на кольце 4 пакета статора. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С.
На торцевой поверхности кольца 5 пакета статора имеются клиновидные выступы 18. Диски 10 статора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 3 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 3 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.
Ротор быстрого вращения имеет четыре постоянных магнита 8 из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, имеющие вид секторов (на фиг. 2 показаны закрашенными), и немагнитные сектора (на фиг. 2 не закрашены). Сектора намагничены по оси вращения и образуют на торцевых поверхностях чередующиеся полюсы.
Диски 12 ротора медленного вращения выполнены из магнитомягкого материала (на фиг. 4 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 4 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.
c
p
c
p
Количество ферромагнитных элементов дисков статора z и ферромагнитных элементов дисков ротора медленного вращения z, приходящихся на одно полюсное деление, отличаются на единицу. На фиг. 3, 4 показан случай, когда число пар полюсов p=2, z=20, z=24.
Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией работает следующим образом. При подаче на обмотку статора трехфазной системы напряжений возникает вращающееся магнитное поле с четырьмя полюсами. Оно увлекает за собой ротор быстрого вращения. Вместе с ним вращаются области большой магнитной индукции в дисках статора и ротора медленного вращения. В результате ротор медленного вращения поворачиваются так, что места совпадения положений ферромагнитных элементов дисков статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков ротора медленного вращения находятся в зонах максимума модуля магнитной индукции.
p
p
м
p
м
p
б
За половину периода напряжения питания T/2=π/ω ротор быстрого вращения повернется на угол π/2, а места максимума модуля магнитной индукции повторятся. При этом ротор медленного вращения должен повернуться на один сектор, т.е. на угол 2π/z. Следовательно, магнитный редуктор имеет передаточное отношение z/4. Поэтому скорость вращения ротора медленного вращения будет ω=2ω/z. Здесь ω - угловая частота напряжения питания. Момент на валу медленного вращения М=zM/2.
Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.
На торцевой поверхности магнитопровода 5 статора, обращенной к активной зоне, имеются клиновидные выступы 18 в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.
На фиг. 5 показаны зубцы с обмотками.
На фиг. 6 показаны пути прохождения магнитного потока в данной конструкции, где внешний магнитопровод отсутствует, а объем и масса малы.
Ферромагнитные элементы дисков статора и ротора медленного вращения выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется (Фиг. 7).
Передача момента от ротора быстрого вращения к ротору медленного вращения является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на валу медленного вращения он отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.
Электродвигатель не имеет механических контактов между подвижными активными частями, бесшумен в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между роторами осуществляется через магнитное поле.
Удельная энергия магнитного поля определяется выражением
При линейной кривой размагничивания максимальная энергия постоянного магнита достигается при условии равенства магнитных сопротивлений постоянного магнита и нагрузки, которой являются зазоры между дисками статора и ротора медленного вращения. Это равенство выполняется, если толщина магнита равна сумме длин зазоров между дисками, т.е. при выполнении равенства
м
h=2mδ,
где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения. За счет этого заявленный электродвигатель имеет повышенные энергетические показатели.
Благодаря установке подшипника 17 ротора быстрого вращения на вал 14 увеличивается база для вала и упрощается конструкция, т.к. вал быстрого вращения отсутствует. Ротор быстрого вращения усиливает поле, созданное обмоткой двигателя, и передает момент транзитом от статора к магнитному редуктору.