УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ОСЕВЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ
DEVICE OF ELECTRIC MACHINE WITH AXIAL MAGNETIC FLOW

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрической машине с осевым магнитным потоком, и более конкретно, к электрической машине с осевым магнитным потоком, содержащей устройство муфты сцепления.
Предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение относится к электрическим машинам с постоянными магнитами, создающим осевой магнитный поток. В широком смысле такие машины имеет дисковидные или кольцевые структуры статора и ротора, расположенные вокруг оси. Типично статор содержит набор катушек, каждая из которых параллельна оси, а ротор несет набор постоянных магнитов и установлен в подшипниках так, чтобы иметь возможность вращаться вокруг оси, приводимый во вращение полями, создаваемыми катушками статора. На фиг. 1а показана общая конфигурация электрической машины с осевым магнитным потоком по настоящему изобретению с парой роторов R1, R2 по обе стороны от статора S, хотя в упрощенной структуре настоящего изобретения один из роторов может быть опущен. Как показано на чертеже, между ротором и статором имеется воздушный зазор G, и в электрических машинах с осевым магнитным потоком направление магнитного потока через воздушный зазор по существу является осевым.
Существуют разные конфигурации электрических машин с постоянными магнитами и с осевым магнитным потоком, в зависимости от расположения северных и южных полюсов на роторе. На фиг. 1b показаны базовые конфигурации машины Тор NS, Тор NN (которая имеет более толстое ярмо, поскольку расположение полюсов NN требуем, чтобы магнитный поток проходит сквозь толщину ярма), и топологию YASA (Yokeless and Segmented Armature, сегментированный якорь без ярма). На иллюстрации топологии YASA показано сечение двух катушек, а заштрихованные области показывают обмотки катушек. Понятно, что устранение ярма дает существенное снижение веса и экономию железа, но недостатком является потеря жесткости конструкции, в которой установлены подшипники для поддержки ротора. Поэтому, предпочтительно для электродвигателя с топологией YASA, с двойным ротором, одним статором и осевым магнитным потоком предпочтительно устанавливать подшипник в пределах статора, и балансировать в осевом направлении магнитные силы от роторов по обе стороны от статора. Роторы конструируют так, чтобы они оказывали сопротивление изгибу в сторону статора.
Для таких электродвигателей с осевым магнитным потоком воздушный зазор между ротором и статором невелик, типично порядка 1 мм. Меньшие зазоры дают более высокий крутящий момент двигателя и более высокую выходную мощность, что считается полезным. Однако по мере уменьшения этого воздушного зазора между статором и ротором, совокупные производственные допуски на компоненты статора и ротора могут привести к изменяющемуся от двигателя к двигателю зазору и, следовательно, к непостоянству выходных характеристик. В пределе существует возможность задевания ротора за статор и, поэтому, ротор теряет возможность вращаться и двигатель теряет работоспособность или происходит катастрофический отказ двигателя, если такое задевание происходит во время работы.
Для устранения проблемы суммирования допусков в двигателе с двумя роторами, одним статором и осевым магнитным потоком, в международной публикации WO2010/092402 предлагается двухступенчатый ротор, расположенный на одной или на обоих концах стержней статора, с двумя воздушными зазорами между концами стержней и ступенями ротора, и кольцевой корпус, удерживающий и крепящий статор, и между ротором и статором установлен подшипник. Таким образом, другие средства поддержки ротора в статоре или на статоре отсутствуют и воздушные зазоры задаются шириной статора, длиной подшипника и поверхностями роторов, поддерживающими подшипник. Такая конструкция дает прекрасную повторяемость воздушного зазора при производстве двигателей, но в решении по международной публикации WO2010/092402 отсутствует гибкость, особенно при сопряжении с муфтой сцепления, которая иногда нужна для таких двигателей, когда они применяются в гибридных машинах. При гибридизации существующих машин, особую коммерческую ценность представляет признак, согласно которому компоненты силовой передачи можно перемещать для размещения электрической машины в узле силовой передачи и для этого применяется интегрированная в электродвигатель муфта сцепления.
Интегрированные муфта сцепления и электродвигатель описаны Gustafson в заявке на патент США 2004/0107703. В этом документе описан электродвигатель стартера с радиальным магнитным потоком для газовой турбины. Этот электродвигатель интегрирован с высокоскоростной муфтой свободного хода, которая расположена в полости, сформированной в части кольцевой части корпуса электродвигателя. Однако ротор, предложенный Gustafson, посажен на корзину муфты сцепления, которая дополнительно выдвигает узел муфты сцепления электродвигателя. Подшипник, описываемый Gustafson, отделен от муфты сцепления и жестко установлен в пределах ротора. Подшипник мешает установке муфты сцепления и, поэтому, комбинация электродвигателя-муфта сцепления имеет длину большую, чем необходимо.
Таким же образом, Thоmas в патенте США 6,585,066 интегрировал мокрую многодисковую муфту сцепления с электродвигателем с радиальным магнитным потоком, но такой подход имеет существенные недостатки, включая большой диаметр двигателя, риск короткого замыкания в концевой обмотке статора из-за продуктов износа муфты сцепления, трудности установки ротора в статор и увеличенная осевая длина, вызванная концевыми обмотками статора.
Как указано выше, в прототипах применяются электрические машины с радиальным, а не осевым магнитным потоком которые имеют ограничения при интегрировании узла муфты сцепления.
Электродвигатель с радиальным магнитным потоком имеет больший диаметр, чем электрическая машина с осевым магнитным потоком, если в обе машинах встроена концентричная муфта сцепления, поскольку машина с радиальным магнитным потоком имеет концентричные статор и ротор, и полость для размещения ротора должна быть достаточно велика, чтобы разместить в ней муфту сцепления. Это увеличивает диаметр статора по меньшей мере на толщину ступени ротора. Для сравнения, машина с осевым магнитным потоком имеет роторы, посаженные параллельно статору, а эквивалентная машина с осевым магнитным потоком имеет диаметр меньший, чем у ее аналога с радиальным магнитным потоком, по меньшей мере на толщину кольцевого пространства для ротора.
Машина с радиальным магнитным потоком имеет обнаженные концевые обмотки статора, которые выступают за ширину ступени ротора. Концевые обмотки статора, таким образом, увеличивают осевую длину электродвигателя, не давая выигрыша ни в мощности, ни в моменте. Эквивалентная машина с осевым магнитным потоком по настоящему изобретению имеет стержни статора, на которых намотаны катушки, поэтому концевых обмоток нет, и осевая длина статора увеличивается только за счет осевой длины ротора, что сравнимо с вылетом концевых обмоток статора. Это является существенной причиной повышения мощности и интенсивности крутящего момента в машинах с осевым магнитным потоком.
Концевые обмотки также склонны накапливать продукты износа, что может приводить к коротким замыканиям, и в этом случае продукты износа образуются при нормальной эксплуатации муфты сцепления. Не все машины с осевым магнитным потоком имеют защищенные катушки статора, но статор по настоящему изобретению имеет закрытые катушки, защищенные от продуктов износа муфты сцепления и, поэтому, не склонны к возникновению коротких замыканий.
Во время сборки интегрированной электрической машины с радиальным магнитным потоком, описанной в патенте США 6,585,066, критически важно поддерживать разделение между ротором и концентрическим статором, когда возникают значительные силы притяжения. Сложность сборки машины с радиальным магнитным потоком усугубляется при интеграции вокруг муфты сцепления и при наличии подшипников, являющихся наружными относительно узла статора, ротора и муфты сцепления. Сборку этих компонентов нужно производить на верстаке с жесткой оснасткой, чтобы выровнять ротор со статором и, затем, прикрепить узел муфты сцепления.
Таким образом, имеется потребность в усовершенствованной электрической машине с осевым магнитным потоком, содержащей интегрированный механизм муфты сцепления.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается электрическая машина с осевым магнитным потоком, содержащая: статор, содержащий корпус статора, охватывающий множество стержней статора, расположенных по окружности с интервалами вокруг оси машины, при этом на каждом стержне статора имеется набор катушек, намотанных вокруг него для генерирования магнитного поля, и корпус статора имеет кольцевую форму, образующую полую область вокруг оси машины; ротор содержащий набор постоянных магнитов и установлен с возможностью вращения вокруг оси машины, при этом ротор отнесен от статора вдоль оси машины с образованием зазора между статором и ротором и в котором магнитный поток по существу проходит в осевом направлении, и ротор образован кольцом и имеет полую центральную область вокруг оси машины; механизм муфты сцепления, расположенный соосно с осью машины и расположенный внутри полых областей ротора и статора, при этом механизм муфты сцепления содержит: корзину, содержащую первый набор из одного или более дисков и имеющую первую поверхность зацепления для передачи крутящего момента в машину или из машины; и держатель диска муфты сцепления, содержащий второй набор из одного или более дисков муфты сцепления и имеющий вторую поверхность зацепления для передачи крутящего момента в машину или из машины, при этом каждый набор из одного или более дисков расположен с возможностью выборочного приведения в зацепления или вывода из зацепления друг с другом, в которой ротор установлен на корзине муфты сцепления.
Такая конструкция позволяет создать очень компактную машины. Возможность встраивания механизма муфты сцепления в отверстие, образованное полыми областями в центре статора и ротора, позволяет разместить в габаритах машины подходящий механизм муфты сцепления. В машины с осевым магнитным потоком, имеющие диаметр 325-335 мм и длину не более 100 мм, встраивались узлы муфт сцепления диаметром 150 мм и способные передавать крутящий момент до 500 Нм. Это позволяет создавать машины, которые легко можно интегрировать в гибридную силовую передачу или даже в силовую передачу с единственным узлом с интегрированной муфтой сцепления.
Машина также может содержать корпус, охватывающий ротор и этот корпус машины крепится к корпусу статора. Машина также может содержать радиальный подшипник, расположенный между корпусом машины и первой поверхностью зацепления, и подшипник держателя диска муфты сцепления, расположенный между корпусом машины и второй поверхностью зацепления, при этом ротор может быть установлен на одной оси с первой поверхностью зацепления. Такие компоновки позволяют создать очень жесткую структуру машины.
Муфта сцепления может содержать поршень муфты для введения набора дисков в зацепление и вывода их из зацепления друг с другом. Кроме того, машина также может содержать пружину поршня для поджимания поршня муфты сцепления. Муфта сцепления может быть мокрой или сухой.
Машина также может содержать второй ротор, расположенный на противоположной стороне статора относительно первого ротора, при этом второй ротор содержит набор постоянных магнитов на первой стороне второго ротора, обращенной к статору, при этом второй ротор установлен с возможностью вращения вокруг оси машины и относительно статора, при этом второй ротор отнесен от статора по оси машины с образованием осевого зазора между статором и вторым ротором, в котором магнитный поток в машина проходит по существу в осевом направлении. Описанный вариант с двумя роторами является предпочтительным, поскольку такое решение увеличивает совокупный выходной момент машины, поскольку в качестве движущей силы используется магнитное поле на обоих концах стержней статора.
При наличии двух роторов корзина муфты сцепления проходит в осевом направлении в полых областях и второй ротор крепится на корзине муфты сцепления так, чтобы первый и второй роторы вращались совместно. Может также применяться второй корпус машины для охвата второго ротора, и этот второй корпус машины крепится на корпус статора. И вновь, такое решение позволяет создать жесткую структуру.
Первая поверхность зацепления является входом в машину, а вторая поверхность зацепления является выходом машины. Альтернативно, первая поверхность зацепления является выходом машины, а вторая поверхность зацепления является входом в машину. В обоих случаях первая и/или вторая поверхность зацепления может иметь шлицы для зацепления с соответствующими валами.
Корпус статора может определять камеру, в которой находится охлаждающая среда, контактирующая с катушками, для охлаждения катушек, и корпус статора содержит отверстие для подачи и отверстие для слива охлаждающей среды. Это позволяет отводит от машины теплоту.
Машина является источником момента, двигателем или генератором.
Согласно настоящему изобретению также предлагается способ сборки электрической машины с осевым магнитным потоком, содержащей механизм муфты сцепления, при этом способ включает этапы, на которых: подают механизм муфты сцепления, содержащий корзину муфты сцепления, содержащую первый набор из одного или более дисков муфты сцепления и имеющую первую поверхность зацепления для передачи крутящего момента в машину или из машины, и держатель диска муфты сцепления, содержащий вторую поверхность зацепления для передачи момента в машину или из машины, при этом корзина муфты сцепления и держатель диска муфты сцепления установлены с возможностью вращения вокруг оси машины; крепят первый ротор на внешнюю поверхность корзины муфты сцепления, при этом первый ротор содержит кольцевое пространство, имеющее полую центральную область, и имеет набор постоянных магнитов, расположенных по окружности с интервалами вокруг оси машины и обращенных внутрь машины; накладывают дистанцирующий элемент на поверхность первого ротора, содержащую постоянные магниты; устанавливают статор соосно с муфтой сцепления и рядом с первым ротором, при этом статор содержит корпус статора, охватывающий множество стержней статора, расположенных с интервалами по окружности вокруг оси машины, при этом каждый стержень статора имеет набор катушек, намотанных вокруг него для генерирования магнитного поля, и корпус статора имеет кольцевую форму, образующую полую область вокруг оси машины, при этом в полую область статора вставлена корзина муфты сцепления; и вытягивают статор от первого ротора для создания воздушного зазора между статором и первым ротором.
В этом способе этап, на котором статор вытягивают от первого ротора включает этап, на котором устанавливают радиальный подшипник муфты сцепления на внешнюю поверхность первой поверхности зацепления корзины муфты сцепления; устанавливают корпус машины сбоку от статора напротив стороны, примыкающей к первому ротору, при этом корпус машины проходит между корпусом статора и радиальным подшипником муфты сцепления; устанавливают осевую регулировочную шайбу на осевой траектории между кожухом машины и корзиной муфты сцепления; и крепят корпус машины к корпусу статора, при этом осевая регулировочная шайба имеет толщину, которая определяет осевое положение корпуса машины относительно корзины муфты сцепления так, чтобы когда кожух машины прикрепляют к корпусу статора, статор сдвигался в осевом направлении от первого ротора. Осевая регулировочная шайба может быть установлена между корпусом машины и внешним кольцом радиального подшипника муфты или между корзиной муфты сцепления и внутренним кольцом радиального подшипника муфты сцепления.
Этап установки осевой регулировочной шайбы может включать этапы, на которых: измеряют по меньшей мере одну осевую длину участка внутри машины; и выбирают толщину осевой регулировочной шайбы в зависимости от по меньшей мере одной измеренной осевой длины так, чтобы этап крепления кожуха машины к корпусу статора приводил к достаточному осевому движению статора для отведения статора в осевом направлении от первого ротора. Эта по меньшей мере одна измеренная осевая длина участка внутри машины является одним или более из следующих размеров: осевое расстояние между радиальным подшипником муфты сцепления и первым ротором; и осевая длина корпуса машины.
Корзина муфты сцепления может содержать первую поверхность зацепления с ротором для крепления к ней первого ротора, при этом первая поверхность зацепления с ротором расположена в осевом направлении на корзине муфты сцепления с образованием осевого положения первого ротора, и с образованием осевого воздушного зазора между первым ротором и статором.
Этап вытягивания статора от первого ротора предпочтительно высвобождает дистанцирующий элемент из пространства между первым ротором и статором.
Способ дополнительно может включать этапы, на которых: крепят второй ротор к внешней поверхности корзины муфты сцепления, при этом второй ротор содержит кольцевое пространство, имеющее полую центральную область и имеет набор постоянных магнитов, расположенных по окружности с интервалами вокруг оси машины и обращенных внутрь машины, при этом второй ротор крепят в положении на корзине муфты сцепления, которое примыкает ко второй стороне статора, при этом этап крепления второго ротора выполняют перед этапом вытягивания статора от первого ротора, и при этом этап вытягивания статора от первого ротора содержит этап, на котором центрируют статор между первым и вторым роторами.
Когда машина содержит второй ротор, корпус машины закрывает второй ротор, что защищает этот ротор от внешней среды.
Когда имеется два ротора, по меньшей мере одна осевая длина участка внутри машины может быть одним или более из следующих размеров: осевое расстояние между радиальным подшипником муфты сцепления и вторым ротором; и осевая длина корпуса машины.
При наличии двух роторов корзина муфты сцепления содержит вторую поверхность зацепления с ротором для крепления к ней второго ротора, при этом вторая поверхность зацепления с ротором отделена в осевом направлении от первой поверхности зацепления с ротором на корзине муфты сцепления с образованием осевого расстояния между первым и вторым роторами, и для образования осевых воздушных зазоров между первым ротором и статором и между вторым ротором и статором.
Ротор моет крепиться к корзине муфты сцепления плотной посадкой, болтами или винтовыми крепежными элементами или горячей посадкой.
Дистанцирующий элемент может иметь осевую толщину меньшую, чем требуемый воздушный зазор между ротором и статором в собранной машине.
Любой из вышеописанных способов далее может содержать этап, на котором: устанавливают подшипник диска муфты сцепления на внешней поверхности второй поверхности зацепления держателя диска муфты сцепления; устанавливают корпус машины, чтобы закрыть первый ротор, при этом корпус машины проходит между корпусом статора и подшипников диска муфты сцепления; и крепят корпус машины к корпусу статора. Это позволяет создать жесткую структуру и закрыть первый ротор от внешней среды.
Краткое описание чертежей
Далее следует описание примера настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг. 1а-1с - соответственно, общая конфигурация электрической машины с осевым магнитным потоком и двумя роторами, иллюстративная топология машин с осевым магнитным потоком и постоянными магнитами, и схематический вид сбоку машины без ярма и с сегментированным якорем (YASA);
Фиг. 2 - вид в перспективе машины YASA по фиг. 1с;
Фиг. 3 - разнесенный вид статора и корпуса статора машины YASA;
Фиг. 4 - машина с осевым магнитным потоком по настоящему изобретению.
Фиг. 5 - упрощенный вид механизма муфты сцепления, применяемой в машине с осевым магнитным потоком по фиг. 4.
Фиг. 6 - разнесенный вид нижней половины машины с осевым магнитным потоком по фиг. 4.
Фиг. 7 - частично разнесенный вид нижней половины машины с осевым магнитным потоком по фиг. 4.
Фиг. 8 - частично разнесенный вид нижней половины машины с осевым магнитным потоком по фиг. 4.
Фиг. 9 - нижняя половина машины с осевым магнитным потоком в собранном состоянии, и
Фиг. 10 - альтернативные положения регулировочной шайбы.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Обращаясь сначала к фиг. 1с, 2 и 3, взятым из заявки РСТ того же заявителя WO2012/022974, на фиг. 1с приведена схематическая иллюстрация машины 10 без ярма и с сегментированным якорем.
Машина 10 содержит статор 12 и два ротора 14а, 14b. Статор 12 является набором отдельных стержней 16 статора, распределенных по окружности вокруг оси 20 вращения роторов 14а, 14b. Каждый стержень 16 имеет собственную ось (не показана), которая предпочтительно, но не обязательно, расположена параллельно оси 20 вращения. На каждом конце каждого стержня статора имеется башмак 18а 18b, который физически ограничивает набор 22 катушек, которые предпочтительно содержат изолированные провода квадратного/прямоугольного сечения так, чтобы получить высокий коэффициент заполнения. Катушки 22 соединены с электрической цепью (не показана), которая в случае электродвигателя подает питание на катушки так, чтобы полюса полученных магнитных полей, генерируемых током, текущим в катушках, в соседних катушках 22 статора были противоположными.
Два ротора 14а, 14b несут постоянные магниты 24а, 24b, которые обращены друг к другу и между которыми находится катушка 22 статора (когда стержни статора наклонены - в отличие от показанных - также наклонены и магниты). Между соответствующим башмаком и парами магнитов 18а, 24а и 18b/24b имеются два воздушных зазора 26а, 26b. Вокруг оси вращения 20 расположено четное количество катушек и магнитов и, предпочтительно, количество катушек отличается от количества магнитов, поэтому катушки не все одновременно и в одном угловом положении ротора относительно статора совмещаются с соответствующей парой магнитов. Это служит для снижения пульсаций крутящего момента.
В электродвигателе на катушки 22 подается питание так, чтобы их полярность чередовалась, заставляя катушки в разные моменты времени совмещаться с разными парами магнитов, что приводит к приложению крутящего момента между ротором и статором. Роторы 14а, 14b обычно соединены друг с другом (например, не показанным валом) и вращаются совместно вокруг оси 20 относительно статора 12. Магнитная цепь создается двумя соседними стержнями 16 статора и двумя парами магнитов 24а, 24b и железом 32а, 32b основания для каждого ротора и соединяет магнитный поток между задней стороной каждого магнита 24а, 24b, обращенной от соответствующих катушек 22. Катушки 16 статора заключены внутри корпуса, который проходит сквозь воздушный зазор 26а, 26b и который образует камеру, в которую подается охлаждающая среда.
На фиг. 3 показан статор 12, в котором катушки статора расположены между двумя створками 42а, 42b из пластикового материала. Эти створки имеют внешние цилиндрические стенки 44, внутренние цилиндрические стенки 46 и кольцевые стенки 48, расположенные радиально. В примере прототипа, показанном на фиг. 3, радиальные стенки 48 содержат внутренние карманы 50 для приема башмаков 18а, 18b стержней 16 статора и служат для позиционирования узлов 16, 22, 18а, 18b катушек статора, когда две створки 42а, 42b корпуса статора собраны друг с другом. Корпус 42а, 42b статора определяет пространства 52 внутри относительно катушек 22 и снаружи в положении 54 вокруг внешней поверхности катушек 22, и между катушками имеются пространства 56. Пространства 52, 54, 56 соединены друг с другом, определяя охлаждающую камеру. Хотя на фиг. 3 это не показано, когда корпус 2а, 42b статора собран, в нем имеются отверстия, которые позволяют закачивать охлаждающую среду, например, масло, в пространства 52, 54, 56 для циркуляции вокруг катушек и их охлаждения.
Сердечники катушек могут быть многослойными с изоляцией между слоями, параллельными требуемому направлению магнитного потока. Однако сердечники катушек также могут быть сформированы из частиц мягкого железа, покрытых электрической изоляцией и сформованных в желаемую форму (SMC, soft magnetic composites, мягкие магнитные композиты) и связанных друг с другом изолирующей матрицей. Примеры SMC могут содержать частицы железа, связанные стеклом, тонкий (типично менее 10 мкм) слой стекла, связывающий и взаимно электрически изолирующий частицы железа, оставляя некоторую остаточную пористость. Высокотемпературный процесс уплотнения высоким давлением применяется для формования компонентов и придания им сложной формы, способной создавать трехмерные магнитные потоки с прекрасным форм-фактором и позволяющие применять намотку с высоким коэффициентом заполнения при намотке непосредственно на зуб из SMC. Для удобства башмаки и стержень статора можно формовать отдельно и, затем, собирать. Башмак может иметь центральную область с осевым направлением минимального магнитного сопротивления, и внешнюю область с радиальным направлением минимального магнитного сопротивления (см. WO2012/022974).
На фиг. 4-10 показана машина 100 с осевым магнитным потоком по настоящему изобретению. Хотя на этих чертежах показана машина с осевым магнитным потоком, имеющая два ротора, расположенные по обе стороны от статора, следует понимать, что настоящее изобретение можно применять и к машине с осевым магнитным потоком, имеющей только один ротор, расположенный с одной стороны от статора и в этом случае один из роторов, показанных на чертежах отсутствует, а обратный путь магнитного потока создает ярмо.
Машина 100 с осевым магнитным потоком содержит статор 102 и ротор 104, который имеет две ступени 104а и 104b, расположенные по обе стороны от статора 102 и отнесенные в осевом направлении от статора для создания воздушных зазоров.
Между статором и ротором расположен узел 106 муфты сцепления (далее - "муфта"). Узел 106 муфты содержит корзину муфты, имеющую один или более диск 128 муфты, расположенный на внутренней поверхности, и узел 106 муфты также содержит держатель 112 дисков муфты, на котором также имеется один или более диск 132, расположенный на внешней поверхности. Держатель 132 диска муфты вставлен в корзину 108 муфты и вращается соосно с ней так, чтобы соответствующие диски муфты были посажены во встречно-гребенчатом порядке и могли входит в зацепление и выходить из зацепления друг с другом. Когда диски муфты находятся в зацеплении друг с другом, корзина муфты и держатель диска муфты вращаются в унисон. Когда диски расцеплены, корзина муфты и держатель диска муфты могут вращаться независимо друг от друга.
На фиг. 5 показан упрощенный механизм привода муфты 106, который содержит поршень 136 муфты, который приводится в действие (например, гидравлически или тросом) для привода дисков 128, 132 муфты в зацепление друг с другом. Пружина 138 поршня муфты расположена для возврата поршня 136 в его положение покоя и, поэтому, выводит диски 128, 132 муфты из зацепления. Разумеется, специалистам понятно, что поршень 136 и пружина 138 могут быть расположены так, чтобы поршень поджимался пружиной 138 в положение введения дисков 128, 132 в зацепление друг с другом, и поршень 136 отводится (например, гидравлически или тросом) от дисков 128, 136 так, чтобы эти диски вышли из зацепления. Выбираемая ориентация зависит от варианта применения такой электрической машины.
Далее следует описание осевой машины, имеющей мокрую многодисковую муфту сцепления. Однако следует понимать, что настоящее изобретение также применимо к сухой многодисковой муфте сцепления, а также к мокрой или сухой однодисковой муфте сцепления.
Корзина 106 муфты имеет поверхность 110 зацепления, и держатель 112 дисков муфты имеет поверхность 130 зацепления. Каждая из этих поверхностей зацепления 110, 130 позволяет подсоединяться к машине через валы или другие средства для подачи крутящего момента на машину или для отбора крутящего момента от машины. Поверхности 110, 130 зацепления показаны шлицевыми, хотя специалистам очевидны и другие механизмы соединения между валом и соответствующей поверхностью 110, 130 зацепления. Поверхность 110 зацепления корзины 106 муфты может быть входом или выходом машины. Поверхность 130 держателя дисков 112 муфты может быть входом или выходом машины.
Первый ротор 104а и второй ротор 104b установлены на корзине 108 муфты так, чтобы первый и второй роторы вращались в унисон и относительно статора. Роторы 104а, 104 имеют радиальные стенки, на которых закреплен набор постоянных магнитов 118а, 118b. Любой или оба из роторов 104а, 104b обеспечивают ввод/вывод привода в случае генератора/электродвигателя, соответственно, но для упрощения на чертежах это не показано.
Статор 102 имеет корпус 120, содержащий первую и вторую радиальные стенки и по существу цилиндрические внутреннюю и внешнюю стенки, определяющие камеру, в которой моет циркулировать охлаждающая среда. Корпус охватывает набор катушек статора; для упрощения катушки и их электрические соединения не показаны. Катушки намотаны вокруг полюсных наконечников (также не показаны для упрощения).
Машина имеет первый и второй корпуса 114а, 114b машины, расположенные с обеих сторон от корпуса статора и прикрепленные к нему.
Радиальный подшипник 116 муфты посажен на внешнюю поверхность корзины муфты так, что внешнее кольцо радиального подшипника 116 муфты поддерживает внутренний радиальный конец корпуса 114b машины. Подшипник 118 держателя дисков муфты посажен на внешнюю поверхность держателя 112 дисков муфты так, чтобы внешнее кольцо подшипника 118 держателя дисков муфты поддерживало внутренний радиальный конец корпуса 114а машины. Корзина 108 муфты (в унисон с роторами 114а, 114b) и держатель 112 дисков муфты могут вращаться относительно корпусов 114а 114b машины и статора 102.
Предусматриваются следующие режимы работы:
а) Электродвигатель с осевым магнитным потоком с интегрированной муфтой сцепления по настоящему изобретению в нормально расцепленном состоянии может стыковаться с двигателем внутреннего сгорания в силовой передаче так чтобы двигатель внутреннего сгорания мог приводить держатель 112 дисков муфты и диски 132 через интерфейс 130, а также соосный вал (не показан), проходящий через интерфейс 110 ввода/вывода, так, чтобы вал находился в зацеплении, например, с отдельной муфтой сцепления и коробкой передач чтобы двигатель внутреннего сгорания мог стыковаться непосредственно с коробкой передач, когда муфта сцепления не включена, а при включении муфты сцепления по настоящему изобретению электродвигатель мог запускать двигатель внутреннего сгорания, добавлять крутящий момент к моменту уже работающего двигателя внутреннего сгорания, или генерировать электроэнергию с приводом от двигателя внутреннего сгорания.
b) Альтернативно, муфта сцепления электродвигателя по настоящему изобретению может применяться как автономное силовое устройство для привода оборудования когда диски поджаты в нормально сомкнутое положение так, чтобы их расцепление прекращало приложение крутящего момента электродвигателя или, как в некоторых станках, муфта поджимается в нормально разомкнутое состояние, чтобы привод мог прилагаться оператором по желанию, прерывисто.
с) Альтернативно, двигатель внутреннего сгорания может стыковаться с нормально разомкнутой муфтой-электродвигателем по настоящему изобретению через держатель 112 дисков и диски 132 через интерфейс 130 и может применяться для генерирования электроэнергии по требованию, путем включения муфты сцепления.
d) Альтеративно, две или более муфты сцепления электродвигателя по настоящему изобретению можно состыковать друг с другом так, чтобы снимать с этой комбинации из одной или более систем больше или меньше мощности и крутящего момента в режиме электродвигателя, и наоборот, электроэнергии в режиме генератора.
Специалисту в этой области понятно, что возможны множество комбинаций и машин, к которым можно применить компактный электродвигатель-муфту сцепления по настоящему изобретению.
Корпуса 114а, 114b машины вместе с корпусом статора, и подшипники 116Ю 118 на корзине 108 муфты и на держателе 112 дисков муфты образую т жесткую структуру машины.
В конструкции по настоящему изобретению можно видеть, что машина может быть очень компактной. Встраивание механизма 106 муфты в отверстие радиально полых областей в центре статора и роторов позволяет разместить в габаритах корпуса 114а, 114b машины подходящую муфту сцепления. Машины, содержащий узлы 106 муфты сцепления диаметром 150 мм встраивались в машины с осевым магнитным потоком, имеющие наружный диаметр 325-335 мм и осевой длиной не более 100 мм, и были способны создавать до 500 Нм крутящего момента. Это позволяет создать машину, которую можно легко интегрировать в гибридную силовую передачу или даже в однокомпонентную силовую передачу с интегрированной муфтой сцепления.
Как было описано выше, машина может быть электродвигателем, источником крутящего момента или генератором.
Способ сборки интегрированной машины и муфты сцепления
Далее следует описание способа сборки машины с осевым магнитным потоком и муфты сцепления.
Электродвигатель YASA (сегментированный якорь без ярма) по настоящему изобретению предпочтительно имеет единственный кольцевой статор, по обе стороны от которого имеется ротор с постоянными магнитами, расположенными так, чтобы северный и южный полюсы были параллельны оси вращения, и взаимодействующими с полюсными наконечниками через воздушные зазоры, по одному для каждой стороны ротора и статора. Такая компоновка уравновешивает существенную силу притяжения роторов с постоянными магнитами к статору, и статор, таким образом испытывает притяжение близкое к нулю. Поскольку роторы расположены с обеих сторон от статора, имеется достаточно пространства для размещения многодисковой мокрой муфты сцепления в габаритах ярма статора и ротора, при этом подшипники муфты обеспечивают радиальную и осевую стабильность и свободу вращения роторов.
По существу, сборка электрических динамо-машин с постоянными магнитами как осевой, так и радиальной топологии является трудной задачей и требует тщательного продумывания порядка, в котором ротор и статор следует собирать, чтобы не повредить эти компоненты и определенно предотвратить "посадку" ротора на статор.
Предлагаемый способ сборки использует преимущества уникальной топологии электродвигателя с осевым магнитным потоком, одним статором и двумя роторами, что позволяет применять простой и элегантный способ сборки вокруг муфты сцепления. Однако этот способ сборки также можно применять и при топологии с одним ротором и одним статором.
Сначала будет описан способ сборки, относящийся к топологии двигателя с осевым магнитным потоком, одним статором и двумя роторами.
Многодисковые мокрые муфты сцепления особенно трудно точно установить в пространство с небольшой осевой длиной из-за осевой длины, необходимой для многодискового пакета, и нижеследующее описание сборки, иллюстрирующее решение этой задачи для этой самой сложной топологии, также может относиться и к однодисковым мокрым и сухим муфтам сцепления, установка которых в пространство с небольшой осевой длиной электродвигателя с осевым магнитным потоком значительно легче. Действительно, поскольку роторы устанавливаются в осевых положениях, диаметр статора может позволить разместить однодисковую сухую муфту сцепления без увеличения диаметра электродвигателя, что неизбежно потребовалось бы для электродвигателей с концентричной топологией радиальных машин.
Как показано на фиг. 6-10, многодисковая муфта 106 сцепления с гидравлическим приводом удерживают в зажимном приспособлении и правый (первый) ротор 104а крепят к внешней периферии корзины 106 муфты. Такое крепление может быть плотной посадкой, болтовым или резьбовым соединением, или горячей посадкой или любым другим подходящим способом крепления, которой удерживает ротор "заодно" с корзиной 106 муфты.
Когда правый (первый) ротор 104а установлен на место, к магниту, т.е., к стороне правого ротора 104а, обращенной к статору, крепят один или более дистанцирующий элемент 122. Такой дистанцирующий элемент 122 может быть однокомпонентным кольцевым диском с центральным отверстием со шпоночным отверстием, позволяющим его снимать радиальным движением, или он может быть многокомпонентной деталью, компоненты которой расположены так, чтобы обеспечивать равномерную поддержку ротора. Предпочтительно, дистанцирующие элементы 122 могут быть маргинально ферромагнитными, чтобы легко удерживаться в положении, когда они установлены на роторе, несущем постоянные магниты. Общая толщина дистанцирующих элементов предпочтительно меньше, (например, ~100 мкм) желаемого размера осевого воздушного зазора между ротором и статором.
После установки дистанцирующих элементов 122, защищающих ротор от посадки на статор 102, кольцевой статор 102, центральное отверстие которого больше, чем диаметр корзины 106 сцепления, домкратом устанавливают на место вместе с корзиной 106 муфты, расположенной центрально в отверстии статора, и кольцевому статору позволяют приблизиться к дистанцирующему элементу 122, защищающему первый ротор 104а, и войти с ним в контакт, при этом дистанцирующий элемент 122 сильно сжимается силой притяжения статора 102 к ротору 104а и полностью поддерживает статор 102. Затем домкрат можно удалить.
Когда статор 102 и правый (первый) ротор 104а займу свои положения, плотно контактируя с дистанцирующим элементом 122, предотвращающим касание ротора со статором и поддерживая воздушный зазор между ротором и статором близким к оптимуму, левый (второй) ротор 104b с помощью домкрата подводят к статору 102 и прочно крепят к корзине 106 муфты. Поверхности для крепления ротора на корзине 106 муфты разнесены в осевом направлении для приема статора 102 и создания оптимального воздушных зазоров между статором 102 и левым 104b и правым 104а роторами.
Эти способы сборки статоров дают узкий и известный допуск на ширину статора 102 так, что от двигателя к двигателю возникает небольшой и допустимый разброс ширины физического воздушного зазора, когда статор 102 помещен между правым 104а и левым 104b роторами. Остается вытянуть статор 102 от первого ротора 104а и отцентрировать между роторами 104а, 104b, чтобы создать одинаковые зазоры между статором 102 и каждым из роторов 104а, 104b.
Радиальный подшипник 116 муфты расположен на внешней стороне поверхности зацепления корзины 106 муфты. Его осевые поверхности являются опорными точками для осевых положений правого и левого роторов 104а, 104b и, поэтому, могут использоваться для определения положения относительно корзины 106 муфты, чтобы вытягивать статор 102 от первого ротора 104а, чтобы получить оптимальный или желательный зазор между первым и вторым роторами 104а, 104b во время сборки.
Осевое положение статора 102 регулируется во время сборки, используя корпус 114b машины, который проходит между радиальным подшипником 116 муфты и корпусом 120 статора. Основной принцип заключается в том, что при использовании относительно жесткого корпуса 114b машины и при закреплении одного конца корпуса 114b машины к внешнему кольцу радиального подшипника 116 муфты (который находится в известном положении относительно роторов 104а, 104b на корзине 106 муфт) крепление корпуса 114b машины к корпусу 120 статора приведет к вытягиванию статора 102 от первого ротора 104а в центральное осевое положение между первым и вторым роторами 114а, 114b.
На практике может потребоваться одна или более регулировочная шайба 140 (известной толщины), чтобы задать правильное осевое расстояние между корпусом 114b машины и корзиной 106 муфты. Измеряя одно или более из следующих осевых длин/расстояний, можно рассчитать требуемое положение корпуса 114b машины относительно корзины 106 и выбрать нужную толщину регулировочной шайбы 140:
- осевое расстояние между радиальным подшипником 116 муфты и первым ротором 104а;
- осевое расстояние между радиальным подшипником 116 муфты и вторым ротором 114b; и
- осевая длина корпуса 114b машины.
Как показано на фиг. 10, регулировочную шайбу 140а можно посадить либо между внешним кольцом радиального подшипника 116 и корпусом 114b машины (в этом случае осевое положение корпуса 114b машины сдвигается относительно корзины 106 муфты и радиального подшипника 116 муфты), либо регулировочную шайбу 140b можно посадить между внутренним кольцом подшипника 116 муфты и корзиной 106 муфты (в этом случае осевое положение радиального подшипника 116 муфты и корпуса 114b машины сдвигается относительно корзины 106 муфты)
Когда регулировочная шайба 140 будет установлена на место, корпус 114b машины крепят к радиальному подшипнику 116 муфты и корпус 114b машины соединяют с корпусом 120 статора. Болты, соединяющие внешний корпус 120 статора с левым корпусом 114b машины затягивают, что приводит к вытягиванию статора 102 в центральное положение между правым и левым роторами 104а, 104b. Дистанцирующие элементы 122, обеспечивающие разделение статора 102 и правого ротора 104а высвобождаются (поскольку первый ротор и статор разделены) и легко могут быть извлечены.
Наконец, можно подсоединить правый корпус 114а машины и прикрепить его болтами к корпусу 120 статора, при этом внутренняя периферия корпуса 114а машины поддерживается подшипником 118 держателя дисков муфты, установленным на вторую поверхность зацепления держателя 112 дисков муфты.
Правый и левый корпуса 114а, 114b машины вместе с внешним корпусом 120 статора и муфтой 106 образуют жесткую коробчатую структуру, которая хорошо поддерживает роторы 104а, 104b машины и легка в изготовлении.
В таком способе сборки, примененном к машине, содержащей единственный статор и единственный ротор, этапы следуют в описанном выше порядке. Берется механизм муфты, первый ротор крепится к корзине муфты, как описано выше. Затем на первый ротор устанавливают дистанцирующий элемент, прежде чем статор будет перемещен в положение вокруг корзины муфты и введен в контакт с дистанцирующим элементом.
И вновь, радиальный подшипник муфты позиционируют на первой поверхности зацепления корзины муфты, и корпус машины устанавливают между радиальным подшипником муфты и корпусом статора (в этот раз проходя над областью, в которой находился бы второй ротор, но в этом случае он отсутствует), и корпус машины вводят в контакт и крепят к корпусу статора, что приводит к вытягиванию статора в осевом направлении от первого ротора. И вновь, подбирают регулировочную шайбу для позиционирования корпуса машины в нужном осевом положении, чтобы вытянуть статор от ротора в нужное осевое положение, когда корпус машины и статор крепятся друг к другу. Толщину регулировочной шайбы подбирают как описано выше (но без ссылок на второй ротор, поскольку он в этом случае отсутствует).
Как и в первом способе корпус машины, закрывающий первый ротор также может применяться к машине, описанной выше.
Специалистам понятны многие эффективные альтернативы. Следует понимать, что изобретение не ограничивается описанными вариантами и охватывает модификации, понятные специалистам и входящие в объем приложенной формулы изобретения.