Синхронная электрическая машина с сегментированным статором и двухконтурной магнитной системой на постоянных магнитах
SYNCHRONOUS MOTOR-GENERATOR WITH SEGMENTED STATOR AND DOUBLE-LOOP MAGNETIC SYSTEM ON PERMANENT MAGNETS

Область, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах гибридных или полностью электрических транспортных средствах и робототехнике, а также в электрогенерирующих установках.
Уровень техники
Проведённый заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения.
Раскрытие изобретения
Целями предлагаемого изобретения является создание энергоэффективной, высокомоментной, отказоустойчивой электрической машины для применения в электроприводах гибридных или полностью электрических транспортных средствах и робототехнике, а также электрогенерирующих установках.
Технический результат достигается за счёт конструкции синхронной электрической машиной с сегментированным статором и многоконтурной магнитной системой на постоянных магнитах, содержащей: ротор, состоящий из двух и более кольцевых опорных диаметров условно разделённых на внутренний и внешний, соединенных между собой, с закрепленными на них с чередующейся полярностью аксиально намагниченными постоянными магнитами, между которыми находиться сегментированный статор, выполненный в виде катушек индуктивности с сердечниками скоммутированными в группы пофазно, при этом сердечники сегментов статора не образуют общий магнитопровод. Количество магнитных полюсов на внутреннем и внешнем кольцевых опорных диаметрах ротора одинаковое, а магнитное поле противоположных постоянных магнитов внутреннего и внешнего кольцевых опорных диаметров ротора – однонаправленно. Сердечники сегментов статора одновременно взаимодействуют обоими своими полюсами с постоянными магнитами, расположенными на внутреннем и внешнем кольцевых опорных диаметрах ротора. Коммутация сегментов статора одной фазы происходит так, чтобы каждый сердечник сегмента одной фазы находился в таком же положении, относительно полюсов постоянных магнитов обоих кольцевых опорных диаметров ротора с учётом их полярности.
Новизна технического решения заключается в конструкции статора, ротора и их взаимодействии, позволяющим организовать управление электрической машиной не только синусоидальным напряжением (частотное управление), но и импульсами тока, а именно:
Краткое описание чертежей на примере синхронной электрической машины с двухконтурной магнитной системой и сегментированным статором
На фигуре 1 представлен общий вид (поперечный разрез электрической машины).
На фигуре 2 представлен сегмент статора с постоянными магнитами кольцевых опорных диаметров ротора на его полюсах.
Осуществление изобретения
Синхронная электрическая машина с сегментированным статором и двухконтурной магнитной системой на постоянных магнитах содержит (смотреть фигуру 1) ротор 1, закрепленный на блок-ступице (подшипнике) 2, включающий в себя два опорных кольцевых диаметра, внутренний 3 и внешний 4 соединённых между собой корпусом ротора, с закрепленными на них постоянными магнитами 5, между которыми находиться сегментированный статор, (смотреть фигуру 2) выполненный в виде катушек индуктивности с сердечниками 6, закрепленными на корпусе электрической машины 8.
Ротор 1 (смотреть фигуру 1) с кольцевыми опорными диаметрами 3 и 4 выполнен из немагнитного материала, постоянные магниты 5 аксиально намагничены и могут иметь различные характеристики (коэрцитивную силу, силу создаваемой магнитной индукции и т.д.) в зависимости от требуемого результата и области применения электрической машины, обмотки 9 (смотреть фигуру 2) сегментов статора 6 (катушек индуктивности) выполнены обмоточным проводом, корпус электрической машины 8 выполнен из немагнитного материала. Сердечники сегментов статора 7 изготавливают из магнитомягких материалов с малой коэрцитивной силой и узкой петлёй гистерезиса, различной магнитной проницаемостью и величиной индукции насыщения в зависимости от требуемой частоты перемагничивания и создаваемой магнитной индукции на полюсах.
Таким образом оба полюса сердечника каждого сегмента статора взаимодействует с постоянными магнитами обоих кольцевых опорных диаметров ротора одновременно по принципу push-pull (тяни-толкай), за счёт таких взаимодействий и происходит вращение ротора.
Не замкнутая, сегментированная конструкция магнитопровода статора и синхронное взаимодействие постоянных магнитов опорных кольцевых диаметров ротора с полюсами сердечника одной фазы исключает несвоевременные «паразитные» электромагнитные взаимодействия между доменами железа соседних сердечников статора. Это уменьшает нагрев железа сердечников статора и повышает силу магнитной индукции на их полюсах.
Одновременное взаимодействие сердечников сегментов статора обеими полюсами с постоянными магнитами кольцевых опорных диаметров ротора позволяет получить больший крутящий момент по сравнению с «классической» одноконтурной магнитной системой, использующейся в двигателестроении и применять электрическую машину в «прямых» приводах (не используя редуктор). В зависимости от требований к крутящему моменту количество магнитных контуров (опорных кольцевых диаметров с постоянными магнитами) увеличивается до необходимого, формируя «матрёшку» - «двигатель в двигатели».
Прямая генерация электроэнергии происходит следующим образом:
При передачи вращающего момента от внешнего источника на ротор 1 (смотреть фигуру 2), через железо сердечников 7 сегментов статора 6, находящихся между постоянными магнитами 5, закреплёнными на противоположных кольцевых опорных диаметрах 3 и 4 ротора 1, начинают циркулировать магнитные потоки замыкая полюса постоянных магнитов через железо сердечников. Таким образом обмотка 9 сердечника 7 оказывается в изменяющемся магнитном поле, сформированным магнитными доменами железа сердечника с ориентированным в нём потоком электромагнитной индукции. Эти магнитные потоки индуцируют в проводниках обмоток 9 сегментов статора 6 (катушках индуктивности) токи, протекающие в направлениях, подчиняющихся правилу Ленца, формируя переменное напряжение.
Результатом совокупности вышеописанных элементов новизны является повышение эффективности генерации электроэнергии за счёт увеличения плотности циркулирующего магнитного потока, имеющего чётко ориентированную направленность, заполняющего всё тело сердечника сегмента статора, повышая формирование электромагнитной индукции в проводниках обмоток сердечников статора, при этом «паразитные» взаимодействия между доменами железа соседних сердечников сегментов статора отсутствуют за счёт незамкнутой конструкции магнитопровода статора (сегментированной конструкции статора).
Недостатки конструкции электрической машины
Минусом конструкции электрической машины является ограничения, вызванные свойствами постоянных магнитов, пульсация вращающего момента и отсутствие свободного вращения ротора "эффект магнитного залипания", для устранения этого эффекта необходимо подавать на управляющие фазы напряжение "холостого хода" или применять для изготовления сердечников сегментов статора не магнитные материалы.
Таким образом, технический результат изобретения позволяет организовать высокоэффективный, отказоустойчивый режим работы синхронной электрической машины, а именно снизить энергопотребление за счёт уменьшения потерь в незамкнутой конструкции магнитопровода статора, повысить генерацию электроэнергии за счёт более эффективной прямой генерации электроэнергии, увеличить эффективность магнитного дизайна за счёт одновременного взаимодействия сердечника сегмента статора обеими полюсами с постоянными магнитами ротора, повысить отказоустойчивость за счёт сегментированной конструкции статора и возможностью изолированного управления каждой фазой, получать требуемый   вращающий момент на роторе за счёт применения многоконтурной магнитной системы.