Электромашина с ротором, созданным по схеме Хальбаха

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к синхронным электрическим машинам с мультинаправленным вектором намагниченности постоянных магнитов, и может быть использована для двигателей и генераторов с ротором, созданным по схеме Хальбаха.
Известен Способ намагничивания ротора электромашины, намагничивающая система для ротора электромашины и способ изготовления ротора электромашины (патент на изобретение РФ №2549835, МПК Н01F 13/00), где в абзаце [0002] в части описании устройства ротора электромашины (аналога) сказано, что сегменты постоянного магнита разрезают и вытачивают с получением необходимой формы из более крупных необработанных магнитных блоков, после чего указанные сегменты индивидуально намагничивают в соленоидной катушке. В некоторых областях применения, особенно в крупногабаритных машинах, намагничивание сегментов постоянного магнита достигается с помощью вектора намагниченности, предложенного К. Хальбахом (известного также как намагниченность Хальбаха), который при приложении к поверхности постоянных магнитов дает в результате более синусоидальную форму распределения магнитного потока в электромашине, благодаря чему уменьшаются потери гармоник переменного тока, а также снижаются пульсации вращающего момента, вибрация и акустический шум.
Таким образом, в патенте-аналоге приводится трактовка такого расположения векторов намагниченности постоянных магнитов, намагниченных по схеме Хальбаха, при котором достигается более синусоидальная форма распределения магнитного потока, а не его концентрация.
Известен принятый в качестве прототипа Высокомоментный, слаботочный бесщеточный двигатель (патент США №10,205,355, МПК Н02K 21/12), содержащий узел обмотки, состоящий из множества катушек, причем множество катушек расположено в форме кольца, и ротор, включающий в себя множество внешних магнитов, выполненных в виде первого кольца Хальбаха, окружающий обмотку в сборе; корпус внешних магнитов, соединенный с множеством внешних магнитов, причем корпус внешних магнитов окружает множество внешних магнитов; множество внутренних магнитов, выполненных в виде второго кольца Хальбаха, причем узел обмотки расположен между множеством внутренних магнитов и множеством внешних магнитов; корпус внутренних магнитов, соединенный с множеством внутренних магнитов; выходной вал, окруженный внутренним корпусом магнитов, причем выходной вал включает в себя внутреннюю поверхность, связанную с валом.
Недостатком прототипа является то, что в нем не достигается концентрация магнитного потока в зоне обмотки якоря. Следует также отметить, что в прототипе не приводится описание расположения векторов намагниченности постоянных магнитов в каждом кольце Хальбаха, которое приводит к получению технического результата - концентрации магнитного потока в зоне обмотки, и в конечном итоге, получению большого вращающего момента и большой удельной мощности при малом токе якоря. Кроме того, из аналога известно, что простое упоминание «схемы Хальбаха» неточно трактует расположение векторов намагниченности постоянных магнитов.
Объектом полезной модели является ротор синхронной электромашины, состоящий из колец Хальбаха.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание ротора, позволяющего сконцентрировать магнитный поток в зоне обмотки якоря. Для электромашины в целом это приведет к увеличению ЭДС, наводимой в обмотке, и повышению удельной мощности электрической машины.
На фигурах показаны следующие эскизы и график:
Фиг. 1. Поперечное сечение активной части электромашины с предлагаемым ротором, состоящим из колец Хальбаха с ферромагнитными ярмами.
Фиг. 2. Поперечное сечение активной части электромашины с ротором-прототипом, состоящим из колец Хальбаха без ярем.
Фиг. 3. Приближенные зависимости магнитной индукции от координаты по окружности в среднем сечении обмотки якоря для вариантов электромашины с ферромагнитными ярмами и без ярем.
Решение технической задачи реализуется цикличным повторением следующей последовательности направления вектора намагниченности постоянных магнитов во внешнем кольце Хальбаха (на их торцевой поверхности), в направлении по часовой стрелке: тангенциально, против часовой стрелки 1; радиально от центра 2; тангенциально, по часовой стрелке 3; радиально к центру 4; во внутреннем кольце Хальбаха, в направлении по часовой стрелке: тангенциально, по часовой стрелке 3; радиально от центра 2; тангенциально, против часовой стрелки 1; радиально к центру 4, кроме того, направление намагниченности на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха должны быть согласованы так, чтобы магнитный поток, созданный постоянными магнитами внутреннего и внешнего колец, складывался. Кроме того, для концентрации магнитного потока внутри активной части электромашины с внешней стороны внешнего кольца Хальбаха расположено внешнее ярмо 5 из ферромагнитного материала, с внутренней стороны внутреннего кольца Хальбаха расположено внутреннее ярмо 6 из ферромагнитного материала, постоянные магниты закреплены на ярмах. Для уменьшения потока рассеяния в обмотке 7 должны отсутствовать ферромагнитные элементы. Толщина ярем 5 и 6 должна быть подобрана таким образом, чтобы магнитная индукция в них не превышала индукцию насыщения материала, из которого они изготовлены. Силовые линии 8 магнитного потока, сосредоточенные в постоянных магнитах и ферромагнитных ярмах 5 и 6 с высокой магнитной проницаемостью, показаны на фиг. 1 пунктирными линиями для трех полюсов электромашины.
Техническая задача решается, согласно полезной модели, совокупностью существенных признаков, представленных в п. 1 формулы.
Техническим результатом предложенной полезной модели является ротор, состоящий из двух колец Хальбаха (внутреннего и внешнего), в которых четко определены направления векторов намагниченности постоянных магнитов, а также включающий в свой состав внешнее и внутреннее ярема, на которых крепятся постоянные магниты внешнего и внутреннего колец Хальбаха. Описанные направления векторов намагниченности постоянных магнитов в сочетании с их согласованным расположением на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха позволяют получить суммирование магнитного потока от постоянных магнитов внутреннего и внешнего колец Хальбаха, а ярма - концентрацию магнитного потока в зоне обмотки 7 якоря для достижения максимального момента, максимальной удельной мощности электрической машины при малом токе якоря.
Для сравнения на фиг. 2 показано поперечное сечение активной части электромашины с ротором, состоящим из колец Хальбаха без ярем, согласно прототипу. В этом случае силовые линии вида 9 магнитного потока будут замыкаться по воздуху с высоким магнитным сопротивлением и величина магнитной индукции и магнитного потока в зоне обмотки 7 уменьшится по сравнению с предлагаемым решением, приведенным на фиг. 1. Силовые линии 9 показаны на фиг. 2 пунктирными линиями для трех полюсов электромашины.
Для случая постоянных магнитов из материала Nd-Fe-B с рабочей температурой более 130°С и ярем из стали 10 построены результирующие приближенные зависимости магнитной индукции от координаты по окружности в среднем сечении обмотки якоря. Для вариантов электромашины с ферромагнитными ярмами 10 и без ярем 11 эти зависимости представлены на фиг. 3, символом «τ» обозначено полюсное деление электромашины (см. фиг. 1 и 2).
Из фиг. 3 видно, что в предложенном варианте по сравнению с прототипом достигается увеличение магнитной индукции по максимальному значению в среднем сечении обмотки примерно на 25%. Это приводит к увеличению магнитного потока, сцепленного с обмоткой, на 25%. В двигательном режиме электромашины ток, поданный в многофазную обмотку якоря, взаимодействует с магнитным потоком постоянных магнитов колец Хальбаха и создает вращающий момент ротора, который также больше вращающего момента прототипа на 25%. Мощность на валу определяется как произведение вращающего момента и частоты вращения. Мощность на валу в предложенном варианте больше аналогичной мощности прототипа на 25%. Удельная мощность рассчитывается как отношение мощности на валу к массе электромашины. Поскольку масса активной части составляет, как правило, меньшую часть массы электромашины, а масса предложенного варианта отличается от массы прототипа лишь на массу ярем, ярма не могут увеличить массу на 25% и более. Таким образом, достигается увеличение удельной мощности (даже при малом токе якоря) предложенной электромашины с ротором, созданным по схеме Хальбаха. Аналогичная ситуация имеет место в генераторном режиме.
Отсутствие ферромагнитных элементов в обмотке якоря необходимо для снижения потока рассеяния, уменьшающего результирующий магнитный поток, сцепленный с обмоткой.