МНОГОСЛОЙНЫЙ ТОРЦЕВОЙ МОМЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
MULTILAYER FRONTAL TORQUE MOTOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.
Аналогом является, например, многослойный дисковый электродвигатель (Белый П.Н. Конструктивное развитие дисковых высокомоментных технологических электродвигателей с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Электротехника, 2001, №7, с.20-23), имеющий четыре установленных на одном валу дисковых ротора с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и три расположенных между роторами статора, на зубцах которых в радиальных пазах размещены обмотки.
Наиболее близок к предлагаемой машине многослойный торцевой моментный электродвигатель (патент РФ №2251784, БИ №13, 2005), содержащий ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с кольцевыми обмотками фаз, установленными соосно с ротором, при этом статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2π эл. рад., деленный на число фаз.
Недостатком прототипа является неполное использование магнитного потока постоянных магнитов, расположенных на роторе, так как площадь зубцов магнитопровода статора, через которые проходит магнитный поток, более чем в два раза меньше площади постоянных магнитов. Поэтому магнитный поток ротора, связанный с каждой кольцевой обмоткой фаз, мал, что не позволяет создать электродвигатель с высоким моментом на валу.
Техническим эффектом предлагаемого изобретения является значительное увеличение площади зубцов магнитопровода статора, что позволит увеличить момент, а значит и мощность многослойного торцевого моментного электродвигателя при одинаковых габаритах с прототипом.
Это достигается тем, что в многослойном торцевом моментном электродвигателе, содержащем ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу ферромагнитных дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с кольцевыми обмотками фаз, установленные соосно с ротором, при этом статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2π эл. радиан, деленный на число фаз, согласно изобретению магнитопровод каждого статора составляют «П-образные» элементы из магнитомягкого материала, число которых равно числу полюсов ротора, причем упомянутые элементы при обходе кольцевой обмотки по угловой координате охватывают кольцевую обмотку поочередно - то со стороны наружной, то со стороны внутренней поверхности кольцевой обмотки.
Выполнение магнитопровода каждого статора из «П-образных» элементов из магнитомягкого материала, число которых равно числу полюсов ротора, и охватывающих кольцевую обмотку поочередно - то со стороны наружной, то со стороны внутренней поверхности кольцевой обмотки, позволяет значительно увеличить площадь зубцов магнитопровода статора, через которые проходит магнитный поток. Следовательно, в предлагаемом многослойном торцевом моментном электродвигателе значительно увеличится по сравнению с прототипом такого же габарита магнитный поток ротора, связанный с кольцевыми обмотками, а значит момент и мощность.
На фиг.1 показано направление магнитного потока в «П-образных» элементах из магнитомягкого материала; на фиг.2 - фрагмент кольцевой обмотки статора с «П-образными» элементами; на фиг.3 - электромагнитная система предлагаемого электродвигателя; на фиг.4 - часть линейной развертки дисков ротора и статоров.
,
На фиг.1а - «П-образный» элемент 1 из магнитомягкого материала охватывает обмотку 2 (на фиг.1а показано поперечное сечение обмотки 2). Ток в обмотке 2 направлен на фиг.1а от наблюдателя. Магнитный поток Ф проходит по часовой стрелке по «П-образному» элементу 1 и замыкается через воздушный зазор. При этом правая сторона «П-образного» элемента 1, из которой выходят силовые линии магнитного потока Ф является северным полюсом N, а левая сторона «П-образного» элемента 1 является южным полюсом S.
На фиг.1б «П-образный» элемент 3 из магнитомягкого материала, охватывающий обмотку 2, развернут по сравнению с «П-образным» элементом 1 на 180°. Ток в обмотке 2 на фиг.1б, также как на фиг.1а, направлен от наблюдателя. Магнитный поток Ф также проходит по часовой стрелке, но теперь правая сторона «П-образного» элемента 3 является южным полюсом S, а левая сторона «П-образного» элемента 3 является северным полюсом N.
На фиг.1в «П-образный» элемент 1 охватывает обмотку 2, также как на фиг.1а. Ток в обмотке 2 направлен на фиг.1в к наблюдателю. Полярность сторон «П-образного» элемента 1 по сравнению с фиг.1а изменится: правая сторона «П-образного» элемента 1 является южным полюсом S, а левая сторона «П-образного» элемента 1 - северным полюсом N.
На фиг.1г «П-образный» элемент 3 охватывает обмотку 2, также как на фиг.1б. Ток в обмотке 2 направлен на фиг.1г к наблюдателю. Полярность сторон «П-образного» элемента 3 по сравнению с фиг.1б изменится: правая сторона «П-образного» элемента 3 является северным полюсом N, а левая сторона «П-образного» элемента 3 - южным полюсом S.
Таким образом, на фиг.1а-1г показано, что полярность сторон «П-образных» элементов 1 и 3 зависит от направления тока в обмотке 2 и от расположения «П-образных» элементов 1 и 3 относительно обмотки 2.
На фиг.2 показан фрагмент кольцевой обмотки 2 с «П-образными» элементами 1 и 3. «П-образные» элементы 1 охватывают кольцевую обмотку 2 со стороны наружной поверхности кольцевой обмотки 2, а «П-образные» элементы 3 охватывают кольцевую обмотку 2 со стороны внутренней поверхности. Стрелка показывает направление намагничивающей силы I·w кольцевой обмотки 2, где I - ток обмотки 2; w - число витков обмотки 2. В соответствии с направлением намагничивающей силы кольцевой обмотки 2 и положением «П-образных» элементов 1 и 3 относительно обмотки 2 ближние к наблюдателю стороны «П-образных» элементов 1 будут иметь южную полярность S, а дальние стороны «П-образных» элементов 1 будут иметь северную полярность N. У «П-образных» элементов 3 ближние к наблюдателю стороны «П-образных» элементов 3 будут иметь северную полярность N, а дальние стороны - южную полярность S.
На фиг.3 электромагнитная система предлагаемого многослойного торцевого моментного электродвигателя изображена в трехфазном варианте. Кольцевая обмотка 2 с «П-образными» элементами 1 и 3 образует статор 4 первой фазы предлагаемого электродвигателя. Статор 5 второй фазы образует кольцевая обмотка 6 с «П-образными» элементами 7 и 8, а статор 9 третьей фазы образует кольцевая обмотка 10 с «П-образными» элементами 11 и 12. Статоры 4, 5 и 9 должны быть неподвижно закреплены, например, с помощью компаунда в корпусе электродвигателя, который на чертеже не показан. Статор 4 размещается между дисками 13 и 14 ротора, статор 5 размещается между дисками 14 и 15 и статор 9 размещается между дисками 15 и 16 ротора. Диски 13, 14, 15 и 16 ротора зафиксированы на выходном валу 17 электродвигателя. На торцевых поверхностях дисков 13, 14, 15 и 16, обращенных к статорам 4, 5 и 9, установлены постоянные магниты 18.
На фиг.4 показана часть линейной развертки дисков 13, 14, 15 и 16 ротора и статоров 4, 5 и 9, на которой указана полярность установленных на дисках 13, 14, 15 и 16 постоянных магнитов 18. При обходе дисков 13, 14, 15 и 16 в тангенциальном направлении полярность магнитов 18 чередуется, при этом полярность постоянных магнитов 18, расположенных напротив друг друга на торцевых поверхностях дисков 13, 14, 15 и 16, обращенных к одному и тому же статору 4, 5 или 9, противоположна. Статоры 4, 5 и 9, показанные на фиг.3 и 4, смещены относительно друг друга на 2π/3 эл. рад.
Многослойный торцевой моментный электродвигатель работает следующим образом. Пусть сначала постоянный ток условного положительного направления протекает в кольцевой обмотке 2 статора 4 первой фазы, а обмотка 6 статора 5 второй фазы и обмотка 10 статора 9 третьей фазы обесточены. При условном положительном направлении тока обмотка 2 намагничивает «П-образные» элементы 1 и 3, охватывающие кольцевую обмотку 2. При этом торцевые стороны «П-образных» элементов 1 и 3, обращенные к дискам 13 и 14 ротора, будут иметь чередующуюся в тангенциальном направлении полярность. «П-образные» элементы 1 и 3 будут взаимодействовать с постоянными магнитами 18, установленными на дисках 13 и 14, и появится момент, который установит диски 13 и 14 ротора в такое положение, чтобы магнитные потоки постоянных магнитов 18 были направлены согласно с магнитными потоками «П-образных» элементов 1 и 3, как показано на фиг.4. Магнитные потоки Ф, созданные магнитами 18 и «П-образных» элементов 1 и 3 и показанные на фиг.4, замыкаются через диски 13 и 14 ротора, выполненные из ферромагнитного материала.
При подаче постоянного тока условного положительного направления в кольцевую обмотку 6 статора 5 второй фазы и выключенных кольцевой обмотки 2 статора 4 первой фазы и кольцевой обмотки 10 статора 9 третьей фазы обмотка 6 намагнитит «П-образные» элементы 7 и 8 с чередующейся полярностью. Полярность сторон элементов 7 будет аналогична полярности сторон элементов 1, показанной на фиг.4, а полярность сторон элементов 8 будет аналогична полярности сторон элементов 3. Статор 5 второй фазы смещен относительно статора 4 первой фазы на 2π/3 эл. рад. Поэтому при взаимодействии «П-образных» элементов 7 и 8 с постоянными магнитами 18, расположенными на сторонах дисков 14 и 15, обращенных к статору 6, ротор развернется на 2π/3 эл. рад. Тогда магнитные потоки постоянных магнитов 18 и «П-образных» элементов 7 и 8 совпадут.
При включении кольцевой обмотки 10 статора 9 третьей фазы и выключенных кольцевой обмотки 2 статора 4 первой фазы и кольцевой обмотки 6 статора 5 второй фазы обмотка 10 намагнитит «П-образные» элементы 11 и 12. Момент, возникший при взаимодействии «П-образных» элементов 11 и 12 с постоянными магнитами 18, заставит ротор развернуться на 4π/3 эл. рад. от исходного положения.
После этого вновь включается кольцевая обмотка 2 статора 4 первой фазы, ротор поворачивается еще на 2π/3 эл. рад. и т.д.
Для изменения направления вращения ротора нужно изменить порядок переключения фаз двигателя на обратный.
При дискретном характере изменения токов в обмотках, как описано выше, двигатель будет работать как шаговый. Если на фазы двигателя подать трехфазное синусоидальное напряжение, то двигатель будет работать как трехфазный синхронный электродвигатель с плавным вращением вала. Если переключать обмотки по сигналам датчика положения ротора, то двигатель будет работать как бесконтактный двигатель постоянного тока (вентильный). Предлагаемую электрическую машину можно использовать также в качестве генератора для получения многофазного напряжения.
В предлагаемом многослойном торцевом моментном электродвигателе радиальная длина и площадь боковых сторон «П-образных» элементов, которые являются зубцами статоров, более чем в два раза превышают радиальную длину и площадь зубцов статоров прототипа. Через боковые стороны «П-образных» элементов может пройти практически весь поток постоянных магнитов, установленных на роторе. Поэтому кольцевые обмотки предлагаемого электродвигателя будут связаны с намного большим магнитным потоком ротора, чем обмотки прототипа. От магнитного потока ротора, связанного с кольцевыми фазами, зависит момент электродвигателя. Следовательно, предлагаемое изобретение позволит увеличить момент, а значит и мощность многослойного торцевого моментного электродвигателя при одинаковых габаритах с прототипом.