Электродвигатель с беспазовым магнитопроводом статора из аморфного железа
ELECTRIC MOTOR WITH PHASE-FREE MAGNETIC CORE FROM AMORPHOUS IRON

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов.
Известен сердечник из аморфного железа [патент US №5903082 А, H02K 1/12, H02K 21/12, H02K 37/12, Н02Р 9/18, H02K 21/24, H02K 1/14, H02K 1/02, H02K 1/04, H02K 29/10, H02K 1/18, 11.05.1999], содержащий отдельно сформированные аморфное ярмо и аморфные полюса, которые совместно установлены в корпусе из диэлектрика, образовывая при этом сердечник статора электромеханического преобразователя энергии.
Недостатками данного магнитопровода статора из аморфного железа являются сложность его изготовления и низкие магнитные свойства, обусловленные значительными нарушениями геометрии магнитопровода статора из аморфного железа при сборки отдельных полюсов и ярма, а также низкий теплоотвод потерь энергии от магнитопровода статора из аморфного железа.
Известна торцевая электрическая машина (патент РФ №2246168, МПК H02K 21/24, опубл. 10.02.2005 г.), включающая статор с обмоткой, закрепленный в корпусе, обращенный рабочими поверхностями к двум дискообразным роторам, расположенным с двух сторон от статора, установленным в подшипниках качения, статор выполнен из двух половин, в каждой из которых залит компаундом автономный зубцовый слой, распределенная обмотка в виде обмоточных модулей и ярмо, навитое из стальной ленты, установленных по разные стороны этого диска, причем с обеих сторон диска выполнены центрирующие пояски, на которых сцентрированы пластины обмоточных модулей, а на дисках двух роторов со стороны рабочих поверхностей статора выполнены по два центрирующих пояска, между которыми смонтированы постоянные магниты, полюсные наконечники которых имеют форму пластины с уменьшающимся к краям сечением.
Недостатком - торцевой электрической машины является технологическая сложность в изготовлении, ограниченные функциональные возможности, высокие потери на перемагничивание и вихревые токи.
Известна торцевая электрическая машина (патент РФ №2313888, МПК H02K 21/24, H02K 21/12, H02K 16/02, опубл. 27.12.2007 г.), содержащая статор, включающий диск, закрепленный в корпусе, и обмоточные модули, обращенные рабочими поверхностями к соответствующим дискообразным роторам с короткозамкнутыми обмотками, расположенным с двух сторон от статора и установленным в подшипниках качения, в диске статора выполнены прорези под обмоточные модули, края которых (отгибы) у двух соседних прорезей направлены в одну сторону диска, а у двух следующих прорезей - в противоположную, в которых обмоточные модули размещены таким образом, что между двумя пакетами пластин одного обмоточного модуля расположены по одному пакету пластин двух соседних обмоточных модулей с противоположной стороны диска, кроме того, на диске статора в промежутках между прорезями под обмоточные модули в радиальном направлении выполнены щелевидные прорези.
Недостатком торцевой электрической машины является технологическая сложность в изготовлении, ограниченные функциональные возможности, высокие потери на перемагничивание и вихревые токи.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является беспазовый магнитопровод статора [эл. каталог Maxon motor, Highprecision drives and systems, p. 231, 237, http://maxon.blaetterkatalog.ch/b9990/catalog/index.html?data=b9990/b999045&lang=e#237], содержащий статор, выполненный в виде полого цилиндра, шихтованного в аксиальном направлении из листов электротехнической стали, внутри статора расположена обмотка, катушки которой выполнены в виде ромба.
Недостатками ближайшего аналога являются его невысокая эффективность и низкие удельные показатели беспазового магнитопровода в составе электродвигателя. К недостаткам аналога можно также отнести отходы при штамповке листов беспазового магнитопровода.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности электродвигателя с беспазовым манитопроводом статора из аморфного железа благодаря повышению выходной мощности при неизменных массогабаритных показателях, за счет повышения эффективности удельных энергетических показателей.
Техническим результатом является повышение КПД, энергоэффективности и минимизация тепловыделений магнитопровода статора из аморфного железа в составе беспазового электродвигателя.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в электродвигателе с беспазовым магнитопроводом статора, выполненного в виде полого цилиндра, внутри которого расположена обмотка, содержащая катушки в виде ромба с длинным шагом, магнитоэлектрический ротор, согласно изобретению, полый цилиндр беспазового магнитопровода статора состоит из витых секторов аморфного железа, электрически изолированных друг от друга, собранных в аксиальном направлении и обмотку, содержащую катушки в виде ромба с укороченным шагом.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен продольный разрез электродвигателе с беспазовым магнитопроводом статора из аморфного железа, на фиг. 2 приведена схема беспазовой обмотки прототипа, содержащая катушки в виде ромба с длинным шагом, на фиг. 3 приведена схема беспазовой обмотки, содержащая катушки в виде ромба с укороченным шагом, на фиг. 4 для наглядности показана 3D модель катушки беспазовой обмотки прототипа с магнитоэлектрическим ротором, на фиг. 5 показана 3D модель катушки беспазовой обмотки с укороченным шагом с магнитоэлектрическим ротором.
Предложенное устройство содержит (фиг. 1) полый цилиндр 1, собранный в аксиальном направлении из витых секторов 2, имеющих форму колец, материал навивки - лента аморфного железа. Витые сектора 2 электрически изолированы друг от друга. На внутренней части полого цилиндра 1 установлена беспазовая обмотка 3, (содержащая катушки в виде ромба) с укороченным шагом с выводами 4. Внутри полого цилиндра 1 установлен магнитоэлектрический ротор 5.
Предложенное устройство работает следующим образом: при подключении выводных концов 4 беспазовой обмотки 3 к силовым выводам системы управления электродвигателя с беспазовым магнитопроводом статора из аморфного железа по беспазовой обмотке 3 начинает проходить ток, который создает магнитное поле статора. Магнитное поле статора, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения магнитоэлектрического ротора 5, образует электромагнитный момент, в результате чего магнитоэлектрический ротор 5 начинает вращаться. В момент пуска, а также в процессе работы электродвигателя выделяются различного рода потери, которые приводят к снижению КПД, а именно:
- тепловые потери в беспазовой обмотке 3, обусловленные током в беспазовой обмотке 3 и их активным сопротивлением;
- тепловые потери в полом цилиндре 1, обусловленные величиной магнитного поля возбуждения и магнитного поля статора, массой полого цилиндра 1 и удельными потерями материала навивки витых секторов 2 (ленты аморфного железа);
- потери энергии на трение магнитоэлектрического ротора 5 с воздухом, обусловленные частотой вращения магнитоэлектрического ротора 5, его геометрическими размерами, температурой воздуха и давлением в зазоре между магнитоэлектрическим ротором 5 и беспазовой обмоткой 3.
Мощность, затрачиваемая на нагрев полого цилиндра 1 вихревыми токами, снижает КПД электровигателя с баспазовым магнитопроводом статора. Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, в аналоге (патент РФ №2313888, МПК H02K 21/24, H02K 21/12, H02K 16/02, опубл. 27.12.2007 г.) увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого магнитопровод статора набирают из отдельных тонких листов, изолированных друг от друга с помощью лака или окалины. Однако, путь вихревых токов, индуцируемых в тонких листах, пролегает по всей площади листа. Для минимизации потерь на вихревые токи, т.е. минимизацию путей вихревых токов в магнитопроводе статора - полом цилиндре 1, полый цилиндр 1 выполняют из витых секторов 2, собранных в аксиальном направлении, с ленточным материалом навивки из аморфного железа. Кроме того, материал аморфное железо обладает минимально возможными удельными потерями на перемагничивание и вихревые токи (0,1-1 Вт/кг). В совокупности, тем самым снижают потери, создаваемые полями рассеяния в лобовых частях, и удельные потери в беспазовом магнитопроводе статора. Чтобы исключить замыкание вихревых токов между витыми секторами 2, их выполняют изолированными друг от друга. Для уменьшения потерь и минимизации массогабаритных показателей беспазовая обмотка 3, (содержащая катушки в виде ромба) выполнена с укороченным шагом, т.е. вершины катушек в виде ромба обмотки 3, имеющие тупые внутренние углы, находятся на минимально возможном расстоянии, учитывая условие формирования n-полюсной магнитной системы электродвигателя. Для наглядности на фиг. 2 показаны схема соединений обмотки, содержащая катушки в виде ромба прототипа, имеющая двенадцать катушек, работающая с четырехполюсной магнитной системой ротора, а на фиг. 3 показана схема обмотки содержащая катушки в виде ромба, выполненной с укороченным шагом, имеющая двенадцать катушек, работающая с четырехполюсной магнитной системой ротора. На фиг. 4 и фиг. 5 показаны 3D модели их катушек. В результате электрическое сопротивление фазы становится меньше чем в аналоге (патент РФ №2313888, МПК H02K 21/24, H02K 21/12, H02K 16/02, опубл. 27.12.2007 г.), поэтому и снижаются потери в беспазовой обмотке 3. Для обеспечения механической прочности и минимизации аэродинамических потерь, конструкцию из полого цилиндра 1 и беспазовой обмоткой 3 заливают компаундом, например эпоксидным клеем.
Таким образом, достигается повышение КПД, надежности, энергоэффективности и минимизация тепловыделений магнитопровода статора из аморфного железа в составе беспазового электродвигателя.
Также расширяются функциональные возможности электродвигателя с беспазовым манитопроводом статора из аморфного железа, благодаря повышению выходной мощности при неизменных массогабаритных показателях, за счет повышения эффективности удельных энергетических показателей.