СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ РЕДУКЦИЕЙ
SYNCHRONOUS MOTOR WITH MAGNET GEAR REDUCTION

Изобретение относится к электрическим машинам, а конкретно к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата "двигатель-редуктор" в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, например, в качестве мотора-колеса экологически чистых автомобилей.
Известен магнитный редуктор-мультипликатор, содержащий индуктор, магнитопровод которого имеет зубцы, роторы быстрого и медленного вращения, а также статор, имеющие чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, причем количества ферромагнитных элементов статора и ротора медленного вращения отличаются на единицу в пределах одного полюсного деления, индуктор магнитного поля выполнен неподвижным, а ротор быстрого и ротор медленного вращения представляют собой диски, диски ротора медленного вращения чередуются с дисками статора, между диском ротора быстрого вращения и диском ротора медленного вращения располагается диск статора, количество дисков ротора медленного вращения и дисков статора один или более (патент на полезную модель №118136, H02K 51/00, опубл. 10.07.2012, Бюл. №19) - [1].
Его недостатком является необходимость электродвигателя для привода ротора быстрого вращения и большая масса, что связано с внешним магнитопроводом, замыкающим магнитный поток, проходящий через активную часть редуктора. Далее, магнитный редуктор имеет потери энергии в стали секторов, магнитная индукция в которых изменяется. При совпадении угловых размеров ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения наблюдается эффект прилипания, что вызывает вибрацию ротора медленного вращения.
с
р
с
7
Известен синхронный электродвигатель, содержащий корпус, пакет статора с зубцами z и с многофазной обмоткой, магнитопровод ротора с зубцами z=z±2p на валу с подшипниками, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с магнитопроводом ротора, а цилиндры статора - с корпусом, при этом зубцы полюсов и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения (Афанасьев А.Ю., Давыдов Н.В. Синхронный электродвигатель. Патент РФ №2321140, МПК H02K 19/06, H02K 19/00, опубл. 2008.03.27, Бюл. №9) - [2].
Его недостатком является наличие тонкостенных полых цилиндров с консольным креплением, что усложняет технологию изготовления, ограничивает скорость вращения и снижает надежность при работе на подвижном основании, а также низкие энергетические показатели, поскольку электродвигатель является реактивным и требует больших токов для создания магнитного поля.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, имеющий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры статора и ротора медленного вращения на валу, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения, второй пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней поверхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быстрого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, расположенные между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмоткой, имеющим обращенную конструкцию (Афанасьев А.Ю., Давыдов Н.В. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией. Патент РФ 2375806, МПК H02K 19/06, H02K 19/10, H02K 16/00, H02K 21/12, опубл. 2009.12.10, Бюл. №34) - [3].
Его недостатком является сложность конструкции и ограниченная скорость вращения из-за консольного расположения полых цилиндров, а также низкая надежность работы на подвижном основании.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в технологичности конструкции и большой скорости вращения электродвигателя с магнитной редукцией, а также в его надежной работе на подвижном основании.
с
р
р
с
Технический результат достигается тем, что в синхронном электродвигателе с магнитной редукцией, содержащем корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами на валу с подшипниками и многослойный ротор медленного вращения на валу с подшипниками, новым является то, что ротор медленного вращения и статор имеют чередующиеся диски, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности зубцов и на другом кольце имеются клиновидные выступы, при этом клиновидные выступы зубцов и ферромагнитные элементы дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z и на диске ротора z связаны равенством z=z±2p, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны.
Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг.1-13, где:
Ффг.1 - продольное сечение синхронного электродвигателя с магнитной редукцией;
фиг.2 - ротор быстрого вращения;
фиг.3 - диск статора;
фиг.4 - диск ротора медленного вращения;
фиг.5 - вид зубцов с катушками;
фиг.6 - пути прохождения магнитного потока в аналоге [1];
фиг.7 - пути прохождения магнитного потока в предлагаемом электродвигателе;
фиг.8 - форма листов шихтованного сектора;
A
фиг.9-12 - графики магнитодвижущей силы и ее первой пространственной гармоники при фазе тока i соответственно 0, π/12, π/6, π/4 рад.;
фиг.13 - взаимное положение элементов статора и ротора медленного вращения при трех положениях ротора быстрого вращения.
Синхронный электродвигатель по фиг.1 имеет: 1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4, 5 - кольца пакета статора; 6 - зубец; 7 - катушку; 8 - постоянные магниты; 9 - втулку ротора быстрого вращения; 10 - диски статора; 11 - втулку статора; 12 - диски ротора медленного вращения; 13 - втулку ротора медленного вращения; 14 - вал быстрого вращения; 15 - вал медленного вращения; 16-19 - подшипники; 20 - втулку подшипников.
Корпус 1 жестко связан с подшипниковыми щитами 2, 3. На них установлены кольца 4, 5 пакета статора. На кольце 4 имеются шесть зубцов 6 с катушками 7.
Четыре постоянных магнита 8 установлены на втулке 9 ротора быстрого вращения. Диски 10 статора закреплены на втулке 11 статора, установленные на корпусе 1. Диски 12 ротора медленного вращения установлены на втулке 13 ротора медленного вращения. Вал 14 быстрого вращения опирается на подшипники 16, 18, а вал 15 медленного вращения опирается на подшипники 17, 19. Подшипники 16, 17 установлены в подшипниковых щитах 2, 3. Подшипники 18, 19 установлены во втулке 20 подшипников, жестко связанной с диском 10 статора, расположенным рядом с ротором быстрого вращения.
с
р
Кольца 4, 5 и зубцы 6 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. Постоянные магниты 8 выполнены в виде четырех секторов из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, намагничены по оси вращения и образуют на торцевых поверхностях чередующиеся полюса (фиг.2). Диски 10 статора и диски 12 ротора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого и немагнитного материалов. Магнитные секторы выполнены шихтованными из электротехнической стали. Количество магнитных секторов дисков статора и ротора, приходящихся на одно полюсное деление, отличаются на единицу. На фиг.3, 4 показан случай, когда число пар полюсов p=2, z=20, z=24.
Ротор быстрого вращения имеет четыре постоянных магнита 8, имеющие вид секторов (на фиг.2 показаны закрашенными), и немагнитные сектора (на фиг.2 не закрашены).
Диски 10 статора имеют ферромагнитные элементы (на фиг.3 показаны закрашенными) и немагнитные сектора (на фиг.3 не закрашены).
Диски 12 ротора медленного вращения имеют ферромагнитные элементы (на фиг.4 показаны закрашенными) и немагнитные сектора (на фиг.4 не закрашены).
Зубцы 6 имеют вид секторов из электротехнической стали и содержат коронки (показаны на фиг.5 слева). Они установлены на кольце 4 пакета статора. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора: A, B и C.
Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией работает следующим образом. При подаче на обмотку статора трехфазной системы напряжений возникает вращающееся магнитное поле. Оно увлекает за собой ротор быстрого вращения. При вращении ротора быстрого вращения вместе с ним вращаются области большой магнитной индукции в дисках статора и ротора медленного вращения. В результате ротор медленного вращения поворачиваются так, что места совпадения положений магнитных секторов дисков статора и ротора медленного вращения находятся в зоне максимума модуля магнитной индукции.
р
р
р
За половину периода напряжения питания T/2=π/ω ротор быстрого вращения повернется на угол π/2, а места максимума модуля магнитной индукции повторятся. При этом ротор медленного вращения должен повернуться на один сектор, т.е. на угол 2π/z. Поэтому скорость вращения ротора медленного вращения будет ω=2ω/z. Здесь ω - угловая частота напряжения питания.
Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.
На фиг.6 показаны пути прохождения магнитного потока в аналоге [1], где требуется внешний магнитопровод. В предлагаемом электродвигателе магнитный поток проходит в осевом направлении только в рабочей зоне и не требуется его замыкание по ярму снаружи рабочей зоны. На фиг.7 показаны пути прохождения магнитного потока в данной конструкции, где внешний магнитопровод отсутствует, а объем и масса значительно меньше.
На торцевой поверхности магнитопровода 5 статора, обращенной к активной зоне, имеются ферромагнитные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.
Магнитные секторы статора и ротора выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи и гистерезис, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется. На фиг.8 показана форма листов шихтованного сектора, выполняемого из электротехнической стали.
A
На фиг.9-12 показаны графики магнитодвижущей силы и ее первой пространственной гармоники при фазе тока i соответственно 0, π/12, π/6, π/4 рад.
На фиг.13 представлены взаимные положения элементов статора и ротора медленного вращения при трех положениях ротора быстрого вращения, иллюстрирующие эффект магнитной редукции.
Передача момента от ротора быстрого вращения к ротору медленного вращения является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на валу медленного вращения он отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.
Электродвигатель не имеет механических контактов между подвижными активными частями, бесшумен в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между роторами осуществляется через магнитное поле. Различные угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения обеспечивают отсутствие магнитного прилипания и вибрации.
Таким образом, в результате того, что ротор быстрого вращения выполнен в виде индуктора с постоянными магнитами, имеющими вид секторов и намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, кольцо, ближнее к ротору быстрого вращения, имеет на поверхности, обращенной к нему, накладные зубцы с катушками, ферромагнитные элементы ротора медленного вращения и статора выполнены из электротехнической стали шихтованными, а пакет статора в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам редуктора, причем кольцо, дальнее от ротора быстрого вращения, имеет зубцы на поверхности, обращенной к диску ротора медленного вращения, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, получен синхронный электродвигатель с магнитной редукцией с технологичной конструкцией и большой скоростью вращения, а также с надежной работой на подвижном основании.