ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области электрических машин и предназначена для использования в перспективных разработках аэрокосмической техники, в частности более электрического самолета и полностью электрического самолета.
Известен композитный статор и ротор для электродвигателя [патент ЕР 1050946 A3, H02K 1/185, 2000 г.], в которых статор для электродвигателя имеет внешний кольцевой элемент, выполненный из полимерного материала, и поддерживается рамой при помощи крышек статора и внутренним фланцевым составным кольцевым элементом, изготовленным из полимерного материала, который имеет форму стальной ленты. Шихтованные листы и обмотки катушки установлены внутри стальной ленты, а внешняя обмотка из полимерного материала герметизирует стальную ленту, шихтованные листы и обмотки катушки. Ротора включает в себя стальную втулку, окруженную дискообразным элементом, выполненным из полимерного материала и имеющим внутреннее и внешнее кольца, соединенные радиальными рычагами. Неферромагнитная стальная полоса окружает периферийную поверхность дискообразного элемента, а шихтованные листы и магниты или обмотки катушки расположены на стальной полосе и помещены в оболочку из полимерного материала.
Недостатками аналога являются большая масса и габариты вследствие применения традиционных электротехнических материалов, а также технологическая сложность сборки.
Известен композитный вал электродвигателя [патент US 6072252 А, H02K 7/16, 1998 г.], содержащий множество чередующихся аксиально распределенных сегментов, соединенных вместе, включая корпусную секцию, сформированную из композитного материала, и металлические поперечные сегменты, прикрепленные к каждому концу композитной корпусной секции, втулку, сформированную из композитного материала на наружной поверхности составного корпуса, продольно проходящие металлические ребра, установленные на втулке, и ротор, установленный на металлических ребрах.
Недостатками аналога являются технологическая сложность сборки, снижение надежности из-за увеличенного числа составных деталей.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала [патент RU №2648677 C1, H02K 1/14, 06.07.2017], содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала, размещенные в середине полюсов ротора, причем обмотка статора выполнена из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на внешнем защитном экране, между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, на внешней поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка.
Недостатком ближайшего аналога является использование высокотемпературных сверхпроводниковых материалов, что накладывает ограничения в использовании. Кроме того, данная конструкция не обладает существенными преимуществами по массогабаритным показателям.
Задача полезной модели - расширение функциональных возможностей и минимизация массогабаритных показателей.
Техническим результатом является повышение удельной мощности, благодаря применению композитных материалов.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в электрической машине из композитных материалов, содержащей корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, на внешней поверхности которого расположена тонкостенная оболочка, согласно полезной модели корпус выполнен из прессованного композитного материала, зубчатый сердечник статора выполнен из прессованного магнитомягкого порошкового композитного материала, проводники многофазной многополюсной обмотки, расположенные в пазах зубчатого сердечника статора, выполнены из углеродных нанотрубок, причем в пазах зубчатого сердечника статора рядом с проводниками обмотки расположены полые трубки охлаждения из композитного материала с высокой теплопроводностью с возможностью прохождения по ним хладагента, которые соединены между собой и составляют систему охлаждения с одним входом и одним выходом для прохождения хладагента, а чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями выполнены из полимерных постоянных магнитов, созданных при помощи трехмерной печати, тонкостенная оболочка, расположенная на внешней поверхности ротора, выполнена из углеродных или арамидных волокон, при этом вал, на котором расположен массив блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, выполнен из материала на основе углеродного волокна, подшипники, установленные на валу, выполнены из композитного материала на основе нитрида кремния.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
на фиг. 1 представлен поперечный разрез электрической машины из композитных материалов;
на фиг. 2 представлен продольный разрез электрической машины из композитных материалов.
Электрическая машина из композитных материалов (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором размещены статор 2 с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой 3, ротор 4, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной 5 и тангенциальной 6 намагниченностями, на внешней поверхности которого расположена тонкостенная оболочка 7. Кроме того, корпус 1 выполнен из прессованного композитного материала, например, из стекловолокнитов, зубчатый сердечник статора 8, расположенный в корпусе 1, выполнен из прессованного магнитомягкого порошкового композитного материала, к примеру, из материала марки Somaloy 700Р, проводники многофазной многополюсной обмотки 3, расположенные в пазах зубчатого сердечника статора 8, выполнены из углеродных нанотрубок, причем в пазах зубчатого сердечника статора 8 рядом с проводниками обмотки 3 расположены полые трубки охлаждения 9 из композитного материала с высокой теплопроводностью, например из Araldite CW с возможностью прохождения по ним хладагента, которые соединены между собой и составляют систему охлаждения с одним входом и одним выходом для прохождения хладагента. Чередующиеся постоянные магниты с радиальной 5 и тангенциальной 6 намагниченностями выполнены из полимерных постоянных магнитов, например, из материала марки MQ1-12, созданных при помощи трехмерной печати. Тонкостенная оболочка 7, расположенная на внешней поверхности ротора 4, выполнена из углеродных (CFRP DW 231) или арамидных (AFRP DW 152) волокон, при этом вал 10, на котором расположен массив блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной 5 и тангенциальной 6 намагниченностями, выполнен из материала на основе углеродного волокна, например, из CFRP DW 231. Подшипники 11 (фиг. 2), установленные на валу, выполнены из композитного материала на основе нитрида кремния.
Электрическая машина из композитных материалов в режиме генератора работает следующим образом. При вращении ротора 4 магнитное поле чередующихся постоянных магнитов с радиальной 5 и тангенциальной 6 намагниченностями проходит через немагнитный зазор электрической машины к зубцам сердечника статора 7 и индуцирует в многофазной многополюсной обмотке 3 многофазную электродвижущую силу. За счет использования прессованного магнитомягкого порошкового композитного материала потери на вихревые токи в зубчатом сердечнике статора 7 снижаются. При этом тепловые потери в многофазной многополюсной обмотке 3 и зубчатом сердечнике статора 7 отводятся полыми трубками 8 из композитного материала, по которым протекает хладагент. Это позволяет улучшить тепловые характеристики электрической машины, а именно увеличить теплоотвод благодаря полым трубкам 8 из композитного материала. Применение подшипников 11 из композитного материала на основе нитрида кремния с низким коэффициентом трения позволяет снизить механические потери при вращении ротора 4. При этом достигается минимизация массогабаритных показателей электрической машины благодаря использованию композитных материалов с более низкой плотностью, с сохранением выходной мощности как в электрической машине с традиционными электротехническими материалами. Процессы в режиме двигателя в электрической машине протекают аналогично описанному режиму генератора.
Для подтверждения достижения заявленного технического результата проведен сравнительный анализ компьютерных моделей электрических машин с традиционными электротехническими материалами и композитными материалами. Компьютерные модели сравниваемых электрических машин были верифицированы на экспериментальных образцах. По результатам расчетов полная масса электрической машины с композитными материалами снизилась на 50,5%, а температура обмоток снизилась на 10,2%. Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что электрическая машина из композитных материалов обеспечивает повышение тепловых характеристик и минимизацию массогабаритных показателей по сравнению с электрической машиной из традиционных электротехнических материалов.
Таким образом, достигается расширение функциональных возможностей, минимизация массогабаритных показателей, а также улучшение тепловых характеристик, благодаря применению композитных материалов в электрической машине.
В результате повышается удельная мощность и улучшается теплоотвод, благодаря применению композитных материалов в электрической машине.