Электрическая машина с ротором, созданным по схеме Хальбаха
ELECTRIC MACHINE WITH ROTOR CREATED ACCORDING TO HALBACH SCHEME

Изобретение относится к электротехнике, в частности к синхронным электрическим машинам с мультинаправленным вектором намагниченности постоянных магнитов, и может быть использовано для двигателей и генераторов с ротором, созданным по схеме Хальбаха.
Известен Электромеханический преобразователь (патент на изобретение РФ №2302692, МГЖ Н02K 19/10), содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов - магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная, отличающийся тем, что число полюсов 2⋅р, число пар полюсов р, число сердечников статора z и число катушечных групп в фазе d связаны соотношениями:
где: k=1, 1,5, 2, 2.5, 3, 3.5… - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5 и d равно четному числу (2, 4, 6…) обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно и
и при этом
z/(2⋅p) ≠ 1.
Характеристики патента-аналога нуждаются в улучшении за счет использования схемы Хальбаха расположения векторов намагниченности постоянных магнитов его индукторов. Необходимо также обеспечить правильный момент включения фаз якоря за счет использования датчиков положения ротора.
Известна принятая в качестве прототипа Электромашина с ротором, созданным по схеме Хальбаха (патент на изобретение РФ №2720233, МПК Н02K 21/12), содержащая узел обмотки, состоящий из множества катушек, причем множество катушек расположены в форме кольца, и ротор, включающий в себя множество внешних магнитов, выполненных в виде внешнего 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 внутреннего кольца Хальбаха, причем, обмотка расположена между множеством внутренних магнитов и множеством внешних магнитов; корпус внутренних магнитов, соединенный с множеством внутренних магнитов; выходной вал, соединенный с внутренним корпусом магнитов, отличающаяся тем, что внешнее кольцо Хальбаха ротора собрано из магнитов с цикличным повторением следующей последовательности направления вектора намагниченности постоянных магнитов (на их торцевой поверхности): тангенциально, против часовой стрелки; радиально от центра; тангенциально, по часовой стрелке; радиально к центру; во внутреннем кольце Хальбаха циклично повторяются следующие направления вектора намагниченности: тангенциально, по часовой стрелке; радиально от центра; тангенциально, против часовой стрелки; радиально к центру, а направление намагниченности на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха согласованы так, чтобы магнитный поток, созданный постоянными магнитами внутреннего и внешнего колец, складывался; с внешней стороны внешнего кольца Хальбаха расположено ярмо из ферромагнитного материала, с внутренней стороны внутреннего кольца Хальбаха расположено ярмо из ферромагнитного материала, магниты закреплены на ярмах, в обмотке отсутствуют ферромагнитные элементы.
Недостатком прототипа является то, что в нем невозможно достичь высокой плотности тока якоря из-за того, что катушки обмотки якоря расположены в форме кольца. В результате, электромагнитный и вращающий моменты такой машины в режиме двигателя - невелики, удельная мощность в режиме генератора также невелика. Кроме того, распределение магнитной индукции в воздушных зазорах - несинусоидально, что приводит к снижению КПД и росту добавочных потерь.
Объектом изобретения является синхронная электрическая машина, включающая в свой состав статор из отдельных ферромагнитных зубцов, зубцовой обмотки, укомплектованный датчиками положения ротора, а также ротор, имеющий два индуктора с постоянными магнитами, намагниченными по специальной схеме Хальбаха.
Технической задачей, решаемой изобретением, является максимизация КПД (во всех режимах), а также электромагнитного момента (в двигательном режиме) и удельной мощности (в генераторном режиме).
На фигуре 1 показано поперечное сечение активной части электрической машины с ротором, созданным по схеме Хальбаха, на фигуре 2 - распределение магнитной индукции в прототипе и в электрической машине, выполненной в соответствие с изобретением.
Решение технической задачи обусловлено созданием статора (якоря), позволяющего увеличить плотность тока в якоре за счет размещения обмотки на зубцах, наличием ротора, охватывающего статор с внешней и внутренней стороны, в котором вектора намагниченности постоянных магнитов расположены по специальной схеме Хальбаха.
Техническая задача решается, согласно изобретению, совокупностью существенных признаков, представленных в п. 1 формулы.
Техническим результатом предложенного изобретения является электромашина, состоящая из ротора и статора (фиг. 1). Ротор, состоит из двух колец Хальбаха (внутреннего 1 и внешнего 2), в которых четко определены направления векторов намагниченности постоянных магнитов (показаны стрелками), а также включающий в свой состав внутреннее 3 и внешнее 4 ярма, на которых крепятся постоянные магниты внутреннего 1 и внешнего 2 колец Хальбаха. Схема Хальбаха определяет цикличное повторение следующей последовательности направления вектора намагниченности постоянных магнитов (на их торцевой поверхности) на внешнем кольце:
- под 45° во внешнем направлении по часовой стрелке по отношению к касательной;
- тангенциально, по часовой стрелке;
- под 45° в направлении во внутрь по часовой стрелке по отношению к касательной;
- радиально к центру;
- под 45° в направлении во внутрь против часовой стрелки по отношению к касательной;
- тангенциально, против часовой стрелки;
- под 45° во внешнем направлении против часовой стрелки по отношению к касательной;
- радиально от центра;
на внутреннем кольце Хальбаха циклично повторяются следующие направления вектора намагниченности:
- под 45° во внешнем направлении против часовой стрелки по отношению к касательной;
- тангенциально, против часовой стрелки;
- под 45° в направлении во внутрь против часовой стрелки по отношению к касательной;
- радиально к центру;
- под 45° в направлении во внутрь по часовой стрелке по отношению к касательной;
- тангенциально, по часовой стрелке;
- под 45° во внешнем направлении по часовой стрелке по отношению к касательной;
- радиально от центра;
m-rad
а направление намагниченности на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха согласованы так, чтобы магнитный поток, созданный постоянными магнитами внутреннего и внешнего колец, складывался. Кроме того, ширина постоянного магнита b с радиальным направлением намагниченности должна составлять половину полюсного деления τ:
m-rad
b=τ/2,
m-τ
а ширина каждого постоянного магнита b с нерадиальным направлением намагниченности должна составлять:
m-τ
b=τ/6.
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 1 и внешнего 2 колец Хальбаха, а ярма - концентрацию магнитного потока в зоне обмотки 5 якоря, намотанной на зубцах 6 для достижения максимального электромагнитного момента (в двигательном режиме) и максимальной удельной мощности (в генераторном режиме) электрической машины при обеспечении необходимой плотности тока в обмотке 5. Обмотка 5 образует фазы А, В, С. На фиг. 1 обмотка соединена в звезду с нулевой шиной 0. Точками на фиг. 1 отмечены начала катушек обмотки 5. Поскольку под обмотку 5 отводится больше места, чем в прототипе, возможно обеспечение более высокой плотности тока, и таким образом, решение технической задачи.
Кроме того, описанные направления векторов намагниченности постоянных магнитов в сочетании с широной постоянных магнитов на внутреннем и внешнем кольцах Хальбаха позволяют получить близкое к синусоиде распределение магнитной индукции 7 в любом из воздушных зазоров по сравнению с прототипом 8 (фиг. 2). Это приводит к увеличению КПД и снижению добавочных потерь по сравнению с прототипом. Следует отметить, что на фиг. 2 по оси ординат отмечены относительные значения индукции, где максимальное значение принято за единицу.
Для решения технической задачи в части обеспечения максимизации электромагнитного момента, между зубцами якоря расположены датчики положения ротора. Наиболее надежными являются датчики положения ротора, построенные с использованием эффекта Холла.
Принцип действия электромашины с ротором, созданным по схеме Хальбаха в целом соответствует принципу работы синхронных электрических машин переменного тока в двигательном и генераторном режимах.