ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВРАЩАТЕЛЬНАЯ МАШИНА С ВНУТРЕННИМИ ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ С МАГНИТОИЗОЛИРОВАННЫМИ ФАЗАМИ
MAGNETICALLY ISOLATED PHASE INTERIOR PERMANENT MAGNET ELECTRICAL ROTATING MACHINE

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Эта заявка получает приоритет по заявке на выдачу патента США № 61/431779, поданной 11 января 2011 года, озаглавленной «Independent Phase Interior Permanent Magnet Generator» («Генератор с внутренними постоянными магнитами и независимыми фазами»), полное содержание которой полностью включено в материалы настоящей заявки посредством ссылки. Публикация № 2011/0089775 заявки на выдачу патента США, поданной 19 октября 2010 года, озаглавленной «Parallel Magnetic Circuit Motor» («Двигатель с параллельными магнитными цепями»), полностью включена в материалы настоящей заявки посредством ссылки.
ФИНАНСИРОВАНИЕ ИЗ ФЕДЕРАЛЬНОГО БЮДЖЕТА
Не применимо.
ПРИЛОЖЕНИЕ НА КОМПАКТ-ДИСКЕ
Не применимо.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В традиционной вращательной машине с постоянными магнитами (PM), имеющей ротор и статор, магниты ротора нормально установлены на поверхности ярма ротора и создают магнитную индукцию в воздушном зазоре, соответствующую площади одного участка поверхности полюса постоянного магнита, которая ослабляется магнитным сопротивлением воздушного зазора. Кроме того, магниты располагаются на роторе таким образом, что два постоянных магнита являются обращенными к трем полюсам статора, чтобы обеспечивать традиционную конструкцию трехфазного двигателя/генератора переменного тока или генератора с петлевой намоткой. Поскольку поток из постоянных магнитов в этой традиционной конструкции совместно используется тремя полюсами, результат в отношении увеличения магнитной индукции в зазоре снижается. Кроме того, если один полюс в такой традиционной конструкции замыкается накоротко, замыкаются накоротко все три полюса, что приведет к стопорению машины. Это не обеспечивает отказоустойчивую конструкцию, и любой дисбаланс в одной из фаз будет искажать другие фазы.
С ростом стоимости редкоземельных материалов постоянных магнитов конструкторы вращательных машин не прекращают искать решения, которые будут уменьшать количество используемого редкоземельного материала, не принося в жертву плотность мощности. Традиционный способ достижения этой цели состоит в том, чтобы увеличивать количество зубцов статора, которые вырабатывают крутящий момент на 360 градусах [2 π радиан], которые они занимают.
Одной из таких топологий машины является однофазный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Недостаток у однофазного синхронного двигателя/генератора с постоянными магнитами [PM] состоит в том, что все из зубцов ротора и статора входят и выходят из выравнивания с одинаковыми временными или угловыми интервалами, одновременно вырабатывая свои минимальные и максимальные значения крутящего момента (двигатель) или мощности (генератор). Поэтому средняя мощность (механические мощность/крутящий момент или электрическая мощность) находится ниже, чем требуемые оптимальные крутящий момент или мощность.
Многофазная машина с постоянными магнитами будет вырабатывать более высокие средние крутящий момент или мощность, поскольку каждая фаза будет осуществлять вклад в крутящий момент или мощность на разных угловых интервалах. Однако многофазная машина с постоянными магнитами и рассосредоточенной или петлевой намоткой будет иметь один или более зубцов статора, которые не вырабатывают крутящий момент или мощность на угловом интервале, поскольку более чем один зубец формирует полюс статора. Это снижает количество вырабатывающих крутящий момент или мощность зубцов на 2 π радианах. В дополнение, фазы в многофазной машине с рассосредоточенной или петлевой намоткой и постоянными магнитами совместно используют одни и те же источники потока (то есть, постоянные магниты), что ограничивает величину имеющейся в распоряжении энергии, накопленной в магнитном поле для данной фазы, поскольку эта энергия совместно используется всеми фазами машины. Многофазная машина с сосредоточенной обмоткой увеличивает количество зубцов, вырабатывающих крутящий момент или мощность, но не принимает меры в ответ на проблему с фазами, совместно использующими один и тот же источник потока (то есть, постоянные магниты).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Статор с магнитоизолированными фазами имеет фазную секцию статора с двумя сторонами и область изоляции по каждую сторону, которая является магнитно неактивной. Фазная секция статора имеет два или более зубцов статора, определяющих полюсы статора, паз обмотки между зубцами статора и фазную обмотку, намотанную вокруг каждого зубца статора.
Еще один статор с магнитоизолированными фазами имеет две или более фазных секций статора, которые магнитно изолированы друг от друга по меньшей мере одной областью изоляции. Область изоляции является магнитно неактивной областью или участком. Каждая фазная секция статора имеет два или более зубцов статора, определяющих полюсы статора, с пазом обмотки между зубцами статора и фазной обмоткой, намотанной вокруг каждого зубца статора. Фазная обмотка является сосредоточенной обмоткой в одном из аспектов.
Вращательная электрическая машина с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами включает в себя статор с магнитоизолированными фазами, ротор и воздушный зазор между статором и ротором, определяющий область взаимодействия ротор-статор. Ротор имеет два или кратное двум число постоянных магнитов, скомпонованных с противодействующими магнитными полюсами (например, северным полюсом магнита, являющимся обращенным к северному полюсу другого магнита, или южным полюсом магнита, являющимся обращенным к южному полюсу другого магнита), что в материалах настоящей заявки указывается как параллельная компоновка. Противодействующие магнитные полюсы постоянных магнитов в роторе направляют магнитный поток через полюс ротора, через воздушный зазор области взаимодействия ротор-статор и через полюс статора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схема размеров прямоугольного постоянного магнита.
Фиг. 2 − схема магнитов на традиционном роторе.
Фиг. 3 − схема традиционного ротора.
Фиг. 4 − схема магнитов ротора в параллельной компоновке.
Фиг. 5 - схема вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 6-7 - схемы вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 8 - схема области изоляции вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами по фиг. 6-7.
Фиг. 9 - схема вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 10 - схема вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 11 - схема вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами с дуговыми сегментами.
Фиг. 12 - схема вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 13 − схема, изображающая ротор без перемычки.
Фиг. 14-15 - схемы насыщаемой перемычки в роторе.
Фиг. 16 - схема проводки для машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 17 - схема магнитной полярности вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 18-19 - схемы создания одной или более областей изоляции во вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 20-21 - схемы создания одной или более областей изоляции во вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 22-23 - схемы создания одной или более областей изоляции во вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 24 - схема зеркально отображенной вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 25 - схема зеркально отображенной вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 26 - схема зеркально отображенной вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
Фиг. 27-30 - схемы работы генератора.
Фиг. 31-32 - графики напряжения при работе генератора.
Фиг. 33 - схема полюса статора с модифицированным наконечником у статора во вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и изолированными фазами.
Фиг. 34-37 - схемы работы двигателя.
Фиг. 38-40 изображают ротор с арочной перемычкой, соединяющей секции полюсов ротора между постоянными магнитами.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Статор с магнитоизолированными фазами по настоящему раскрытию имеет две или более фазных секций статора (также указываемых как секторы), которые магнитно изолированы друг от друга по меньшей мере одной областью изоляции. Область изоляции является магнитно неактивной областью или участком, таким как один или более проемов и/или один или более участков с магнитно неактивным материалом. Каждая фазная секция статора имеет два или более зубцов статора, определяющих полюсы статора, с пазом обмотки между зубцами статора и сосредоточенной фазной обмоткой, намотанной вокруг каждого зубца статора.
Вращательная электрическая машина с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами (MIP-IPM-ERM) включает в себя вышеописанный статор, ротор и воздушный зазор между статором и ротором, определяющий область взаимодействия ротор-статор. Ротор имеет два или кратное двум число постоянных магнитов, скомпонованных с противодействующими магнитными полюсами (например, северным полюсом магнита, являющимся обращенным к северному полюсу другого магнита, или южным полюсом магнита, являющимся обращенным к южному полюсу другого магнита), что в материалах настоящей заявки указывается как параллельная компоновка. Противодействующие магнитные поля постоянных магнитов в роторе направляют магнитный поток через полюс ротора, через воздушный зазор области взаимодействия ротор-статор и через полюс статора. Машина, например, может быть сконфигурирована в качестве двигателя или генератора. Двигатель, например, может быть сконфигурирован в качестве мотора-колеса или другого двигателя. В еще одном примере машина является ветряным генератором или ветряным двигателем.
MIP-IPM-ERM обладает наибольшей активной площадью между ротором и статором (отношением полюсов статора к полюсам ротора) для многофазной машины с постоянными магнитами, что является весьма желательным. Активная площадь между ротором и статором этой машины приближается к таковой у однофазной синхронной вращательной машины с постоянными магнитами и равным образом принимает меры в ответ на проблемы с фазами, совместно использующими один и тот же источник потока, посредством магнитной изоляции каждой из фаз. То есть, если один полюс фазной секции или вся фазная секция замыкается накоротко, другие фазные секции не замыкаются накоротко и будут продолжать работать. Это обеспечивает отказоустойчивую конструкцию. Более того, никакой дисбаланс в одной из фазных секций не будет искажать другие фазные секции. По сравнению с традиционной машиной с внутренними постоянными магнитами, MIP-IPM-ERM использует на пятьдесят процентов меньше редкоземельного материала постоянных магнитов с тридцатипроцентным увеличением плотности мощности, где обе машины имеют идентичные наружные размеры или объем.
M
M
M
Фиг. 1 изображает размеры прямоугольного постоянного магнита, которые включают в себя его длину (L), ширину (W) и глубину (D). Уравнение 1 иллюстрирует гиперболическую функцию, которая соотносит магнитную индукцию, вырабатываемую постоянным магнитом, с размерами постоянного магнита, проиллюстрированными на фиг. 1.
Уравн. 1
Магнитная индукция (B) постоянного магнита обусловлена площадью поверхности его полюса, и расстояние между полюсами обуславливает напряженность (H) поля. Максимальная магнитная индукция для постоянного магнита вне магнитной цепи приблизительно равна половине остаточной магнитной индукции (Br), а максимальная магнитная индукция для постоянного магнита в цепи была бы цепью без воздушного зазора, где магнитная индукция была бы равна Br. Например, постоянный магнит, который находится в цепи без воздушного зазора, имеет напряженность поля, близкую к нулю. Когда постоянный магнит используется во вращательной машине, магнитная индукция в воздушном зазоре обеспечивает рабочее поле. Вследствие магнитного сопротивления в воздушном зазоре значение этой магнитной индукции находится между одной второй и тремя четвертыми Br.
Как показано на фиг. 2, ротор 202 некоторых традиционных двигателей имеет внутренние постоянные магниты 204. Однако магниты ротора обычно установлены на поверхности 206 ярма 208 ротора и вырабатывают магнитную индукцию в воздушном зазоре, соответствующую площади одного участка поверхности полюса постоянного магнита, которая ослабляется магнитным сопротивлением воздушного зазора. Таким образом, поток ограничен площадью поверхности полюса одного постоянного магнита 210, имеющего длину поверхности полюса в L0 дюймов. С использованием высококачественного неодимового постоянного магнита, магнитная индукция в воздушном зазоре имеет значение около 0,8 Тл.
В дополнение, как показано на фиг. 3, магниты ориентированы таким образом, что два постоянных магнита являются обращенными к трем полюсам статора, чтобы обеспечивать традиционную трехфазную конструкцию с петлевой намоткой. Поскольку поток из постоянных магнитов в этой традиционной конструкции совместно используется тремя полюсами, результат уменьшается в отношении увеличения магнитной индукции в зазоре. Кроме того, если один полюс в такой традиционной конструкции замыкается накоротко, замыкаются накоротко все три полюса, что могло бы приводить к стопорению машины, если короткое замыкание было значительным. Это не обеспечивает отказоустойчивую конструкцию. Любой дисбаланс в одной из фаз будет искажать другие фазы.
Машина по настоящему раскрытию преодолевает ограничения ослабленной магнитной индукции в воздушном зазоре, обусловленные ограничениями площади поверхности полюса постоянных магнитов. Она также обеспечивает отказоустойчивость, так как одна или более фаз могут работать, когда фаза или многочисленные фазы становятся неработоспособными. Более того, она обеспечивает балансировку фаз, так что одна фаза не будет искажать другую фазу.
Фиг. 4 изображает часть ротора 402 MIP-IPM-ERM по настоящему раскрытию, имеющего постоянные магниты 404, установленные во внутренней части 406 ярма 408 ротора. Поток из двух постоянных магнитов 410 и 412, скомпонованных параллельно, объединяется, чтобы вырабатывать магнитную индукцию внутри полюса 414 ротора, которая является гораздо большей, чем поток, вырабатываемый в полюсе ротора в традиционной вращательной машине с постоянными магнитами (PM). В машине по настоящему раскрытию поток вырабатывается двумя поверхностями полюсов постоянных магнитов с длинами L1 дюймов и L2 дюймов, каждая из которых является обращенной к поверхности полюса, которая имеет длину L3 дюймов. Таким образом, два постоянных магнита создают поток (L1+L2)/L3 через полюс 414 ротора.
Например, когда поверхность полюса магнита 210 на фиг. 2 имеет длину L0 в 0,262 дюйма, длины L1 и L2 поверхностей полюсов магнитов 410 и 412 на фиг. 4 обе имеют значение 0,375”, а длина L3 полюса 414 ротора на фиг. 4 имеет значение 0,262”, «виртуальный» постоянный магнит дает в результате ротор 402 по фиг. 4, который имеет площадь поверхности полюса, в 2,86 раза большую, чем площадь поверхности полюса магнита 210, который мог бы быть установлен на поверхности 206 ярма 208 ротора, показанного на фиг. 2.
Фиг. 5 изображает часть вращательной электрической машины 502 с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами, имеющей ротор 504 и статор 506. Ротор 504 имеет установленные внутри постоянные магниты 508, скомпонованные параллельно. Статор 506 имеет фазную секцию A 510, фазную секцию B 512 и фазную секцию C 514, каждая с витками 516, обмотанными вокруг зубца 518.
Каждая из фазных секций 510-514 статора 506 изолирована участками 520-524 магнитной изоляции, такими как области изоляции статора. То есть фазная секция статора магнитно изолирована от другой фазной секции статора участком магнитной изоляции, таким как область изоляции статора.
Область изоляции является магнитно неактивной областью или участком, таким как один или более проемов, один или более участков с магнитно неактивным материалом и/или один или более других магнитно неактивных участков. Магнитно неактивная область предохраняет постоянное магнитное поле от совместного использования между одной фазной секцией статора и другой фазной секцией статора. Таким образом, данная фазная секция статора не разделяет поток никакого постоянного магнита ротора с другой фазной секцией статора. Это предотвращает катастрофическое искажение третьей гармоники, если фазная секция статора становится несбалансированной. Более того, если отказ возникает в одной фазной секции статора, она может просто удаляться из цепи, не оказывая влияния на работу оставшихся фазных секций статора, давая в результате отказоустойчивую машину. В традиционной машине с петлевой намоткой, если фаза замыкается накоротко, даже если выходной сигнал такой фазы удаляется из цепи, короткое замыкание в отказавшей фазе будет продолжать поглощать энергию из воздушного зазора, тем самым уменьшая количество накопленной энергии в отношении других фаз и продолжая производить искажение в остальных фазах.
Фиг. 6-8 изображают примерный вариант осуществления области взаимодействия статор-ротор вращательной электрической машины 602 с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами (MIP-IPM-ERM). Несмотря на то что пример по фиг. 6-8 изображает трехфазную машину (три электрических фазы), могут использоваться две электрических фазы, четыре электрических фазы или другое количество электрических фаз. Машина, например, может быть генератором, двигателем или генератором переменного тока.
Машина 602 имеет статор 604 и ротор 606 с воздушным зазором 607 между статором и ротором, определяющим область взаимодействия статор-ротор. Статор 604 и ротор 606 каждый вращается вокруг оси вращения 608.
Статор 604 имеет две или более фазных секций 610-620 статора (также указываемых как секторы), каждая из которых магнитно изолирована друг от друга участком магнитной изоляции, таким как одна или более областей 622-632 изоляции статора. То есть ни одна фазная секция статора не использует поле постоянного магнита совместно с другой фазой. Электрические фазы статора 604 распределены равномерно. Фазные секции также равномерно распределены по статору 604 по фиг. 6. В качестве альтернативы, фазные секции могут быть распределены равномерно по половине или другой части статора.
Фазные обмотки 634 (также указываемые как витки) намотаны вокруг зубцов 636 статора (в качестве альтернативы указываемых как полюсы 637 статора) внутри пазов 638 фазных обмоток. Например, паз 638 фазной обмотки является проемом в материале 640 сердечника статора (ярма статора), и статор может иметь два или кратное двум число зубцов. Магнитный поток направляется через полюсы 636 статора.
В одном из примеров фазная обмотка является сосредоточенной обмоткой. Однако фазная обмотка может не быть (распределенной) обмоткой с петлевой намоткой, которая могла бы приводит к стопорению машины или вызывать искажение, когда одна фаза замыкается накоротко, в отношении одной или более других фаз, как пояснено в материалах настоящей заявки. Таким образом, фазная обмотка в этом примере является сосредоточенной нераспределенной обмоткой.
Несмотря на то что шесть фазных секций 610-620 статора и шесть областей 622-632 изоляции статора изображены в примере по фиг. 6-8, другое количество из двух или более фазных секций статора и другое количество из двух или более областей изоляции статора могли бы использоваться в других примерах.
Области 622-632 изоляции статора каждая может быть скомпонована на или около соответственной оси 642-652 области изоляции, к примеру на выбранном расстоянии (например, угловом или круговом расстоянии) от начала 654 отсчета. Например, начало 654 отсчета может быть намечено в качестве нуля градусов на статоре 604 вдоль оси 608 вращения, и ось 642-652 области изоляции может быть определена в качестве углового расстояния 655 (см. фиг. 7), такого как выбранное количество градусов, от начала отсчета. Ось 642-652 области изоляции может быть определена в качестве углового расстояния от другой оси области изоляции. Могут использоваться радианы, градусы или другая система мер.
В примере по фиг. 6-8 начало 654 отсчета намечено в качестве нуля градусов (или радиан), угловое расстояние до оси 642-652 области изоляции имеет значение шестьдесят градусов (или эквивалента в радианах) от начала отсчета, и каждая другая ось области изоляции определена на интервалах шестидесяти градусов (или эквивалента в радианах) от начала отсчета, например 60, 120, 180, 240, 300 и 360 (или 0). Другие угловые расстояния могут быть выбраны для других машин. Например, в одном из вариантов осуществления 2-фазной машины, угловое расстояние выбрано, чтобы иметь значение 45 градусов (или эквивалента в радианах) от выбранного начала отсчета, а в варианте осуществления 4-фазной машины расстояние выбирается, чтобы иметь значение 22,5 градуса (или эквивалента в радианах) от выбранного начала отсчета. В еще одном примере угловые расстояния между двумя или более осями областей изоляции не равны. Например, угловое расстояние от начала отсчета до первой оси области изоляции является первым угловым расстоянием, а угловое расстояние от первой оси области изоляции до второй оси области изоляции является вторым угловым расстоянием.
Выбранное начало отсчета может быть любым началом отсчета на или относительно статора. В примере по фиг. 6-8 начало 654 отсчета находится вдоль оси, проходящей от центральной точки 656 оси вращения 608 статора 604 до наружной окружности 657 статора. Угловые расстояния для каждой оси 642-652 области изоляции, изображающей каждую фазную секцию 610-620, измеряются от такого начала 654 отсчета. В качестве альтернативы, например, первое угловое расстояние для первой фазной секции 612 измеряется от начала 654 отсчета до первой оси 642 области изоляции, а второе угловое расстояние для второй фазной секции 610 измеряется от первой оси 642 области изоляции до второй оси 652 области изоляции. В качестве альтернативы, статор поделен на две или более секций, причем каждая секция имеет два конца, и причем каждый конец имеет область изоляции или часть области изоляции.
На фиг. 6 две противостоящих оси 642 и 648, 644 и 650, и 646 и 652 областей изоляции формируют плоскость 656, 658 и 660 области изоляции, соответственно, проходящую из одной области 622, 624 и 626 изоляции в противостоящую область 628, 630 и 632 изоляции, соответственно. Плоскости 656, 658 и 660 областей изоляции делят статор на шесть фазных секций.
Каждая фазная секция 610-620 статора имеет одну сторону, определенную одной областью изоляции, и другую сторону, определенную другой областью изоляции. Например, первая фазная секция 610 имеет одну сторону 664, определенную одной областью 632 изоляции, и другую сторону 666, определенную другой областью 622 изоляции. В качестве альтернативы, оси 634-644 областей изоляции определяют стороны секторов 610-620. Например, первая фазная секция 610 имеет одну сторону 664, определенную одной осью 652 области изоляции, и другую сторону 666, определенную другой осью 642 области изоляции.
Кроме того, со ссылкой на фиг. 6, половина области 622-632 изоляции сконфигурирована по каждую сторону от соответствующей оси 642-652 области изоляции в статоре 604. Например, часть, такая как половина, области 622 изоляции сконфигурирована на стороне 668 оси 652 области изоляции, а другая часть, такая как другая половина, области изоляции сконфигурирована на другой стороне 670 оси области изоляции.
Область 622-632 изоляции может быть определена в качестве углового расстояния 672 смещения, такого как смещение вокруг оси области изоляции. Несмотря на то, что фиг. 6-8 изображают половину области 622-632 изоляции, сконфигурированную по каждую сторону от плоскостей 658-662 области изоляции (и соответствующих осей областей изоляции) на противоположных сторонах статора 604, области 622-632 изоляции могут быть сконфигурированы по каждую сторону от соответствующей оси 642-652 области изоляции в статоре 604 и не строго вдоль плоскостей области изоляции (и соответствующих осей областей изоляции).
В дополнение, области изоляции не нужно разделяться пополам по оси области изоляции. Большая часть области изоляции может быть сконфигурирована по одну сторону от оси области изоляции, и меньшая часть области изоляции может быть сконфигурирована по другую сторону от оси области изоляции. Более того, длина двух или более областей изоляции вдоль оси области изоляции может быть одинаковой или разной (одна осевая длина может быть большей, чем другая). Кроме того, несмотря на то, что области 622-632 изоляции по фиг. 6-8 изображены приблизительно в качестве формы усеченного конуса, имеющей осевую длину 674 (вдоль осевого измерения), и угловое расстояние 672 смещения (угловое измерение), определяющее внутреннюю сторону 676, наружную сторону 678, одну граничную сторону 680 и другую граничную сторону 682 области изоляции, область изоляции может иметь одну или более других форм (прямоугольника/прямоугольную, круга/круглую, овала/овальную, зазубренный, сложнопрофильный участок и т.д.), и форма или формы одной области изоляции могут быть иными, чем форма или формы другой области изоляции. Вся область, охваченная одной областью изоляции может быть такой же как или иной, чем вся область, охваченная другой областью изоляции.
Одна или более областей 622-632 изоляции по выбору могут быть сконфигурированы фазными обмотками. Как изображено на фиг. 7, область изоляции является проемом, определенным в качестве углового расстояния 672 смещения, с половиной смещения по каждую сторону от оси области изоляции, и область изоляции находится на равных интервалах выбранного углового расстояния 655 фазной секции от начала отсчета. Участок 684-686 паза обмотки сконфигурирован по каждую сторону от области изоляции, с половиной паза обмотки, изображенного на фиг. 8, по каждую сторону от области изоляции. Обмотки 687 могут быть намотаны на участках 684-686 паза обмотки, к примеру, вокруг зубцов, прилегающих к участкам паза обмотки.
Как яснее изображено на фиг. 7, дуга 702 полюса определяет положение паза обмотки, например, определяя расстояние между пазами обмотки (а следовательно, зубцами ротора). Например, дуга полюса является угловым расстоянием (в градусах или радианах). Дуга 702 полюса также определяет расстояние от одной стороны области изоляции до смежного паза обмотки. В примере по фиг. 7, дуга 702 полюса является угловым расстоянием (в градусах или радианах) от одной стороны 704 области 622 изоляции до центральной точки или оси 706 смежного паза 708 обмотки или от другой стороны 710 области 622 изоляции до центральной точки или оси противостоящего смежного паза обмотки (см. фиг. 6). Дуга 702 полюса в этом примере также является угловым расстоянием (в градусах или радианах) от центральной точки или оси 706 смежного паза 708 обмотки до центральной точки или оси 712 следующего смежного паза 714 обмотки (без промежуточной области изоляции). Таким образом, расстояние от оси 642 области изоляции у области 622 изоляции до центральной точки или оси 706 смежного паза 708 обмотки является половиной углового расстояния 672 смещения плюс одно угловое расстояние 702 дуги полюса.
Вновь со ссылкой на фиг. 6 ротор 606 имеет два или более сегментов 688 ротора. Каждый сегмент ротора имеет два постоянных магнита 690-692, установленных внутри сердечника 694 ротора и сконфигурированных в параллельной компоновке c возможностью передавать магнитный поток через полюс 696 ротора. Параллельная компоновка означает, что северный магнитный полюс одного магнита является обращенным к северному магнитному полюсу другого магнита, или южный магнитный полюс одного магнита является обращенным к южному магнитному полюсу другого магнита. Оба параллельных стоящих напротив магнитных полюса, которые являются двумя полюсами одной и той же магнитной ориентации, параллельно обращенными друг к другу, указывают на один полюс статора через полюс ротора и воздушный зазор.
Первый сегмент ротора, например, имеет магнитное поле от двух внутренних постоянных магнитов ротора, сконфигурированных параллельно. Второй смежный сегмент ротора сконфигурирован противоположным магнитным полем, нежели первый сегмент ротора. Например, первый сегмент ротора сконфигурирован двумя внутренними постоянными магнитами с расположенными параллельно напротив северными полюсами, а соседний сегмент ротора сконфигурирован двумя внутренними постоянными магнитами с расположенными параллельно напротив южными полюсами.
Никакая фазная секция 610-620 статора не использует поле постоянного магнита совместно с другой фазной секцией. Как результат, каждая фазная секция магнитно изолирована и является независимой от каждой другой фазной секции. Поэтому, если одна фазная секция статора становится неработоспособной, каждая другая фазная секция по-прежнему работоспособна. Таким образом, машина 602 обладает резервированием. Более того, такая магнитная изоляция устраняет проблемы искажения 3-ей гармоники и дисбаланса фаз, когда машина сконфигурирована в качестве генератора. Когда машина сконфигурирована в качестве двигателя, она устраняет проблему стопорения двигателя, когда одна из электрических фаз замыкается накоротко.
Как описано выше, фазная секция (в качестве альтернативы, сектор) имеет два или более полюсов. Общее количество полюсов в статоре (и в секторе статора) является делимым на по меньшей мере два или кратное двум число, поэтому есть равные количества параллельных сталкивающихся магнитных полей (например, северного полюса, являющегося обращенным к северному полюсу, или южного полюса, являющегося обращенным к южному полюсу). В одном из вариантов осуществления общее количество полюсов в статоре является делимым на четыре.
В примере по фиг. 6-8 дуга полюса является количеством градусов или радиан от центра одного полюса на статоре до центра соседнего полюса на статоре без промежуточной области изоляции. Подобным образом, когда разнесение проемов между двумя соседними полюсами является равным, дуга полюса также будет иметь значение количества градусов от центра одного проема полюса в статоре до центра соседнего проема полюса в статоре без промежуточной области изоляции.
Способы, обсужденные в связи с фиг. 6, могут использоваться для создания одной или более областей изоляции для статоров, имеющих иное количество электрических фаз и иное количество фазных секций, чем показанные на фиг. 6. Например, области изоляции могут быть созданы для двухфазной, четырехфазной или других многофазных машин и/или двух, четырех и другого количества фазных секций. Более того, одна или более областей изоляции могут создаваться на роторе с использованием технологий, описанных в материалах настоящей заявки.
В одном из аспектов наибольшая активная площадь между ротором и статором достигается посредством минимизации площади каждой области изоляции статора между двумя магнитно изолированными фазами секции (также указываемыми как секторы). В этом отношении площадь области изоляции занимает минимальное угловое расстояние, такое как наименьшее количество градусов.
Дуга полюса, в градусах, определяется согласно:
Уравн. 2
Сектор (то есть, градусы в секторе) и количество полюсов на каждый сектор являются выбираемыми переменными. Величина, обратная количеству электрических фаз, равна единице, деленной на количество электрических фаз.
Фазная секция (сектор) магнитно изолирована от другой фазной секции областью изоляции. Область изоляции является участком, который магнитно изолирует две фазные секции статора друг от друга. В одном из примеров область изоляции является проемом. В еще одном примере область изоляции является одним или более проемов, таких как один или более вырезов. В еще одном примере область изоляции содержит немагнитный материал.
Должно быть отмечено, что фазная секция является иной, чем электрическая фаза. Электрическая фаза обычно является номером электрической фазы в машине, таким как фаза 2, фаза 3, фаза 4, фаза 8 и другие фазы.
Область изоляции может быть определена смещением области изоляции, угловым расстоянием, площадью или другим механизмом. В одном из примеров смещение области изоляции является смещением (в градусах), добавленным к проему между двумя полюсами статора (например, пазу обмотки), начальным и конечным угловым расстоянием от полюса, начальным и конечным угловым расстоянием по часовой стрелке (в градусах) или расстоянием против часовой стрелки (в градусах) от выбранной точки на статоре (например, от нуля градусов, 45 градусов, 60 градусов, 90 градусов, 120 градусов и т.д., центральной точки), смещением углового расстояния от начала отсчета, оси или плоскости (например, оси области изоляции или плоскости или оси фазной секции, описанной в материалах настоящей заявки) или другим расстоянием. В одном из примеров область изоляции определена проемом, имеющим смещение углового расстояния около (например, часть по каждой стороне) оси или плоскости. В еще одном примере область изоляции является проемом, и ось или плоскость (например, ось или плоскость области изоляции, описанная в материалах настоящей заявки) делит пополам область изоляции. В еще одном примере область изоляции определена проемом, который смещен между полюсом одной секции и полюсом другой секции, и общее угловое расстояние проема равно пазу обмотки плюс смещение области изоляции.
Когда смещение области изоляции определено в качестве углового расстояния, такого как от или около оси или плоскости области изоляции, начала отсчета или конца фазной секции (или начала отсчета от паза обмотки), общее смещение области изоляции (на каждый сектор) задано (в градусах) посредством:
Уравн. 3
В этом примере по меньшей мере приблизительно половина смещения области изоляции практически предусмотрена по одну сторону от сектора, а другая приблизительно половина области изоляции предусмотрена по другую сторону от сектора. Применение этого может считаться принимающим несколько форм. Поскольку область изоляции магнитно изолирует каждую секцию, половина каждой общей области изоляции фактически назначена на каждый сектор.
Общее количество полюсов статора задано согласно:
Уравн. 4
Чтобы удовлетворять геометрии ротора, дуга полюса дает в результате число, которое, когда 360 делится на дугу полюса, является делимым на 2.
Ротор имеет два или более полюсов ротора. Общее количество полюсов в роторе является делимым по меньшей мере на два или число, кратное двум, поэтому есть равное количество параллельных обращенных друг на друга магнитных полюсов (например, северный-северный или южный-южный). Общее количество полюсов ротора задано согласно:
Уравн. 5
Уравнения 2-5 могут указываться как формулы оптимизации.
Пример 2-фазной геометрии.
В одном из аспектов выбирается двухфазная геометрия. В двухфазной геометрии сектор (например, количество градусов в секторе, также указываемое как фазная секция) равен 360, деленным на число, кратное четырем, например 90, 45, 30, 22,5, 18, 15 или 12. В одном из примеров сектор (например, количество градусов на каждый сектор) выбирается, чтобы иметь значение 90 градусов, а количество полюсов статора в секторе выбирается, чтобы быть равным 12. В таком случае, по Уравнению 2, дуга полюса имеет значение 7,2 градуса:
Уравн. 6
С применением Уравнения 3, смещение области изоляции имеет значение 3,6 градуса:
Уравн. 7
И количество полюсов статора равно 48:
Уравн. 8
И количество полюсов ротора равно 50:
Уравн. 9
Другие примерные решения установлены следующей Таблицей 1.
Таблица 1
Сектор [град.]
Полюсы/сектор
Зубцы статора (суммарное количество на статор)
Полюсы ротора
18
4
80
90
18
12
240
250
18
20
400
410
22,5
4
64
72
22,5
12
192
200
30
12
144
150
45
4
32
36
45
12
96
100
90
4
16
18
90
12
48
50
Фиг. 9 показывает пример 2-фазной машины, сконструированной с использованием результатов формул оптимизации.
Пример 3-фазной геометрии.
В еще одном аспекте выбирается трехфазная геометрия. В трехфазной геометрии сектор (например, количество градусов в секторе, также указываемое как фазная секция) равен 360, деленным на число, кратное трем, например 120, 60, 30 или 15. В одном из примеров сектор (например, количество градусов на каждый сектор) выбирается, чтобы иметь значение 60 градусов, а количество полюсов статора в секторе выбирается, чтобы быть равным 8. В таком случае, по Уравнению 2, дуга полюса имеет значение 7,2 градусов:
Уравн. 10
С применением Уравнения 3, смещение области изоляции имеет значение 2,4 градусов:
Уравн. 11
И количество полюсов статора равно 48:
Уравн. 12
И количество полюсов ротора равно 50:
Уравн. 13
Другие примерные решения установлены следующей Таблицей 2.
Таблица 2
Сектор [град.]
Полюсы/сектор
Зубцы статора (суммарное количество на статор)
Полюсы ротора
30
8
96
100
60
8
48
50
Фиг. 10 показывает пример 3-фазной машины, сконструированной с использованием результатов формул оптимизации.
Далее, со ссылкой на фиг. 11 и 12, магнитная изоляция фаз не требует, чтобы фазные секции (секторы) были магнитно «связаны». Поэтому область изоляции может создаваться посредством формирования фазной секции с одним или более проемов, вырезов или углубленных внутрь участков. В качестве альтернативы, материал может быть удален с участка, прилегающего к одному или более других проемов, чтобы формировать область изоляции. Эти варианты осуществления могут использоваться для уменьшения количества материала магнитного сердечника, используемого для формирования статора.
Со ссылкой на фиг. 11, фазные секции (секторы) являются независимыми фазными секциями, разделенными на или одной или более областей изоляции. Как показано в машине 1102 по фиг. 11, фазные секции 1-6 сердечника 1104 статора могут быть сконструированы в качестве отдельных дуговых сегментов 1106-1116, соответственно, в противоположность непрерывному кольцу. Области 1118-1128 изоляции создаются посредством формирования углубленных участков в каждом дуговом сегменте. Например, первый дуговой сегмент 1106 фазной секции имеет углубленные участки 1130-1134 (в том числе, половину смещения, половину первого выреза и половину второго выреза, соответственно), а второй дуговой сегмент 1108 имеет углубленные участки 1136-1140 (в том числе половину смещения, половину первого выреза и половину второго выреза, соответственно). Каждый из дуговых сегментов 1106 и 1108 также включает в себя половину участка 1142-1144 паза обмотки. Вместе углубленные участки 1130-1134 и 1136-1140 создают область изоляции, имеющую смещение области изоляции, первый вырез и второй вырез. Тем не менее, фазная секция может иметь участок изоляции с одним или более проемов, вырезов и/или углубленных внутрь участков.
Каждый из дуговых сегментов 1106-1116 может крепиться к материалу сердечника статора, к другим дуговым сегментам в той же самой фазной секции или к другим дуговым сегментам крепежным устройством 1146-1148. Например, пакеты многослойных материалов дугового сегмента могут быть пакетированы для каждой фазной секции и скреплены штырем, заклепкой, винтом, торцевым фиксатором, зажимом, вырезами для установки фазной секции или другим крепежным устройством, которое удерживает круговую дугу фазной секции в пределах или на конструкции, такой как материал сердечника или ярмо. В качестве альтернативы, дуговой сегмент является единым многослойным материалом, прикрепленным к материалу сердечника статора.
В варианте осуществления по фиг. 11 соотношение электрическая фаза - фазная секция (например, сектор) является таким, как изложено ниже: фазные секции 1 (1106) и 4 (1112) формируют электрическую фазу 1, фазные секции 2 (1108) и 5 (1114) формируют электрическую фазу 2, а фазные секции 3 (1110) и 6 (1116) формируют электрическую фазу 3. Несмотря на то что область изоляции примера по фиг. 11 включает в себя смещение области изоляции и два участка выреза в каждом дуговом сегменте, могут использоваться одно или более смещений, один или более участков выреза и/или один или более других углубленных участков.
Далее, со ссылкой на фиг. 12, материал сердечника может удаляться с участка, смежного с одним или более других проемов, чтобы формировать область изоляции. Магнитная изоляция между фазными секциями 1202-1212 статора 1214 в машине 1216 также может достигаться или усиливаться посредством формирования одного или более других проемов 1218-1228 в областях 1230-1240 изоляции, к примеру посредством удаления материала 1242 сердечника из сердечника статора между фазными секциями, например, в областях изоляции.
Со ссылкой на фиг. 13-15, сердечник 1302 ротора машины 1304 может быть отдельными дуговыми сегментами в противоположность непрерывному кольцу. Если сердечник 1302 ротора содержит единое кольцо, сегменты присоединены друг к другу секциями 1402 «насыщаемой» перемычки (см. фиг. 14), чтобы предохранять постоянные магниты ротора от «замыкания накоротко» внутри материала сердечника ротора. Цель состоит в том, чтобы устраивать как можно больший поток постоянного магнита через воздушный зазор 1306 между ротором 1302 и статором 1308. Как показано на фиг. 13, если «насыщаемые» перемычки не используются, поток 1310 из постоянных магнитов 1312-1314 скорее просто проходил бы через ярмо 1316 ротора, нежели через воздушный зазор 1306 и через материал сердечника фазной секции статора, давая в результате замыкание накоротко потока магнита в ярме 1314 ротора.
Как показано на фиг. 14, часть ярма ротора разумно удаляется вокруг постоянных магнитов, создавая воздушные области 1404-1406, разделяющие северные (N) и южные (S) полюса постоянного магнита 1312. Небольшая секция ярма создает насыщаемую перемычку 1402, которая остается для соединения сегментов 1408-1410 ротора. Часть потока 1412 постоянного магнита (PM) пересекает насыщаемые перемычки. Поскольку секции перемычки имеют небольшое поперечное сечение, секции перемычки насыщаются и направляют большую часть потока 1412 PM через воздушный зазор 1306 в фазную секцию статора (например, сектор статора).
Со ссылкой на увеличенный вид секции 1502 ротора 1302 на фиг. 15, может быть видно, что насыщающаяся перемычка 1402 является наименьшим сечением железа 1314 ротора, которое дает потоку 1504 возможность проходить из северного полюса 1506 и южного полюса 1508 постоянного магнита 1510. Выступ 1512, добавленный (или оставшийся) в насыщающейся перемычке 1402 служит для удерживания постоянного магнита 1510 на месте и является конструктивным компонентом в противоположность существованию магнитно активного компонента.
Фиг. 16 изображает примерный вариант осуществления схемы проводки для 3-фазной машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами, с каждой из электрических фаз, повторенной дважды. Схема по фиг. 16 показывает последовательность обмоток в фазе. В качестве альтернативы, обмотки могли бы быть соединены параллельно или в комбинации параллельных и последовательных соединений.
Магнитная полярность постоянного магнита ротора
Со ссылкой на вариант осуществления по фиг. 17, количество градусов, которое занимает область изоляции в статоре, определяется количеством выбранных электрических фаз и дугой полюса для полюсов в пределах фазной секции. В примерных формулах оптимизации в материалах настоящей заявки, дуга полюса является зависящей от других переменных. Например, могут быть идентифицированы дуги полюсов, которые имеют большую долю или другую долю градуса. Если количество полюсов статора, показанных в трехфазном варианте осуществления по фиг. 10 (уравнениях 10-13), было бы увеличено с 8 полюсов (которые изображены на фиг. 17) до 12 полюсов, уравнения возвращали бы дугу полюса в 4,864864864…64 градуса. Было бы трудным производить статор с дугами полюсов до такой доли градуса, поскольку дробная часть градусов приводила бы к накопленной погрешности на 360 градусах. Тем не менее, эти дуги полюса не исключены из объема этого раскрытия, поскольку, в ином случае, накопленная погрешность могла бы равномерно распределяться между фазами. Эти дуги полюсов работали бы для формирования действующей машины с использованием способов, описанных в материалах настоящей заявки. Например, для двухфазной машины, количество градусов, которое занимала бы магнитоизолированная область между фазными секциями, является дугой полюса, деленной на два. Для трехфазной машины, количество градусов, которое занимала бы магнитоизолированная область между фазными секциями, является дугой полюса, деленной на три. Для четырехфазной машины, количество градусов, которое занимала бы магнитоизолированная область между фазными секциями, является дугой полюса, деленной на четыре, и так далее. Количество градусов, которое занимает область изоляции, также определяет как механическое, так и электрическое смещение в градусах между фазами.
Фиг. 18-19 изображают еще один примерный вариант осуществления создания одной или более областей изоляции в двухфазной вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами. Секция 1802 статора однофазной топологии изображена на фиг. 18. Секция 1802 статора разделена на два сегмента 1804 и 1806 статора, и второй сегмент статора повернут по часовой стрелке на количество градусов, равное половине дуги полюса. В вышеприведенном примере по фиг. 10 дуга полюса имеет значение 7,2 градуса. Продолжая тот пример, второй сегмент 1806 повернут на 3,6 градуса. Полость 1808 в сердечнике 1810 статора после поворота второго сегмента 1806 статора становится областью изоляции, и каждый из сегментов статора становится фазной секцией машины. Если ротор 1812 поворачивался против часовой стрелки, опережение зубцом ротора (расстояния) одного зубца статора представляет 180 электрических градусов для фазы, созданной первым сегментом 1804 статора. Поскольку второй сегмент 1806 статора поворачивался по часовой стрелке, и ротор является вращающимся против часовой стрелки, фаза, созданная вторым сегментом 1806 статора, будет «опережать» фазу, созданную первым сегментом 1804 статора, на 90 электрических градусов. Зависимость между механическими градусами от электрических градусов задана согласно:
дуга полюса=7,2 градуса, и
Поэтому каждый механический градус равен двадцати пяти электрическим градусам. Посредством поворота второго сегмента 1806 статора на 3,6 механического градуса, сдвиг в электрических градусах между фазами имеет значение 90 градусов, как показано согласно:
25 градусов ∙ 3,6=90 градусов; поэтому 180 градусов - 90 градусов=90 градусов.
Фиг. 20-21 изображают еще один примерный вариант осуществления создания одной или более областей изоляции в трехфазной вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами. Секция 2002 статора однофазной топологии изображена на фиг. 20. Сегмент 2002 статора разделен на три сегмента 2004-2008 статора. Второй и третий сегменты 2006-2008 статора поворачиваются по часовой стрелке на количество градусов, равное одной трети дуги полюса. В вышеприведенном примере, где дуга полюса имеет значение 7,2 градуса, второй и третий сегменты 2006-2008 статора поворачиваются на 2,4 градуса относительно первого сегмента 2004 статора. Затем третий сегмент 2008 статора поворачивается на 2,4 градуса относительно второго сегмента 2006 статора. Полости 2010-2012 в сердечнике 2014 статора после поворота второго и третьего сегментов 2006-2008 статора становятся областями изоляции, и каждый из сегментов 2004-2008 статора становится фазной секцией машины. Как и в обсуждении двухфазной, было определено, что один механический градус равен 25 электрическим градусам. Поскольку второй сегмент 2006 статора поворачивался по часовой стрелке на 2,4 градуса относительно первого сегмента 2004 статора, а третий сегмент 2008 статора поворачивался по часовой стрелке на 2,4 градуса относительно второго сегмента 2006 статора, в результате получаем следующие зависимости фаз:
25 градусов ∙ 2,4=60 градусов; поэтому 180 градусов - 60 градусов=120 градусов.
Каждая из фаз машины, в таком случае, имеет фазовый сдвиг 120 электрических градусов между друг другом.
Фиг. 22-23 изображают еще один примерный вариант осуществления создания одной или более областей изоляции в четырехфазной вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами. Секция 2202 статора однофазной топологии изображена на фиг. 22. Секция 2202 статора разделена на четыре сегмента 2204-2210 статора. Второй, третий и четвертый сегменты 2206-2210 статора поворачивают по часовой стрелке на количество градусов, равное одной четвертой дуги полюса. В примере, где дуга полюса имеет значение 7,2 градуса, второй, третий и четвертый сегменты 2206-2210 статора повернуты на 1,8 градуса относительно первого сегмента 2204 статора. В таком случае, третий и четвертый сегменты 2208-2210 статора повернуты на 1,8 градуса относительно второго сегмента 2206 статора, а четвертый сегмент 2210 статора повернут на 1,8 градуса относительно третьего сегмента 2208 статора. Полости 2212-2216 в сердечнике 2218 статора после поворота второго, третьего и четвертого сегментов 2206-2210 статора становятся областями изоляции, и каждый из сегментов 2204-2210 статора становится фазной секцией машины. Как и в обсуждении двухфазной, было определено, что один механический градус равен 25 электрическим градусам. Поскольку второй, третий и четвертый сегменты 2206-2210 статора поворачивались по часовой стрелке на 1,8 механического градуса относительно друг друга, результатом являются следующие зависимости фаз:
25 градусов ∙ 1,8=45 градусов.
Каждая из фаз машины, в таком случае, имеет фазовый сдвиг 45 электрических градусов между друг другом.
Двигатель с любым количеством электрических фаз может создаваться во вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами.
В примерах, приведенных выше, двухфазная вращательная электрическая машина с постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами имела бы четыре сегмента статора, каждый покрывает 90 градусов с 12 зубцами на каждый сегмент, трехфазная вращательная электрическая машина с постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами имела бы шесть сегментов статора, каждый покрывает 60 градусов с 8 зубцами на каждый сегмент, а четырехфазная вращательная электрическая машина с постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами имела бы восемь сегментов статора, каждый покрывает 45 градусов с 6 зубцами на каждый сегмент, причем все имеют дугу полюса в 7,2 градуса. Это дало бы в результате все три машины, имеющие 48 зубцов статора и 50 зубцов ротора. Однако могут быть созданы и использоваться другие машины, имеющие другие количества сегментов статора/фазных секций, электрических градусов для сегмента/фазной секции, зубцов статора, зубцов ротора, дуги полюса и смещения.
Во вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами все из зубцов статора являются вырабатывающими крутящий момент одновременно и на разных угловых интервалах, тем самым, вырабатывая крутящий момент или мощность в области взаимодействия статора и ротора в 96% (48 зубцов статора/50 зубцов ротора) в противоположность 70% или менее для большинства традиционных вращательных машин с постоянными магнитами.
Со ссылкой на фиг. 24, еще один вариант осуществления для зеркально отображенной вращательной электрической машины 2402 с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами основан на распределении требуемого количества фазных секций на 180 градусах угла, а затем «зеркальном отображении» компоновки фазной секции на оставшихся 180 градусах.
Электрические фазы в статоре распределены равномерно. В одном из примеров один или более наборов из двух противостоящих областей 2404 и 2406 изоляции являются большими, чем один или более наборов из двух других областей 2408-2414 изоляции, в том числе один или более наборов из двух противостоящих областей изоляции (2408 и 2412; 2410 и 2414) или областей изоляции, которые, в ином случае, магнитно изолируют фазные секции. Однако электрические фазы распределены равномерно. Например, машина разделена на верхнюю половину 2416 и нижнюю половину 2418 вдоль оси 2420 деления или зеркального отображения. Противостоящий набор областей 2404 и 2406 изоляции, делящих верхнюю и нижнюю половины 2416-2418, имеет площадь области изоляции, которая является большей, чем области 2408-2414 изоляции в верхней и нижней половинах.
Этот способ может использоваться для конструирования вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами, когда формулы оптимизации не возвращают требуемый результат для данного количества полюсов ротора, зубцов на каждый сегмент или другого расчетного критерия. Например, в трехфазной топологии, в которой может быть желательным, чтобы ротор имел 30 полюсов, уравнения оптимизации возвращали бы дугу полюса 11,996800853105839 градуса и требовали бы 4,668 зубца на каждый сегмент. Поэтому могла бы использоваться дуга полюса в 12 градусов (360/30). По-прежнему было бы желательно использовать оптимизированное угловое смещение (сдвиг) для области изоляции. В этом случае, 12 градусов делятся на 3 (например, количество электрических фаз). Поэтому область изоляции была бы равной 4 градусам. Три сегмента статора, разделенные двумя областями изоляции, равномерно распределены на 180 градусах, а затем зеркально отображены на оставшихся 180 градусах. Это будет приводить к областям изоляции с разным угловым сдвигом, расположенным на оси зеркального отображения, где происходит зеркальное отображение.
В качестве альтернативы, как изображено на фиг. 25, три сегмента статора, занимающие первые 180 градусов, могли бы быть разделены двумя изолированными областями, равняющимися двум третям дуги полюса без потери сдвига 120 электрических градусов между тремя фазами. Эта компоновка зеркально отображается на оставшиеся 180 градусов. Способы по фиг. 24-25 для создания зеркально отображенной машины дополнительно снижают стоимость редкоземельных магнитов, тем самым давая в результате двигатели низкой стоимости с малым потреблением мощности. Зеркально отображенная машина по фиг. 24-25 является альтернативой оптимизированной машине по фиг. 6 и 10.
Со ссылкой на фиг. 26, как с оптимизированной вращательной электрической машиной с внутренними постоянными магнитами и изолированными фазами, описанной выше, материал 2602 сердечника статора в областях изоляции зеркально отображенной машины 2604 также мог бы быть удален. В этом примере дуговые сегменты 2606-2616 статора созданы для фазных секций, как в примере по фиг. 11, хотя использование подхода зеркально отображенной машины по меньшей мере с двумя противостоящими областями 2618-2620 изоляции, являющимися большими, чем две или более других противостоящих области 2622-2628 изоляции или другие области изоляции.
Работа генератора
Далее, со ссылкой на фиг. 27-31, в этом примере вращательная электрическая машина с внутренними постоянными магнитами и магнитоизолированными фазами является работающей в качестве генератора. Угловая секция статора 2702 и ротора 2704 показана с тремя фазными секциями 2706-2710 или сегментами статора (фазой один 2706, фазой два 2708 и фазой три 2710), с двумя зубцами на каждую фазную секцию статора. Этот упрощенный подход используется для облегчения иллюстрации и пояснения принципов работы генератора и не обязательно представляет предпочтительный вариант осуществления.
Начальное угловое положение ротора бывает с зубцами фазы 1 ротора и статора, расположенными вдоль одной линии, и находится на обоих нулевых электрических и нулевых механических градусах (фиг. 27), и равным образом, в нуле на оси графиков выходного сигнала напряжения по фиг. 31 (механического угла фазы 1) и фиг. 32 (электрического угла фазы 1). В фазе 2 полюсы ротора «выходят» из выравнивания на 2,4 механического градуса, когда фаза 1 находится на 0 механических градусов и находится на -120 электрических градусов, как показано на графиках выходного сигнала напряжения по фиг. 31-32. В фазе 3 полюсы ротора «входят» в выравнивание на 4,8 механического градуса, когда фаза 1 находится на 0 механических градусов и находится на 120 электрических градусов, как показано на графиках выходного сигнала напряжения по фиг. 31-32.
Ротор является вращающимся против часовой стрелки. В момент, показанный на фиг. 28, зубцы фазы 1 статора и ротора выходят из выравнивания на 2,4 механического градуса и находятся на 60 электрических градусах на графиках напряжения по фиг. 31-32. Полюсы фазы 3 ротора и статора входят в выравнивание и находятся на 0 механических градусов и на 0 электрических градусов на графиках напряжения по фиг. 31-32. Фаза 2 подвергалась перемагничиванию, в то время как она проходила через 3,6 механического градуса, и следующий набор зубцов ротора далее входит в выравнивание со своими зубцами статора и находится на 4,8 механического градуса и на -60 электрических градусах, как показано на графиках напряжения по фиг. 31-32.
В то время, как ротор продолжает вращение против часовой стрелки, и в момент, показанный на фиг. 29, фаза 1 подвергалась перемагничиванию по мере того, как проходила через 3,6 механического градуса, и следующий набор зубцов ротора далее входит в выравнивание со своими зубцами статора и находится на 4,8 механического градуса и находится на 120 электрических градусах на графиках напряжения по фиг. 31-32. Полюсы фазы 2 ротора и статора входят в выравнивание и находятся на 0 механических градусов и на 0 электрических градусов на графиках напряжения по фиг. 31-32. Зубцы фазы 3 ротора и статора далее выходят из выравнивания на 2,4 механического градуса и теперь находятся на -60 электрических градусах на графиках напряжения по фиг. 31-32.
По мере того, как ротор продолжает вращение против часовой стрелки, и в момент, показанный на фиг. 30, все из фаз возвращаются на те же механические градусы, как показанные на фиг. 27. Фаза 1 находится на 0 механических градусов, фаза 2 находится на 2,4 механического градуса, а фаза 3 находится на 4,8 механического градуса. Разница между фиг. 27 и фиг. 30 состоит в том, что поток изменил направление на обратное по всем из фазных обмоток и электрических градусов для каждой из фаз, которыми являются фаза 1: 0 электрических градусов, фаза 2: 120 электрических градусов, и фаза 3: - 120 электрических градусов, как показано на графиках напряжения по фиг. 31-32.
Наведенное напряжение во вращательной электрической машине с внутренними постоянными магнитами и изолированными фазами, работающей в качестве генератора, подчиняется закону Фарадея, как у других генераторов.
Уравн. 18
Где N=число витков, dΦ=изменение потока (в Вб), а dt=приращение времени, в течение которого происходит изменение потока. Во вращательных машинах dt типично замещается секундами/радиан.
Форма выходного сигнала для генератора, использующего топологию вращательной электрической машины с внутренними постоянными магнитами и изолированными фазами, может настраиваться с использованием профилирования полюсов. Например, если форма выходного сигнала походит на прямоугольную волну, полюсы могут быть профилированы, чтобы точнее аппроксимировать синусоиду, посредством удаления материала с вершин (зубца) полюсов статора, чтобы создавать полюс (зубец) 3302 статора с модифицированной (срезанной/удаленной) вершиной, или, в качестве альтернативы, вершины полюсов ротора, как изображенные на фиг. 33.
Режим работы двигателя
Далее, со ссылкой на фиг. 34-37, примерная вращательная электрическая машина 3402 с внутренними постоянными магнитами и изолированными фазами действует в качестве двигателя. Угловая секция статора 3404 и ротора 3406 показана с тремя фазными секциями 3408-3412 или сегментами статора (фазой один 3408, фазой два 3410 и фазой три 3412), с 2 зубцами на каждую фазную секцию статора. Этот упрощенный подход используется для облегчения иллюстрации и пояснения принципов работы двигателя и не обязательно представляет предпочтительный вариант осуществления.
На фиг. 34 зубцы фазы один 3408 статора выровнены с зубцом ротора, зубцы фазы два 3410 статора смещены на 2,4 градуса от «ведущих» зубцов ротора, и фаза три 3412 смещена на 2,4 градуса от «замыкающих» зубцов ротора, при условии вращения ротора 3604 против часовой стрелки. В этом положении ротора витки в фазах двигателя (намотанные на зубцы) возбуждаются для создания показанных полярностей. Силы, действующие на ротор 3406 в этом положении, обусловлены возбуждением витков и созданием магнитного потока, который отталкивает или притягивает сегмент ротора вследствие потока из постоянного магнита, проходящего через сегмент ротора. Поток, вырабатываемый витком фазы 1, будет отталкивающим выровненные сегменты ротора, поток, вырабатываемый витками в фазе 2 и фазе 3, будет отталкивать «ведущие» сегменты ротора и притягивать «замыкающие» сегменты ротора. Сумма сил, действующих на ротор, будет вращать ротор 3406 в направлении против часовой стрелки.
По мере того, как ротор 3406 вращается в направлении против часовой стрелки, как только ротор переместился на угловое расстояние 2,4 градуса, фиг. 35, полюсы ротора будут выходить из выравнивания с зубцами фазы 1 ротора, полюсы ротора будут осуществлять опережение на 2,4 градуса относительно зубцов фазы 2 статора, и полюсы ротора будут входить в выравнивание с зубцами фазы 3 статора. Ток через витки, намотанные на зубцах фазы 3 статора, меняется на противоположный, что в свою очередь обращает магнитные полярности на зубцах фазы 3 ротора, чтобы отталкивать выровненные зубцы ротора, поддерживая вращение ротора в направлении против часовой стрелки.
Ротор 3406 продолжает вращаться в направлении против часовой стрелки. Как только ротор 3406 продвинулся еще на 2,4 градуса, фиг. 36, полюсы ротора вступают в выравнивание на фазе 2. Ток через витки, намотанные на фазе 2 статора, меняется на противоположный, что в свою очередь обращает магнитные полярности на зубцах фазы 2 ротора, чтобы отталкивать выровненные зубцы ротора, поддерживая вращение ротора в направлении против часовой стрелки.
Как только ротор 3406 продвинулся еще на 2,4 градуса по углу, фиг. 37, полюсы ротора переходят обратно в выравнивание с зубцами фазы 1 статора. Ток через витки, намотанные на зубцах фазы 1 статора, меняется на противоположный, что в свою очередь обращает магнитные полярности на зубцах фазы 1 ротора, чтобы отталкивать выровненные зубцы ротора, поддерживая вращение ротора в направлении против часовой стрелки.
Это последовательное переключение витков, намотанных на каждом из зубцов фазы статора, будет продолжать вращение ротора в направлении против часовой стрелки. В качестве альтернативы, если бы магнитные полярности обращались на зубцах фаз 2 и 3 ротора, начиная в положении, показанном на фиг. 34, ротор вращался бы в направлении по часовой стрелке. Сумма магнитных сил, вырабатываемых на роторе током в фазных витках, будет проявляться в качестве крутящего момента на выходном валу двигателя. Некоторое опережение или запаздывание угла переключения 2,4 градусов может выполняться для оптимизации рабочих характеристик вследствие действий индуктивных сопротивлений и противоэлектродвижущих сил.
В одном из вариантов осуществления, как изображено на фиг. 38-40, ротор имеет перемычку, соединяющую секции полюсов ротора между постоянными магнитами. Перемычка в этом варианте осуществления сконфигурирована в качестве или с внутренней аркой или другой аркой. Арка устраняет слабое механическое место у ротора, имеющего вырез в перемычке, соединяющей секции полюсов ротора между постоянными магнитами.
Арка устраняет необходимость вставлять дополнительные немагнитные многослойные материалы, значительно уменьшая количество деталей, стоимость и требования к технологическому процессу.
Арка уменьшает сопротивление воздуха (и сопровождающий шум), которое присуще традиционным областям взаимодействия ротор-статор, создавая гладкую поверхность на роторе. Это также уменьшает аэродинамическое сопротивление и увеличивает эффективность. Поскольку потери на сопротивление воздуха возрастают в качестве функции скорости, арка дает значительное преимущество во время более высокой скорости и работы на переменной скорости.
Арка снижает силы изменения мгновенной скорости вращения и момента без необходимости в скашивании многослойных материалов в роторе или статоре. Это также уменьшает аэродинамическое сопротивление и увеличивает эффективность.
Специалисты в данной области техники будут принимать во внимание, что отклонения от специфичных вариантов осуществления, раскрытых выше, предполагаются изобретением. Изобретение не должно ограничиваться вышеприведенными вариантами осуществления, но должно осмысливаться согласно следующей формуле изобретения.