ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRIC MACHINE (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкциям электрического генератора или двигателя, более конкретно к бесщеточным электродвижущим устройствам такого типа, и может быть использовано для привода транспортных средств.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен из международной заявки WO 03030333 (опубл. 04.10.2003) электрический двигатель, содержащий ротор, включающий два круговых ряда постоянных магнитов; и статор, включающий круговой ряд отделенных друг от друга электромагнитов, распределенных на неферромагнитном основании. Постоянные магниты в круговом ряду распределены равномерно с чередованием полярности. Каждый магнитопроводящий элемент электромагнита имеет связанные связующей частью две отнесенные друг от друга в осевом относительно оси вращения направлении полюсные части. Угловые размеры полюсных поверхностей полюсных частей имеют по существу одинаковую величину. Полюсные поверхности магнитопроводящего элемента отделены от полюсных поверхностей постоянных магнитов радиальным рабочим зазором. Обмотка электромагнита размещена на связующей части магнитопроводящего элемента.
Недостатком известного технического решения является предложенное выполнение магнитопроводящего элемента, при котором создающая магнитодвижущую силу часть обмотки, расположенная между полюсными частями магнитопроводящего элемента, по длине составляет меньше половины длины всей обмотки, что приводит к высоким тепловым потерям в обмотке и делает невозможным увеличение вращающего момента без увеличения магнитодвижущей силы, а также уменьшение тепловых потерь в обмотках без увеличения массы обмоток.
Известен из патента США №6727630 (опубл. 27.04.2004) электрический двигатель, содержащий ротор, включающий круговой ряд постоянных магнитов; и статор, включающий круговой ряд отделенных друг от друга электромагнитов, которые распределены на неферромагнитном основании. Постоянные магниты в круговом ряду распределены равномерно с чередованием полярности. Каждый магнитопроводящий элемент электромагнита имеет связанные связующей частью две отнесенные друг от друга в окружном относительно оси вращения направлении полюсные части. Угловые размеры полюсных поверхностей имеют по существу одинаковую величину. Полюсные поверхности магнитопроводящего элемента отделены от полюсных поверхностей постоянных магнитов радиальным рабочим зазором. Обмотка электромагнита выполнена из двух катушек, размещенных на полюсных частях магнитопроводящего элемента.
Известен из патентной заявки JP 2000050610 (опубл. 18.02.2000) электрический двигатель, содержащий ротор, включающий круговой ряд постоянных магнитных полюсов, и статор, включающий круговой ряд отделенных друг от друга электромагнитов, распределенных на неферромагнитном основании. Постоянные магнитные полюсы в круговом ряду распределены равномерно с чередованием полярности. Каждый магнитопроводящий элемент электромагнита имеет связанные связующей частью две отнесенные друг от друга в окружном относительно оси вращения направлении полюсные части. Угловые размеры полюсных поверхностей имеют по существу одинаковую величину. Полюсные поверхности магнитопроводящих элементов отделены от полюсных поверхностей постоянных магнитов радиальным рабочим зазором. Обмотка электромагнита размещена на связующей части.
Общим недостатком, присущим известным из патента США №6727630 и заявки на патент JP 2000050610 техническим решениям, является предложенное выполнение магнитопроводящего элемента, при котором создающая магнитодвижущую силу часть обмотки, расположенная между полюсными частями магнитопроводящего элемента, по длине составляет меньше половины длины всей обмотки, что приводит к высоким тепловым потерям в обмотке и делает невозможным увеличение вращающего момента без увеличения магнитодвижущее силы, а также увеличение магнитодвижущей силы без увеличения тепловых потерь в обмотках.
Известен из международной заявки WO 2006115071 (опубл. 02.11.2006) электрический двигатель, содержащий ротор, включающий множество распределенных в круговом ряду пар постоянных магнитов; и статор, включающий круговой ряд отделенных друг от друга электромагнитов. Постоянные магниты в паре установлены рядом друг с другом так, что их полюсные поверхности параллельны, обращены друг к другу одноименными полярностями и пересекают окружное направление. Каждый магнитопроводящий элемент электромагнита имеет центральную полюсную часть и две связанные с ней связующими частями боковые полюсные части. Все полюсные поверхности магнитопроводящего элемента лежат в одной плоскости, параллельной оси вращения, и отделены от кругового ряда пар постоянных магнитов зазором. При этом центры полюсных поверхностей центральных полюсных частей всех магнитопроводящих элементов лежат на одной окружности, а центры боковых полюсных частей лежат на другой окружности. Круговой ряд электромагнитов охватывает круговой ряд пар постоянных магнитов. Обмотка электромагнита размещена на центральной полюсной части магнитопроводящего элемента.
Недостатком известного технического решения является по сравнению с вышеописанными аналогами низкий вращающий момент при больших тепловых потерях в обмотках ввиду большого магнитного сопротивления зазора между полюсными поверхностями. Недостатком является также импульсный характера вращения, принцип которого основан на отталкивании обращенных друг к другу магнитных полюсов пары от полюсных поверхностей центральной полюсной части. Кроме того, известное техническое решение не допускает возможность такого его выполнения, при котором круговой ряд пар постоянных магнитов охватывал бы круговой ряд электромагнитов.
В качестве ближайшего аналога выбран известный из патента США №6710502 (опубл. 23.03.2004) электрический двигатель, содержащий ротор, включающий три круговых ряда связанных магнитной цепью постоянных магнитов; и статор, включающий круговой ряд отделенных друг от друга электромагнитов, распределенных на неферромагнитном основании. В круговом ряду постоянные магниты распределены равномерно и с чередованием полярности. Каждый магнитопроводящий элемент электромагнита имеет центральную полюсную часть и две связанные с ней связующими частями боковые полюсные части, отнесенные от противолежащих в осевом относительно оси вращения направлении сторон центральной полюсной части. Угловые размеры полюсных поверхностей полюсных частей имеют по существу одинаковую величину. Полюсные поверхности магнитопроводящего элемента отделены от полюсных поверхностей постоянных магнитов радиальным рабочим зазором. Обмотка электромагнита выполнена из двух катушек, размещенных на связующих частях магнитопроводящего элемента.
Недостатком известного технического решения является размещение обмотки на связующих частях, что делает невозможным увеличение вращающего момента без увеличения магнитодвижущей силы, а увеличение магнитодвижущей силы без увеличения массы обмоток для уменьшения тепловых потерь в обмотках. Кроме того, в известном техническом решении боковые полюсные части отнесены от противолежащих в осевом относительно оси вращения направлении сторон центральной полюсной части, что делает невозможным осуществление оптимизации магнитных потоков в магнитопроводящем элементе для увеличения вращающего момента путем изменения расстояния между центрами полюсных поверхностей.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основу изобретения поставлена задача устранения вышеуказанных недостатков и создания новой высокоэффективной электрической машины, то есть машины, работающей и в качестве двигателя, и в качестве генератора, которая характеризуется улучшенными техническими характеристиками путем увеличения величины вращающего момента и мощности при уменьшении массы и потерь в обмотках.
Достижению поставленной задачи способствует включение в конструкцию электрической машины, содержащей отделенные друг от друга радиальным рабочим зазором первую часть и вторую часть, расположенные коаксиально так, что одна охватывает другую; при этом первая часть и вторая часть смонтированы с возможностью вращения одной при неподвижной другой; причем первая часть содержит связанные между собой магнитной цепью магнитные полюса, распределенные с чередованием полярности в заданном количестве круговых рядов; при том, что магнитный полюс представляет собой обращенную к радиальному рабочему зазору поверхность выполненного из магнитного материала тела, на которой нормальная к поверхности составляющая намагниченности отлична от нуля; при этом вторая часть содержит отделенные друг от друга электромагниты, распределенные на неферромагнитном основании в круговом ряду; при том, что каждый магнитопроводящий элемент электромагнита имеет центральную полюсную часть и две связанные с ней боковые полюсные части, отнесенные от противолежащих в заданном относительно оси вращения направлении сторон центральной полюсной части; причем каждая полюсная часть магнитопроводящего элемента имеет обращенную к радиальному рабочему зазору полюсную поверхность; при этом обмотка электромагнита размещена на магнитопроводящем элементе так, что часть обмотки расположена между полюсными частями магнитопроводящего элемента, причем упомянутая часть обмотки состоит из двух сегментов, один из которых расположен между центральной полюсной частью и одной боковой полюсной частью, а второй расположен между центральной полюсной частью и другой боковой полюсной частью, при том, что для каждой пары соседних магнитных полюсов в круговом ряду угол между двумя пересекающимися по оси вращения плоскостями, одна из которых проходит через центр одного магнитного полюса, а другая проходит через центр другого магнитного полюса, идентифицируемый как угол между магнитными полюсами, имеет по существу одинаковую величину; при этом боковые полюсные части отнесены от противолежащих в заданном относительно оси вращения направлении сторон центральной полюсной части на заданное расстояние между центрами соседних полюсных поверхностей; при том, что угловой размер полюсной поверхности центральной полюсной части выбран в зависимости от углового размера магнитного полюса, причем угловые размеры полюсных поверхностей боковых полюсных частей имеют по существу одинаковую заданную величину.
Главные и частные отличительные признаки
Целесообразно, чтобы магнитные полюса были распределены в одном круговом ряду, заданным относительно оси вращения направлением являлось направление по существу перпендикулярное оси вращения, а обмотка была размещена на центральной полюсной части.
Целесообразно, чтобы расположенная между полюсными частями магнитопроводящего элемента часть обмотки по длине составляла больше половины длины всей обмотки.
Предпочтительно, чтобы в качестве магнитного материала упомянутого тела был выбран магнитно-твердый материал, при этом тело представляет собой постоянный магнит, причем все упомянутые тела размещены на кольцевом магнитопроводе, при том, что магнитная цепь включает в себя постоянные магниты и кольцевой магнитопровод.
Возможно, чтобы в качестве магнитного материала упомянутого тела был выбран магнитно-мягкий материал, при этом каждое тело размещено между двумя постоянными магнитами, обращенными к нему полюсами одинаковой полярности, при том, что между каждыми двумя соседними телами размещен один постоянный магнит, причем магнитная цепь включает в себя упомянутые тела и постоянные магниты.
Возможно, чтобы в качестве магнитного материала упомянутого тела был выбран магнитно-мягкий материал, при этом каждое тело охватывает обмотка возбуждения с постоянным током, а все тела размещены на кольцевом магнитопроводе, причем магнитная цепь включает в себя упомянутые тела и кольцевой магнитопровод. Предпочтительно, чтобы в этом случае упомянутые тела были выполнены за одно целое с кольцевым магнитопроводом.
Центральная полюсная часть может быть выполнена с по, меньшей мере, одной выемкой.
Целесообразно выемку выполнять так, чтобы создаваемый сегментом расположенной между полюсными частями магнитопроводящего элемента части обмотки магнитный поток при прохождении через полюсную поверхность центральной полюсной части имел по существу такую же величину, как и при прохождении через полюсную поверхность боковой полюсной части.
Возможно, чтобы выемка была выполнена в виде отверстия, сквозного в направлении, совпадающим с направлением оси вращения.
Предпочтительно, чтобы выемка была выполнена в виде выреза, сквозного в направлении, совпадающим с направлением оси вращения и открытого со стороны противолежащей полюсной поверхности центральной полюсной части.
Целесообразно, чтобы создаваемый сегментом расположенной между полюсными частями магнитопроводящего элемента части обмотки магнитный поток намагничивал по существу полюсные поверхности полюсных частей, между которыми он расположен.
Целесообразно, чтобы расстояние между центрами соседних полюсных поверхностей было задано в зависимости от величины угла между магнитными полюсами в круговом ряду.
Предпочтительно, чтобы расстояние между центрами соседних полюсных поверхностей было задано так, чтобы величина угла между двумя пересекающимися по оси вращения плоскостями, одна из которых проходит через центр полюсной поверхности центральной полюсной части, а другая проходит через центр полюсной поверхности боковой полюсной части, идентифицируемого как угол между полюсными поверхностями, находилась в диапазоне от 0,7 величины угла между магнитными полюсами до 1,3 величины угла между магнитными полюсами.
Возможно, чтобы угол между полюсными поверхностями был выбран из диапазона от 0,7 величины угла между магнитными полюсами до 1,1 величины угла между магнитными полюсами.
Кроме того, возможно, чтобы угол между полюсными поверхностями выбран из диапазона от 0,9 величины угла между магнитными полюсами до 1,3 величины угла между магнитными полюсами.
Целесообразно, чтобы величина углового размера полюсной поверхности боковой полюсной части была задана в зависимости от углового размера полюсной поверхности центральной полюсной части.
Желательно, чтобы угловой размер полюсной поверхности боковой полюсной части был выбран из диапазона от 0,55 углового размера полюсной поверхности центральной полюсной части до 0,95 углового размера полюсной поверхности центральной полюсной части
Угловой размер полюсной поверхности центральной полюсной части может быть выбран из диапазона от 0,55 углового размера магнитного полюса до 0,95 углового размера магнитного полюса.
Кроме того, угловой размер полюсной поверхности центральной полюсной части может быть выбран из диапазона от 0,7 углового размера магнитного полюса до 0,95 углового размера магнитного полюса.
Предпочтительно, чтобы угловой размер полюсной поверхности центральной полюсной части был выбран из диапазона от 0,55 углового размера магнитного полюса до 0,80 углового размера магнитного полюса.
При этом под угловым размером поверхности понимается величина угла между двумя пересекающимися по оси вращения плоскостями, являющимися касательными плоскостями к противолежащим в окружном направлении сторонам поверхности.
Целесообразно, чтобы центры полюсных поверхностей всех магнитопроводящих элементов лежали по существу на одной окружности.
Предпочтительно, чтобы центры всех магнитных полюсов лежали по существу на одной окружности.
Желательно, чтобы соседние полюсные поверхности магнитопроводящего элемента от действия протекающего в обмотке тока намагничивались бы в противоположной полярности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение описано более подробно при помощи различных вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 схематично изображает в аксонометрии основные элементы электрической машины в разнесенном виде.
Фиг.2 изображает вид в аксонометрии первого варианта осуществления изобретения в исполнении с корпусным элементом и валом.
Фиг.3 схематично изображает в плоскости перпендикулярной оси вращения вид фрагмента первой части в ее первом воплощении.
Фиг.4 схематично изображает в плоскости перпендикулярной оси вращения вид фрагмента первой части в ее втором воплощении.
Фиг.5 схематично изображает в плоскости перпендикулярной оси вращения вид фрагмента первой части в ее третьем воплощении.
Фиг.6 схематично изображает вид в аксонометрии магнитопроводящего элемента электромагнита.
Фиг.7 схематично изображает в плоскости, перпендикулярной оси вращения, вид магнитопроводящего элемента электромагнита.
Фиг.8 схематично изображает в плоскости, перпендикулярной оси вращения, вид магнитопроводящего элемента электромагнита, выполненного с выемкой в виде сквозного отверстия.
Фиг.9 схематично изображает в плоскости, перпендикулярной оси вращения, вид магнитопроводящего элемента, выполненного с выемкой в виде открытого выреза.
Фиг.10 схематично изображает виды магнитопроводящего элемента, выполненного с несколькими выемками, где Фиг.10а - вид в плоскости перпендикулярной оси вращения; Фиг.10b - разрез по А-А на Фиг.10а; Фиг.10с - разрез по В-В на Фиг.10а.
Фиг.11 схематично изображает электромагнит, где Фиг.11а - вид в плоскости, перпендикулярной оси вращения, Фиг.11b - вид по стрелке А на Фиг.11а.
Фиг.12 изображает вид в аксонометрии первого варианта осуществления изобретения в исполнении без корпусного элемента и вала.
Фиг13 изображает вид в аксонометрии второго варианта осуществления изобретения.
Фиг.14 изображает вид в аксонометрии второго варианта осуществления изобретения в исполнении без корпусного элемента и вала.
Фиг.15 схематично изображает скользящие контакты для подвода тока в обмотки.
Фиг.16 изображает вид в аксонометрии фрагмента первого варианта осуществления, показанного на Фиг.2.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи приводится описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
На чертежах идентичные или аналогичные конструктивные элементы машины обозначены одинаковыми позициями.
Со ссылками на Фиг.1 - 8 подробно описана конструкция электрической машины согласно первому варианту ее осуществления.
Ссылаясь на Фиг.1, постоянные магниты обозначены позицией 1, кольцевой магнитопровод обозначен позицией 2, электромагниты обозначены позицией 3, магнитопроводящие элементы электромагнитов 3 обозначены позицией 4, обмотки электромагнитов 3 обозначены позицией 5, основание обозначено позицией 6, вал обозначен позицией 7, ось вращения обозначена позицией 7а, корпусной элемент обозначен позицией 8, боковые опорные элементы обозначены позицией 9, подшипники обозначены позицией 10, вспомогательный элемент обозначен позицией 11.
Как показано на Фиг.2, выполненный из неферромагнитного материала цилиндрический корпусной элемент 8 охватывает жестко с ним связанный кольцевой магнитопровод 2. Кольцевой магнитопровод 2 охватывает выполненное из неферромагнитного материала основание 6, которое охватывает вал 7 и жестко с ним связано посредством вспомогательного элемента 11. Основание 6 может быть выполнено за одно целое со вспомогательным элементом 11 (не показано).
Постоянные магниты 1 размещены на внутренней поверхности кольцевого магнитопровода 2, а магнитопроводящие элементы 4 электромагнитов 3 размещены на внешней поверхности основания 6 и жестко с ним связаны.
Для целей настоящего изобретения постоянные магниты 1 и кольцевой магнитопровод 2 относятся к первой части электрической машины, а электромагниты 3 и основание 6 относятся ко второй части электрической машины.
Первая и вторая части установлены коаксиально с общей осью - осью вращения 7а, при этом первая часть охватывает вторую часть.
Для целей настоящего изобретения под круговым рядом элементов понимается их расположение друг за другом вокруг оси вращения.
Постоянные магниты 1 распределены в одном круговом ряду вокруг оси вращения 7а.
Электромагниты 3 отделены друг от друга и распределены в одном круговом ряду вокруг оси вращения 7а.
Круговой ряд постоянных магнитов 1 охватывает круговой ряд электромагнитов 3 и отделен от него радиальным рабочим зазором 12.
Отделенные друг от друга радиальным рабочим зазором 12 первая часть и вторая часть смонтированы с возможностью вращения одной при неподвижной другой вокруг оси вращения 7а.
Корпусной элемент 8 жестко связан с расположенными с его торцевых сторон боковыми опорными элементами 9, которые в свою очередь связаны с валом 7 посредством подшипников качения 10. Один из боковых опорных элементов 9 может быть выполнен за одно целое с корпусным элементом 8 (не показано).
Жестко связанные с кольцевым магнитопроводом 2 постоянные магниты 1 представляют собой выполненные из магнитно-твердого магнитного материала предварительно намагниченные тела. Один из полюсов каждого постоянного магнита 1 обращен в сторону магнитопроводящего элемента 2, а другой обращен к рабочему зазору 12.
Для целей настоящего изобретения под магнитным полюсом первой части понимается обращенная к радиальному рабочему зазору 12 поверхность выполненного из магнитного материала тела, на которой нормальная к поверхности составляющая намагниченности отлична от нуля.
Обращенная к радиальному рабочему зазору 12 поверхность постоянного магнита 1 представляет собой магнитный полюс первой части в ее первом воплощении.
1
2
3
Направление вектора намагниченности, определяющее полярность магнитного полюса, в круговом ряду состоящего из р магнитных полюсов, чередуется, как показано стрелками Н на Фиг.3, например, для магнитов 1, 1, 1 и 1р. Магнитные полюса первой части соответствующей полярности обозначены N или S.
Длина магнитного полюса в осевом направлении, измеренная по линии пересечения магнитного полюса с плоскостью, параллельной оси вращения 7а, обозначена позицией L и показана на Фиг.2.
Величина L всех магнитных полюсов в кольцевом ряду по существу одинаковая.
1
2
3
1
2
3
Магнитный полюс первой части, как показано на Фиг.4, может представлять собой поверхность выполненного из магнитно-мягкого магнитного материала тела 13, размещенного на внутренней поверхности корпусного элемента 8 между двумя постоянными магнитами 14. Намагниченность поверхности тела 13 обеспечивается постоянными магнитами 14, между которыми оно размещено. В этом случае первая часть имеет множество по числу магнитных полюсов тел 13 (13, 13, 13…13р), распределенных в круговом ряду, а также множество по числу тел 13 постоянных магнитов 14 (14, 14, 14……14р), каждый из которых размещен между двумя соседними телами 13 так, чтобы к каждому телу 13 постоянные магниты 14, между которыми оно размещено, были обращены полюсами одинаковой полярности. Обращенная к радиальному рабочему зазору (т.е. противолежащая поверхности обращенной к корпусному элементу 8) поверхность тела 13 представляет собой магнитный полюс первой части в ее втором воплощении. Магнитные полюса соответствующей полярности обозначены N или S.
Выполнение первой части в первом или втором воплощении целесообразно с использованием высокоэнергетических постоянных магнитов.
При выполнении первой части в первом воплощении предпочтительно использовать постоянные магниты с большим значением магнитной индукции, например на основе NdFeB (неодим-железо-бор).
При выполнении первой части во втором воплощении предпочтительно использовать постоянные магниты с большим значением коэрцитивной силы, например на основе CmCo (самарий-кобальт).
2
3
1
2
3
В том случае, если недопустимо применение постоянных магнитов в первой части электрической машины (например, при высоких температурах), целесообразно использовать первую часть в ее третьем воплощении, показанном на Фиг.5. В этом воплощении магнитный полюс первой части представляет собой обращенную к радиальному рабочему зазору поверхность выполненного из магнитно-мягкого магнитного материала тела 15, являющегося сердечником электромагнита 16. Намагниченность поверхности тела 15 обеспечивается охватывающей его обмоткой возбуждения 17 с постоянным током. В этом случае первая часть содержит множество по числу магнитных полюсов (р) тел 15 (15b 15, 15, …15р), размещенных на внутренней поверхности кольцевого магнитопровода 2 и распределенных в круговом ряду, а обмотка 17 состоит из множества катушек (17, 17, 17, …17р) по числу тел 15. Для обеспечения чередования полярности магнитных полюсов направление тока в каждой паре соседних катушек чередуется. Тела 15 в этом воплощении первой части могут быть выполнены за одно целое с кольцевым магнитопроводом 2 (не показано). Магнитные полюса соответствующей полярности обозначены N или S.
В любом воплощении первой части магнитные полюса связаны между собой магнитной цепью.
В первом воплощении первой части магнитная цепь включает источники постоянного магнитного потока - постоянные магниты 1 и кольцевой магнитопровод 2, на котором они размещены.
Во втором воплощении первой части магнитная цепь включает выполненные из магнитно-мягкого магнитного материала тела 13 и размещенные между ними источники постоянного магнитного потока - постоянные магниты 14.
В третьем воплощении первой части магнитная цепь включает сердечники 15 электромагнитов 16 - источники постоянного магнитного потока и кольцевой магнитопровод 2, на котором они размещены.
1
2
3
Центры всех магнитных полюсов лежат по существу на одной окружности, т.е. находятся на по существу одинаковом расстоянии от оси вращения 7а. Например, на расстоянии R, показанном на Фиг.4 для магнитного полюса N тела 13, магнитного полюса S тела 13, и магнитного полюса N тела 13.
Для каждой пары соседних магнитных полюсов в круговом ряду угол между двумя пересекающимися по оси вращения 7а плоскостями, одна из которых проходит через центр одного магнитного полюса, а другая проходит через центр другого магнитного полюса, идентифицируется как угол между магнитными полюсами и имеет по существу одинаковую величину.
Угол между магнитными полюсами обозначен позицией φ, показанной на Фиг.3-5.
Угловой размер поверхности для целей настоящего изобретения представляет собой величину угла между двумя пересекающимися по оси вращения плоскостями, являющимися касательными плоскостями к сторонам поверхности противолежащим в окружном (т.е. направление вокруг оси вращения 7а) направлении.
Угловые размеры магнитных полюсов первой части имеют по существу одинаковое значение и обозначены позицией α, показанной на Фиг.3 - 5.
Электромагниты 3 второй части электрической машины выполнены идентичными и каждый из них содержит магнитопроводящий элемент 4 и обмотку 5 (Фиг.1).
Как показано на Фиг.6 и 7, магнитопроводящий элемент 4 каждого электромагнита имеет центральную полюсную часть 18 с обращенной в сторону рабочего воздушного зазора полюсной поверхностью 18а, две боковые полюсные части 19 и 20 с обращенными в сторону радиального рабочего зазора полюсными поверхностями, соответственно 19а и 20а, и две связующие части 21 и 22.
Боковые полюсные части 19 и 20 отнесены от противолежащих в окружном относительно оси вращения направлении сторон центральной полюсной части 18 соответственно 23 и 24 ( Фиг.7).
Связующая часть 21 расположена между стороной 23 центральной полюсной части 18 и противолежащей ей стороной боковой полюсной части 19, а связующая часть 22 расположена между стороной 24 центральной полюсной части 18 и противолежащей ей стороной боковой полюсной части 20 (Фиг.7).
Центральная полюсная часть 18, боковые полюсные части 19 и 20 выступают относительно связующих частей 21 и 22 со стороны их поверхностей, обращенных к радиальному рабочем зазору.
Центральная полюсная часть 18, боковая полюсная часть 19, боковая полюсная часть 20 и связующие части 21 и 22 жестко связаны между собой и могут быть выполнены за одно целое, как показано на Фиг.1 и Фиг.2.
Магнитопроводящий элемент 4 может быть выполнен шихтованным или из подходящего прессованного порошка.
Центры полюсных поверхностей 18а, 19а и 20а магнитопроводящего элемента 4 лежат по существу на одной окружности с радиусом, обозначенным позицией r и с центром, совпадающим с осью вращения 7а (Фиг.6), т.е. находятся на по существу, одинаковом расстоянии от оси вращения.
1
Боковые полюсные части 19 и 20 отнесены от противолежащих в окружном направлении сторон 23 и 24 центральной полюсной части 18 на расстояние L между центрами соседних полюсных поверхностей (Фиг.6); при этом угол между двумя пересекающимися по оси вращения плоскостями, одна из которых проходит через центр полюсной поверхности 18а центральной полюсной части 18, а другая проходит через центр полюсной поверхности (например, 19а) одной боковой полюсной части (19) равен углу между двумя пересекающимися по оси вращения плоскостями, одна из которых проходит также через центр полюсной поверхности 18а центральной полюсной части 18, а другая проходит через центр полюсной поверхности (20а) другой боковой полюсной части (20).
Угол между двумя пересекающимися по оси вращения плоскостями, одна из которых проходит через центр полюсной поверхности центральной полюсной части, а другая проходит через центр полюсной поверхности боковой полюсной части, для целей настоящего изобретения идентифицируется как угол между полюсными поверхностями и обозначен позицией δ (Фиг.6).
Угловой размер полюсной поверхности 18а центральной полюсной части 18 обозначен позицией β и выбран в зависимости от углового размера магнитного полюса. Угловые размеры полюсных поверхностей 19а и 20а боковых полюсных частей соответственно 19 и 20 имеют по существу одинаковую величину и обозначены позицией γ (Фиг.7).
Величина угла γ выбирается в зависимости от величины угла β.
Центральная полюсная часть 18 магнитопроводящего элемента 4 может быть выполнена с выемкой 25, как показано на Фиг.8 и 9.
Выемка 25, показанная на Фиг.8, выполнена в виде удлиненного в радиальном направлении и сквозного в направлении, совпадающим с направлением оси вращения, отверстия.
Кроме того, выемка может быть выполнена в виде выреза, сквозного в направлении совпадающим с направлением оси вращения и открытого со стороны противолежащей полюсной поверхности центральной полюсной части, как показано на Фиг.9.
Центральная полюсная часть 18 магнитопроводящего элемента 4 может быть выполнена с несколькими выемками в виде отверстий, или с одной выемкой в виде выреза и, по меньшей мере, одной в виде отверстия (не показано).
Кроме того, при исполнении магнитопроводящего элемента из шихтованного железа - набора пластин из электротехнической стали, как показано на Фиг.10, центральная полюсная часть 18 магнитопроводящего элемента 4 выполнена с несколькими обозначенными одной позицией 25 выемками, часть которых (25а) выполнена открытыми со стороны противолежащей полюсной поверхности центральной полюсной части, а часть (25b) сформирована внутри тела центральной полюсной части.
Обмотки 5 всех электромагнитов 3 выполнены идентичными и каждая обмотка, как показано на Фиг.11, представляет собой одну катушку, охватывающую центральную полюсную часть 18. Обмотка 5 размещена на центральной полюсной части, при этом часть обмотки расположена между полюсными частями магнитопроводящего элемента.
2
Длины полюсных поверхностей 18а, 19а и 20а магнитопроводящего элемента в осевом направлении (т.е. вдоль оси вращения 7а), каждая из которых измерена по линии пересечения соответствующей полюсной поверхности с плоскостью, параллельной оси вращения 7а, имеют одинаковую величину и на Фиг.11b обозначены позицией L.
2
Величина L по существу равна величине L.
2
Расположенная между полюсными частями магнитопроводящего элемента часть обмотки 5 состоит из двух сегментов, один из которых (5а) расположен между центральной полюсной частью 18 и боковой полюсной частью 19, а второй сегмент (5b) расположен между центральной полюсной частью 18 и боковой полюсной частью 20. Длина каждого сегмента в осевом направлении по существу равна L.
2
При этом L выбирается так, чтобы часть обмотки, расположенная между полюсными частями магнитопроводящего элемента, по длине составляла больше половины длины всей обмотки, поскольку магнитодвижущую силу обмотки по существу создает охваченная магнитопроводящим элементом часть обмотки (т.е. расположенная между полюсными частями магнитопроводящего элемента).
В предлагаемом техническом решении требуемая величина магнитодвижущей силы обмотки достигается выполнением обмотки из одной катушки, при этом центральная полюсная часть является сердечником электромагнита, а боковые и связующие полюсные части являются магнитопроводом.
Исполнение первого варианта осуществления, показанное на Фиг.12, отличается от исполнения, показанного на фиг.2, тем, что отсутствуют корпусной элемент и вал. Кольцевой магнитопровод 2 жестко связан с боковыми опорными элементами 9 посредством шпилек 26. Боковые опорные элементы 9 связаны с основанием 6 посредством, например, подшипников скольжения 27, что обеспечивает коаксиальность первой части относительно второй части и возможность вращения одной при неподвижной другой. Такое исполнение целесообразно в случае больших диаметральных размеров электрической машины или при необходимости ее сопряжения с каким-нибудь исполнительным механизмом, например в приводе патрона токарного станка без применения коробки переменных передач.
Это исполнение возможно также для второго и третьего воплощения первой части. В случае второго воплощения первой части в этом исполнении каждое тело 13 жестко связано с боковыми опорными элементами 9, например, посредством шпилек (не показано). В случае третьего воплощения первой части в этом исполнении каждый сердечник 15 или магнитопровод 2 жестко связаны с боковыми опорными элементами 9, например, посредством шпилек (не показано).
Кроме того, возможны исполнения первого варианта осуществления с корпусным элементом 8, но без вала 7 или, наоборот, с валом 7, но без корпусного элемента 8 (не показано).
Второй вариант осуществления изобретения, показанный на Фиг.13 и Фиг.14, отличается от первого варианта осуществления тем, что вторая часть охватывает первую часть, т.е. кольцевой ряд электромагнитов 3 охватывает кольцевой ряд магнитных полюсов, обращенных к радиальному рабочему зазору 12 поверхностей постоянных магнитов 1.
Во втором варианте осуществления, показанном на Фиг.13, основание 6 охватывает кольцевой магнитопровод 2, охватывающий вал 7 и жестко с ним связанный посредством вспомогательного элемента 11, выполненного из неферромагнитного материала.
Постоянные магниты 1 (первое воплощение первой части) размещены на внешней поверхности кольцевого магнитопровода 2.
Распределенные в круговом ряду магнитопроводящие элементы 4 электромагнитов 3 размещены на внутренней поверхности основания 6 и жестко с ним связаны. Основание 6 жестко связано с расположенными с его торцевых сторон боковыми опорными элементами 9, которые связаны с валом 7 посредством подшипников качения 10. Основание 6 в этом исполнении выполняет функцию корпусного элемента. Один из боковых опорных элементов 9 может быть выполнен за одно целое с основанием 6 (не показано).
Возможно показанное на Фиг.14 исполнение второго варианта осуществления изобретения без вала, при этом магнитопроводящие элементы 4 жестко связаны с боковыми опорными элементами 9, например, посредством шпилек 26, а боковые опорные элементы 9 связаны со вспомогательным элементом 11 посредством, например, подшипников скольжения 27, что обеспечивает коаксиальность первой части относительно второй части и их возможность вращения.
В этом случае боковые опорные элементы 9 со шпильками 26 выполняют функцию основания.
В каждом варианте осуществления возможно исполнение, при котором с возможностью вращения смонтирована первая часть при неподвижной второй части или исполнение, при котором с возможностью вращения смонтирована вторая часть при неподвижной первой части. Например, для исполнения, показанного на Фиг.2, возможно неподвижное закрепление вала 7 при подвижном корпусном элементе 8 или неподвижное закрепление корпусного элемента 8 при подвижном вале 7.
Для исполнения, показанного на Фиг.12, возможно закрепить неподвижно боковые опорные элементы 9 при подвижном основании 6 или закрепить неподвижно основание 6 при подвижных опорных элементах 9, а для исполнения, показанного на Фиг.14, возможно закрепить неподвижно боковые опорные элементы 9 при подвижном вспомогательном элементе 11 или закрепить неподвижно вспомогательный элемент 11 при подвижных опорных элементах 9.
В третьем воплощении первой части (Фиг.5) в исполнениях, при которых она смонтирована с возможностью вращения, ток в обмотку возбуждения 17 может подаваться, например, посредством скользящих контактов, включающих щетки 28 и электропроводящие кольца 29, как показано на Фиг.15. Щетки 28 в этом случае вращаются, а электропроводящие кольца 29, смонтированные на выполненном из непроводящего электричество материала удерживающем элементе 30, неподвижны.
В исполнениях, при которых с возможностью вращения смонтирована вторая часть, ток в обмотки электромагнитов 3 может подаваться аналогичным образом (не показано).
Электрическая машина по любому варианту осуществления может быть использована как в качестве двигателя, так и в качестве генератора.
Вращающий момент машины (вращающий момент двигателя или противодействующий вращению момент генератора) создается силовым взаимодействием магнитного поля каждого электромагнита и магнитного поля, создаваемого источниками постоянного магнитного потока.
Соседние полюсные поверхности 19а-18а и 18а-20а (Фиг.11) магнитопроводящего элемента 4 от действия протекающего в обмотке 5 тока намагничиваются в противоположной полярности.
При выполнении магнитопроводящего элемента 4 без выемки магнитный поток, создаваемый сегментом 5а (5b) расположенной между полюсными частями магнитопроводящего элемента части обмотки, намагничивает полюсные поверхности 19а-18а (18а-20а) в противоположной полярности, а полюсные поверхности 18а-20а (19а-18а) - в одинаковой полярности.
Магнитный поток, создаваемый сегментом 5а (5b) при прохождении через полюсную поверхность 18а, имеет величину, по существу равную разности величин магнитных потоков, проходящих через полюсные поверхности 19а и 20а. (20а и 19а).
При выполнении магнитопроводящего элемента 4 с выемкой магнитный поток, создаваемый сегментом 5а (5b) расположенной между полюсными частями магнитопроводящего элемента части обмотки, намагничивает полюсные поверхности 19а-18а (18а-20а) в противоположной полярности, а полюсную поверхность 20а (19а) по существу не намагничивает, т.е. магнитный поток, создаваемый сегментом 5а (5b), при прохождении через полюсную поверхность 18а имеет по существу такую же величину, как и при прохождении через полюсную поверхность 19а (20а).
Выемка 25 обеспечивает оптимизацию прохождения магнитных потоков в магнитопроводящем элементе и снижение взаимного влияния сегментов расположенной между полюсными частями магнитопроводящего элемента части обмотки друг на друга, что приводит к увеличению вращающего момента.
Поскольку выемка приводит к увеличению длины обмотки и увеличению потерь в них, то ее наличие наиболее целесообразно тогда, когда часть обмотки, расположенная между полюсными частями, по длине составляет более 0,6 длины всей обмотки.
1
Для каждой конкретной конструкции форма выполнения магнитопроводящего элемента (с выемкой или без выемки), а также конкретные значения угловых размеров α, β γ и расстояния L между центрами соседних полюсных поверхностей подбираются исходя из условия достижения максимально возможного вращающего момента машины при минимально возможной массе электромагнитов и минимальных потерях в обмотках.
Эмпирически установлено, что величина угла β (угловой размер полюсной поверхности центральной полюсной части) находится в диапазоне от 0,55 α до 0,95 α, а γ (угловой размер полюсной поверхности боковой полюсной части) находится в диапазоне от 0,55 β до 0,95 β.
При этом в случае выполнения центральной полюсной части 18 магнитопроводящего элемента 4 с выемкой 25, как показано на Фиг.8 - 10, величина угла β может быть выбрана из диапазона от 0,7 α до 0,95 α.
В случае выполнения центральной полюсной части 18 магнитопроводящего элемента 4 без выемки, как показано на Фиг.6 и 7, величина угла β может быть выбрана из диапазона от 0,55 α до 0,80 α.
1
Эмпирически также установлено, что расстояние L между центрами соседних полюсных поверхностей задается так, чтобы величина угла δ (величина угла между полюсными поверхностями) лежала в диапазоне от 0,7 φ (величины угла между магнитными полюсами) до 1,3 φ.
При этом при выполнении первой части в первом воплощении величина угла δ выбирается из диапазона от 0,7 φ до 1,1 φ.
При выполнении первой части во втором и третьем воплощениях величина угла δ выбирается из диапазона от 0,9 φ до 1,3 φ.
Величина угла α (угловой размер магнитного полюса) для конкретной конструкции выбирается максимально возможной исходя из количества p магнитных полюсов, при этом величина угла δ должна превышать величину, равную половине суммы величин β и γ для обеспечения размещения обмотки между полюсными частями с возможностью создания ею требуемой величины магнитодвижущей силы. При этом возможность выполнения формы магнитопроводящего элемента с выемкой определяется возможностью размещения обмотки с требуемой величиной магнитодвижущей силы.
В круговом ряду распределение электромагнитов задается выбранным для каждой пары соседних электромагнитов углом между двумя пересекающимися по оси вращения плоскостями, одна из которых проходит через центр полюсной поверхности центральной полюсной части магнитопроводящего элемента одного электромагнита, а другая проходит через центр полюсной поверхности центральной полюсной части магнитопроводящего элемента другого электромагнита, идентифицируемым как угол между электромагнитами, обозначенным позицией ψ и показанным на Фиг.16 для соседних электромагнитов 3а и 3b.
Электромагниты 3 в круговом ряду отделены друг от друга для исключения существенного взаимного влияния магнитных полей. При этом центры полюсных поверхностей всех машитопроводящих элементов лежат по существу на одной окружности с радиусом, равным r.
Для создания непрерывного вращающего момента двигателя (или противодействующего вращению момента генератора) величина угла ψ не должна быть кратна углу φ.
При вращении первой или второй частей магнитный поток в каждом магнитопроводящем элементе 4 периодически по углу поворота с периодом 2φ изменяет свое направление, что приводит к возникновению на каждой обмотке 5 периодической ЕДС с периодом 360 эл.град.
Ток в обмотке создается подачей напряжения от источника напряжения (не показан) при работе машины в режиме двигателя или индуцированной ЭДС обмотки 5 при ее подключении к нагрузке (не показано) при работе машины в режиме генератора.
Направление тока, протекающего в обмотке каждого электромагнита, для создания вращающего момента в заданном направлении задают в зависимости от полярности двух соседних магнитных полюсов, между которыми в данный момент времени находится центр полюсной поверхности центральной полюсной части магнитопроводящего элемента.
Для создания вращающего момента в заданном направлении в любом варианте осуществления в исполнениях, при которых с возможностью вращения смонтирована первая часть, направление тока в режиме двигателя задается так, чтобы полюсная поверхность центральной полюсной части, от действия тока намагничивалась в той же полярности, что полярность того магнитного полюса, который от полюсной поверхности находится в направлении, совпадающим с направлением создаваемого вращающего момента.
Для создания вращающего момента в заданном направлении в любом варианте осуществления в исполнениях, при которых с возможностью вращения смонтирована вторая часть, направление тока в режиме двигателя задается так, чтобы полюсная поверхность центральной полюсной части от действия тока намагничивалась в той же полярности, что полярность того магнитного полюса, который от полюсной поверхности находится в направлении противоположном направлению создаваемого вращающего момента.
При работе электрической машины в режиме генератора направление тока, протекающего в обмотке каждого электромагнита определяется полярностью двух соседних магнитных полюсов, между которыми в данный момент времени находится центр полюсной поверхности центральной полюсной части магнитопроводящего элемента и параметрами нагрузки.
На Фиг.16 в исполнении, при котором возможностью вращения смонтирована первая часть, заданное направление вращающего момента электрической машины показано стрелкой М1 (против часовой стрелки), а в исполнении, при котором возможностью вращения смонтирована вторая часть, заданное направление вращающего момента показано стрелкой М2 (по часовой стрелке).
1
2
3
4
5
Магнитные полюса первой части, являющиеся поверхностями постоянных магнитов 1, 1, 1, 1, и 1 имеют полярность соответственно S, N, S, N и S.
1
1
2
Центр полюсной поверхности 18а центральной полюсной части 18 магнитопроводящего элемента электромагнита 3, находится между центрами магнитных полюсов постоянных магнитов 1 и 1.
2
4
5
Центр полюсной поверхности 18а центральной полюсной части 18 магнитопроводящего элемента электромагнита 3, находится между центрами магнитных полюсов постоянных магнитов 1и 1.
1
4
1
2
Как показано на Фиг.16, постоянные магниты 1 и 1 смещены против часовой стрелки относительно полюсных поверхностей 18а магнитопроводящих элементов электромагнитов соответственно 3 и 3.
1
1
1
2
2
2
2
2
1
1
Полюсная поверхность 18а магнитопроводящего элемента электромагнита 3 намагничена в полярности S протекающим в обмотке 5 током, направление которого показано стрелкой I (от наблюдателя). Полюсная поверхность 18а магнитопроводящего элемента электромагнита 3 намагничена в полярности N протекающим в обмотке 5 током, направление которого показано стрелкой I (к наблюдателю). При этом направление тока I в обмотке 5 противоположно направлению тока Iобмотке 5.
1
2
1
2
4
5
Создающее вращающий момент силовое взаимодействие осуществляется при нахождении центра полюсной поверхности 18а магнитопроводящего элемента электромагнита 3 (3) в его положении между центрами магнитных полюсов постоянных магнитов 1 и 1 (1 и 1). Силовое взаимодействие не осуществляется при нахождении центра полюсной поверхности 18а магнитопроводящих элементов электромагнитов 3 напротив центра магнитного полюса (не показано).
Так как при вращении полярность магнитных полюсов чередуется, то в обмотке 5 каждого электромагнита 3 осуществляется изменение направления и силы протекающего в ней тока. В каждом угловом положении центра полюсной поверхности центральной полюсной части относительно магнитных полюсов сила тока в обмотке задается исходя из условия обеспечения минимальных потерь в обмотке при заданной величине вращающего момента машины. Управление током в обмотках 5 может быть обеспечено известными блоками управления, выполненными с возможностью определения положения первой части относительно второй и подачи напряжения соответствующей фазы и величины на каждую обмотку.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предложенная конструкция отличается высокой эффективностью.
Размещение обмотки на центральной полюсной части, в отличие от прототипа, позволяет при одинаковых с ним массе магнитопроводящего элемента, величине вращающего момента электромагнита и размерах радиального рабочего зазора за счет уменьшения требуемой величины магнитодвижущей силы обмотки или снизить как минимум в два раза массу обмотки при одинаковых тепловых потерях в обмотке, или как минимум в два раза снизить тепловые потери в обмотке при одинаковой массе.
При меньших по сравнению с прототипом тепловых потерях в обмотках увеличение вращающего момента достигается путем увеличения величины магнитодвижущей силы.
Снижение массы обмотки (уменьшение сечения провода, уменьшение количества витков) приводит к уменьшению величины отношения индуктивности обмотки к ее активному сопротивлению (постоянная времени), что позволяет увеличить частоту тока в обмотке и увеличить скорость вращения, увеличивая тем самым мощность электрической машины.
В отличие от прототипа, в котором для каждого конкретного исполнения расстояние между центрами соседних полюсных поверхностей задается по существу равным расстоянию между центрами магнитных полюсов в осевом направлении, в предлагаемом техническом решении для каждого конкретного исполнения расстояние между центрами соседних полюсных поверхностей выбирается из диапазона, что позволяет оптимизировать распределение магнитных потоков в магнитопроводящем элементе и при одинаковой с прототипом массе магнитопроводящего элемента уменьшить на 30-50% массу магнитной цепи, связывающей магнитные полюса.
В отличие от прототипа, в котором для каждого конкретного исполнения угловой размер полюсной поверхности боковой полюсной части задается в зависимости от углового размера магнитного полюса, в предлагаемом техническом решении для каждого конкретного исполнения угловой размер полюсной поверхности боковой полюсной части выбирается из диапазона в зависимости от углового размера полюсной поверхности центральной полюсной части, что позволяет дополнительно осуществлять оптимизацию распределения магнитных потоков в магнитопроводящем элементе.
Кроме того, в предлагаемом техническом решении имеется возможность оптимизации распределения магнитных потоков в магнитопроводящем элементе формой его выполнения (с выемкой или без выемки).
Электрическая машина, выполненная в соответствии с первым или вторым вариантами осуществления, может быть эффективно использована в мотор-колесе транспортного средства.
В устройствах, требующих минимально допустимых значений геометрических размеров в радиальном направлении, например приводах насосов нефтяных скважин, наиболее целесообразным является использование первого варианта осуществления с вращающейся второй частью.
В случае необходимости выполнения электрической машины с вращающимся валом, например приводах общепромышленного применения, наиболее целесообразным является использование второго варианта осуществления с вращающейся первой частью.
Таким образом, устройство согласно предлагаемому изобретению может иметь многочисленные модификации и изменения, не отходя от сущности изобретения.
Для любого заданного диаметра устройства это техническое решение доводит до максимума вращающий момент электрической машины.
На практике возможны модификации и/или усовершенствования, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного в нижеприведенной формуле изобретения.