ДИСКОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
DISK ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электрическим машинам с осевым расположением основного магнитного потока в немагнитном зазоре.
Известна конструкция электрической машины (RU 2340068), имеющая индуктор, выполненный в виде диска из немагнитного материала, на котором размещены магнитные элементы, создающие магнитный поток индуктора и выполненные из постоянных магнитов, и якорь, расположенный с двух сторон диска индуктора и имеющий магнитные элементы, создающие магнитный поток якоря, причем магнитные элементы якоря выполнены в виде отдельных электромагнитов, а направления магнитных потоков, созданных постоянными магнитами, чередуются по направлению вращения диска индуктора. Такое решение обладает малой удельной мощностью и низкой надежностью, так как в рабочих режимах создается опасность размагничивания постоянных магнитов магнитным полем якоря.
Более близким решением является изобретение, описанное в RU 2127939 и RU 2213408, где электрическая машина выполнена в виде набора дисков якоря и индуктора, размещенных на общей оси в чередующемся порядке, состоящих из немагнитного материала с высоким электрическим сопротивлением и содержащих некоторое одинаковое четное число магнитных элементов, выполненных в виде электрических катушек с сердечниками из магнитомягкого материала. Магнитные оси их параллельны оси вращения. Причем торцевые диски якоря снаружи закрыты замыкателями магнитного потока, выполненными в виде сплошных колец из того же материала, что и сердечники электрических катушек, при этом катушки как якоря, так и индуктора намотаны так, что их магнитные полюса в плоскости дисков чередуются. Такое решение имеет более высокую надежность, так как не имеет в конструкции постоянных магнитов, но обладает низкой удельной мощностью, виду того что магнитное поле, которое создают электромагниты слабее чем магнитное поле, создаваемое современными постоянными магнитами на основе NdFeB. К тому же, при высоких частотах тока в обмотках в магнитомягком материале появляются большие тепловые потери из-за гистерезиса, что ограничивает удельную мощность машины.
В основу изобретения положена задача создания такой конструкции электрической машины, которая имела бы более высокие показатели удельной мощности и обладала бы хорошей надежностью.
Поставленная задача решается тем, что в электрической машине, содержащей индуктор и якорь с возможностью рабочего движения относительно друг друга, каждый из которых содержит набор дисков, которые образуют общий набор дисков электрической машины и которые расположены так, что оси вращения дисков совпадают с осью вращения электрической машины, а диски индуктора и якоря через немагнитные рабочие зазоры чередуются между собой по направлению оси вращения электрической машины, причем диски якоря выполнены из немагнитного диэлектрического материала и содержат магнитные элементы, создающие магнитный поток якоря, а диски индуктора выполнены из немагнитного материала и содержат магнитные элементы, создающие магнитный поток индуктора, при этом магнитные элементы расположены в каждом диске радиально под одинаковым углом α друг к другу так, что ось вращения электрической машины параллельна вектору намагниченности каждого магнитного элемента и направления вектора намагниченности двух ближних магнитных элементов, расположенных на одном диске, противоположны, при этом число магнитных элементов в каждом диске одинаково и четно, а также электрическая машина содержит замыкатели магнитного потока, которые выполнены в виде сплошных дисков из магнитомягкого материала и расположены по бокам общего набора дисков, согласно изобретению:
- магнитные элементы индуктора выполнены из постоянных магнитов;
- магнитные элементы диска якоря выполнены в виде волновой обмотки с рабочими участками, расположенными преимущественно радиально в зоне расположения магнитных элементов индуктора и замкнутыми между собой лобовыми участками, причем суммарная длина рабочих участков превышает суммарную длину лобовых участков, а угол между рабочими участками обмотки равен углу α;
- диски каждой фазы якоря распределены в общем наборе дисков равномерно вдоль оси вращения электрической машины, чередуясь с дисками других фаз;
- замыкатели магнитного потока расположены на индукторе и вплотную прилегают к боковым дискам индуктора.
Дополнительно к этому, в электрической машине суммарная длина рабочих участков обмотки превышает суммарную длину лобовых участков, расстояние по оси вращения между двух ближайших дисков индуктора меньше расстояния между центрами масс двух ближайших магнитных элементов одного диска, радиальная длина рабочих участков обмотки больше расстояния между центрами масс двух ближайших магнитных элементов одного диска, рабочие участки обмотки имеют прямоугольное сечение поперек направления движения электрического тока, угол α меньше 30 градусов, а поперечное сечение лобных участков обмотки больше чем поперечное сечение рабочих участков, так что плотность тока в них меньше чем в рабочих участках.
В дальнейшем изобретение подробно раскрыто в описании со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 изображает вид электрической машины сбоку (без корпуса).
Фиг.2 изображает сектор диска индуктора с постоянными магнитами.
Фиг.3 изображает сектор диска якоря с обмоткой.
Предлагаемая конструкция дисковой электрической машины содержит индуктор 1 (фиг.1) и якорь 2, каждый из которых содержит набор дисков 3. Эти диски 3 образуют общий набор дисков электрической машины, и они расположены так, что оси вращения дисков совпадают с осью 4 вращения электрической машины, причем диски индуктора 1 и якоря 2 через немагнитные рабочие зазоры чередуются между собой по направлению оси вращения электрической машины. Магнитные элементы 5 (фиг.2), создающие магнитный поток индуктора 1, расположены на дисках 3 индуктора 1. Магнитные элементы 6 (фиг.3), создающие магнитный поток якоря, расположены на дисках 3 якоря 2. Причем магнитные элементы 5, 6 расположены в каждом диске радиально под одинаковым углом α (на фиг. обозначен буквой «а») друг к другу. Ось 4 вращения электрической машины параллельна вектору намагниченности каждого магнитного элемента. При этом направления вектора намагниченности двух ближних магнитных элементов, расположенных на одном диске, противоположны, так что на каждой плоской стороне диска образуются магнитные полюса с чередующейся полярностью (на фиг.2 и 3 обозначены буквами «N» и «S») по направлению вращения диска. Число магнитных элементов в каждом диске одинаково и четно. Магнитные элементы 5 индуктора 1 выполнены из постоянных магнитов, а магнитные элементы 6 диска 3 якоря 2 выполнены в виде волновой обмотки 7 с рабочими участками 8 (фиг.3), которые создают рабочий момент электрической машины и которые расположены преимущественно радиально в зоне 9 (ограничена пунктирной линией) расположения магнитных элементов 5 индуктора 1 и замкнуты между собой лобовыми участками 10. В проекции вдоль оси 4 зона 9 и магнитные элементы индуктора и якоря совпадают. Причем суммарная длина рабочих участков 8 превышает суммарную длину лобовых участков 10, а угол между рабочими участками 8 обмотки 7 равен углу α. Таким образом, каждый виток волновой обмотки 7 образует два магнитных элемента 6 (на фиг.3 совпадает с зоной 9) якоря 2, магнитные потоки которых направлены встречно, так как ток в рабочих участках 8 одного витка обмотки 7 направлен встречно. Замыкатели 11 магнитного потока расположены на индукторе и вплотную прилегают к боковым дискам 3 индуктора 1, в результате чего количество дисков индуктора больше на 1 количества дисков якоря. Зона 9 расположения постоянных магнитов на индукторе 1 ограничена наружным и внутренним диаметром расположения постоянных магнитов.
Электрическая машина работает обычным образом: когда в обмотках одной фазы якоря течет ток, якорь стремится повернуться так, чтобы магнитные потоки, созданные его магнитными элементами, совпали с магнитными потоками, наведенными магнитными элементами индуктора.
Применение постоянных магнитов в предлагаемом выше решении для создания магнитного потока индуктора дает преимущество перед прототипом по удельной мощности, так как их размеры намного меньше, чем магнитные элементы на базе электромагнитов. Выполнение магнитных элементов диска якоря в виде волновой обмотки позволяет также повысить удельную мощность за счет увеличения частоты вращения, так как нет ограничения по частоте питающего их тока. Одновременно это решение повышает надежность, так как магнитный поток якоря, создаваемый такими обмотками, меньше в несколько раз магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами индуктора, что приводит к невозможности их размагничивания и повышает их срок службы. Расположение магнитных замыкателей на индукторе позволяет избежать наведения в них вихревых токов при вращении индуктора, что увеличивает КПД и надежность машины.
При превышении суммарной длины рабочих участков 8 над суммарной длиной лобных участков 10 создается одновременно условие, что радиальная длина рабочих участков больше, чем расстояние между центрами масс двух магнитных элементов одного диска индуктора, что увеличивает рабочий момент машины и увеличивает ее удельную мощность.
Так как постоянные магниты стремятся замкнуть магнитный поток вокруг себя по кратчайшему пути (локально), предпочтительно, чтобы расстояние между двумя ближайшими дисками индуктора было меньше расстояния между центрами масс двух магнитных элементов одного диска индуктора. Это обеспечит более полное замыкание магнитного потока через все рабочие немагнитные зазоры и уменьшит локальное замыкание, что увеличивает удельную мощность машины. Наилучший результат достигается при значениях 0.3-0.5 от указанного шага.
Решение ограничить угол α до 30 градусов улучшает удельную мощность, так как повышается момент на валу.
Для электрических машин, имеющих несколько фаз якоря, каждая фаза которого имеет более 2-х дисков, решение равномерного расположения дисков одной фазы якоря вдоль оси вращения, чередуясь с дисками других фаз, улучшает надежность машины, так как рабочая нагрузка равномерно распределяется по валу и корпусу машины.
Для повышения удельной мощности необходимо, чтобы рабочие участки обмотки имели прямоугольное сечение поперек направления движения электрического тока, что будет обеспечивать меньшее электрическое сопротивление и снизит выделение тепла на обмотке. Эту же задачу выполняет решение, что поперечное сечение лобных участков обмотки должно быть больше, чем поперечное сечение рабочих участков, так что бы плотность тока в лобовых участках была меньше, чем в рабочих участках, тогда потери в обмотке будут минимизированы.