Электрическая машина (варианты)

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электродвигателям и генераторам.

Известна электрическая машина по US5952760, кл. Н02К 29/03, опубл. 14.09.1999, содержащая ротор и статор, который содержит магнитопровод с полюсами, внутри которого размещен катушечный узел, выполненный из одной или нескольких обмоток цилиндрического типа намотки, причем ротор размещен снаружи магнитопровода статора и содержит магнит цилиндрической формы, размещенный вдоль оси вращения ротора.

Известное решение не позволяет эффективно использовать магнитопровод статора из тонких листов магнитомягкого материала, например, электротехнического железа. Известное решение включает в себя постоянный магнит из магнитотвёрдого материала. Ещё одним недостатком является работа на постоянном токе и значительный перегрев деталей магнитопровода.

Технической проблемой является устранение отмеченных недостатков. Технический результат заключается в уменьшении нагрева деталей магнитопровода.

Проблема решается, а технический результат по первому варианту обеспечивается тем, что электрическая машина содержит ротор и статор, который содержит магнитопровод с полюсами, внутри которого размещен катушечный узел, выполненный из одной или нескольких обмоток цилиндрического типа намотки, причем ротор размещен снаружи магнитопровода статора и содержит магнит цилиндрической формы, размещенный вдоль оси вращения ротора, по окружности магнита расположена последовательность магнитных полюсов, чередующихся на противоположную полярность, причем в статоре выполнена технологическая прорезь для предотвращения нагрева части магнитопровода, контактирующего с катушкой и имеющей полюсные участки на наружной стороне в последствии собранного цилиндра. Статор и ротор выполнены кольцевой формы. Статор и каркас катушки целесообразно выполнять из электротехнического железа. Индуктивность может быть бескаркасно намотана проводом отдельно от магнитопровода. Катушки могут быть выполнены с секционной намоткой. Стенки сердечника магнитопровода внутри катушечного узла могут быть выполнены с увеличенной толщиной. В схеме электропитания предусмотрена возможность разряда индуктивности в момент перед сменой полярности на источник питания или аккумуляторную батарею.

Проблема решается, а технический результат по второму варианту обеспечивается тем, что электрическая машина содержит ротор и статор, который содержит магнитопровод с полюсами, внутри которого размещен катушечный узел, выполненный из одной или нескольких обмоток цилиндрического типа намотки, причем ротор размещен внутри магнитопровода статора и содержит магнит цилиндрической формы, размещенный вдоль оси вращения ротора, по окружности магнита расположена последовательность магнитных полюсов, чередующихся на противоположную полярность, причем в статоре выполнена технологическая прорезь для предотвращения нагрева части магнитопровода, контактирующего с катушкой и имеющей полюсные участки на наружной стороне в последствии собранного цилиндра. Статор и ротор выполнены кольцевой формы. Индуктивность может быть бескаркасно намотана проводом отдельно от магнитопровода. Статор и каркас катушки целесообразно выполнять из электротехнического железа. Катушки могут быть выполнены с секционной намоткой. Стенки сердечника магнитопровода внутри катушечного узла могут быть выполнены с увеличенной толщиной. В схеме электропитания предусмотрена возможность разряда индуктивности в момент перед сменой полярности на источник питания или аккумуляторную батарею.

На прилагаемых чертежах приведены конструктивные особенности предлагаемой машины и ее отдельные элементы. Позициями обозначены:

1 – ротор, который является магнитопроводом для магнита или магнитов в роторе.

2 – ось ротора.

3 –магнит ротора.

4 –подшипник, который может быть выполнен в виде кольца из резины, полимеров или металла.

5 – стопорное кольцо.

6 – магнитопровод статора, который выполняется из магнитомягких материалов с высокой магнитной проницаемостью, например, из электротехнического железа, полимеров с наполнением магнитомягким материалом, ферритов, и прочих магнитомягких материалов.

7 – полюсный участок магнитопровода статора.

8 – обмотка статора или соленоид или одна или несколько катушек индуктивности.

9 – каркас обмотки статора.

10 – плата электронного контролёра (электронный контролёр).

11 – датчик положения ротора (например, датчик Холла).

12 – подшипник скольжения или качения оси ротора.

13 – статор с элементами крепления.

14 – прорезь.

На фиг.1 приведена схематично электрическая машина (электродвигатель) бесщеточная (бесколлекторная) по первому варианту, где сечение С-С выполнено в разнесённом виде для удобства восприятия конструкции. На фиг.1 обозначено – b(dip) – высота магнита ротора или диполя ротора; b– высота полюсного участка; Dx(sol_dip) – ширина зазора между полюсными участками магнитопровода и магнитом ротора, диполем. На фиг. 2 показан двигатель в разнесённом виде с сечением в изометрии.

В электрической машине по обоим вариантам магнит ротора имеет намагниченность, состоящую из последовательности полюсов, по окружности магнита чередующейся на противоположную полярность. Полюсы в последовательности имеют радиальную намагниченность. Ротор может быть образован из отдельных магнитов с радиальной намагниченностью.

Для улучшения характеристик двигателя величина зазоров «с» должна быть максимальной, а зазоров «а» минимальной. Предпочтительно, когда высота полюсных участков магнитопровода статора «b» равна высоте полюса магнита ротора b(dip).

Магнитопровод может быть изготовлен из двух половинок, как показано на фиг.3. Каждая половинка содержит центральную часть 6а цилиндрической формы, через которую происходит замыкание магнитного потока двух половинок магнитопровода. Часть магнитопровода 6 расположена в плоскости XY, перпендикулярной оси вращения ротора. Количество полюсных участков 7 может быть любым. Во внутреннем пространстве двух половинок размещается соленоид, или несколько соленоидов.

В предлагаемой машине целесообразно использовать бескаркасную индуктивность, намотанную отдельно от магнитопровода проводом, имеющим изоляцию, отличную от лака, например спекаемого пластика. Пластиковая изоляция целесообразна для версий машин, погружаемых в жидкость или воспламеняемые газы без изготовления водонепроницаемых корпусов. В качестве датчика положения ротора обычно применяется датчик Холла, но возможно применение и других датчиков, например, оптических, индуктивных или иных. Катушки выполнены секционными, подобно используемым в трансформаторах тока, что обеспечивает гарантированное придание (контролируемых в процессе производства) свойств катушки индуктивности, предотвращения ее нагрева за счет контролируемой намотки каждой из секций по параметрам: длина провода и количество витков. Катушки следует выполнить с пропиткой как у трансформаторов, что улучшает отвод тепла, препятствует перетиранию изоляции провода (катушка пропитанная и высушенная в намоточном станке будет компактнее). Каркасы катушек могут быть выполнены из металла, например алюминия, что необходимо для лучшего отвода тепла от обмотки индуктивности для уменьшения реактивного сопротивления провода и повышения КПД системы в целом. Но наиболее целесообразно каркас катушки, как и статор, выполнять из электротехнического железа для теплоотвода (снижения температуры обмотки) и уменьшению электропотребления электрической машины в сборе. Стенки сердечника магнитопровода внутри катушечного узла выполнены с увеличенной толщиной для повышения индуктивности магнитной обоймы в сборе. Статор и ротор при кольцевых вариантах изготовления статора (или ротора) имеют явно выраженную форму кольца, тем самым увеличивая крутящий момент за счет увеличения плеча вращения, а также расширяя спектр практического применения электродвигателей, например мотор-колеса транспортных средств. Для разных частот работы индуктивности необходимы (оптимальны) разные виды намоток – иногда самая эффективная «внавал». С повышением частоты намотка виток витку перестает быть самой эффективной.

Поскольку применяется более простая по типу обмотка, которая может быть выполнена на более простом оборудовании, а также может быть изготовлена отдельно от магнитопровода, то двигатель является более простым в изготовлении. Конструкция допускает любые схемы электропитания, предусматривающие разряд индуктивности в момент перед сменой полярности на источник питания или аккумуляторную батарею. Выполненная в статоре технологическая прорезь 14 (в кол-ве 1 или более) предотвращает нагрев части магнитопровода, контактирующей с катушкой (индуктивности) и имеющей полюсные участки на наружной стороне впоследствии собранного цилиндра (статора в сборе). Данная прорезь обеспечивает предотвращение возникновения токов Фуко (индуктивный нагрев) с неизбежным нагревом магнитной обоймы (магниторовод + катушка). Выполняется прорезь таким образом, что разрезаются все имеющиеся кольцевые (или цилиндрические) замкнутые плоскости. На фиг.4 показан условно узел статора с выполненной прорезью.

Двигатель по первому варианту работает следующим образом:

При обесточенной обмотке или обмотках в статоре магнитный поток полюсов магнита 3 ротора замыкается через полюсные участки магнитопровода 7 и магнитопровод 6 статора. Магнитный поток от одного полюса магнита 3 ротора проходит через полюсный участок 7 и далее попадает на другой полюс магнита 3, но другой полярности по знаку. Это положение является устойчивым при обесточенной обмотке статора.

При прохождении тока по обмотке возникает магнитное поле вокруг соленоида, а поскольку вокруг соленоида расположен магнитопровод 6, в нём возбуждается магнитное поле, которое создаёт на полюсных участках 7 магнитные полюсы. Магнитное поле с одного полюсного участка 7 стремится на другой полюсный участок 7. Возникает крутящий момент, который поворачивает магнит ротора, стремясь к устойчивому положению, когда полюсы магнита ротора будут расположены напротив полюсных участков магнитопровода 7 с намагниченностью, противоположной намагниченности постоянного магнита ротора, поскольку противоположные полюсы притягиваются и направление магнитного поля совпадает.

На фиг.5 приведена схематично электрическая машина (электродвигатель) бесщеточная (бесколлекторная) по второму варианту, где сечение А-А выполнено в разнесённом виде для удобства восприятия конструкции. На фиг.6 показан двигатель в разнесённом виде с сечением в изометрии. На фиг.7 показан условно узел статора с выполненной прорезью.

Двигатель по второму варианту работает следующим образом:

При обесточенной обмотке или обмотках в статоре магнитный поток полюсов магнита 3 ротора замыкается через полюсные участки магнитопровода 7 и магнитопровод 6 статора. Магнитный поток от одного полюса магнита 3 ротора проходит через полюсный участок 7 и далее попадает на другой полюс магнита 3, но другой полярности по знаку. Это положение является устойчивым при обесточенной обмотке статора.

При прохождении тока по обмотке возникает магнитное поле вокруг соленоида, а поскольку вокруг соленоида расположен магнитопровод 6, в нём возбуждается магнитное поле, которое создаёт на полюсных участках 7 магнитные полюсы. Магнитное поле с одного полюсного участка 7 стремится на другой полюсный участок 7. Возникает крутящий момент, который поворачивает магнит ротора, стремясь к устойчивому положению, когда полюсы магнита ротора будут расположены напротив полюсных участков магнитопровода 7 с намагниченностью, противоположной намагниченности постоянного магнита ротора, поскольку противоположные полюсы притягиваются.