Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией

Изобретение относится к электрическим машинам, а конкретно к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата "двигатель-редуктор" в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, для применения, например, в качестве мотор-колеса экологически чистых автомобилей.

Известно техническое решение по патенту РФ №2375806. Сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель имеет корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, вал, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с ротором, а цилиндры статора - с корпусом, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения. Введены второй пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней поверхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быстрого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, расположенные между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмоткой, имеющим обращенную конструкцию.

Недостатком является сложность конструкции и ограниченная скорость вращения из-за консольного расположения полых цилиндров, а также низкая надежность работы на подвижном основании.

Известно техническое решение по патенту РФ №2544835. Сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами на валу с подшипниками и многослойный ротор медленного вращения на валу с подшипниками. Ротор медленного вращения и статор имеют чередующиеся диски, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности другого кольца имеются клиновидные выступы, имеющие свои одинаковые угловые размеры и положения с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2р, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны.

Недостатком является наличие двух валов, что усложняет конструкцию, а также отсутствие оптимального соотношения между толщиной постоянных магнитов и толщиной и количеством рабочих зазоров, что снижает энергетические показатели.

Известно техническое решение по патенту РФ №2604058. Сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит корпус, магнитопровод статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора и ротора медленного вращения состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, магнитопровод статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевой поверхности первого кольца магнитопровода статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, подшипник ротора быстрого вращения установлен на валу ротора медленного вращения а толщина постоянных магнитов h_м на роторе быстрого вращения связана с толщиной и количеством рабочих зазоров соотношением h_м=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения,

Недостатком является наличие осевого усилия на вал медленного вращения из-за несимметрии магнитной системы, большой поток рассеяния из-за большой МДС постоянного магнита и большого количества путей, а также трудность охлаждения из-за расположения обмотки с одного торца электродвигателя, что снижает энергетические показатели и надежность электродвигателя.

Наиболее близким техническим решением к заявленному техническому решению по наибольшему количеству совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, выбранному заявителем в качестве прототипа, является изобретение по патенту РФ №2668817. Сущность заключается в том, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит корпус, магнитопровод статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора и ротора медленного вращения состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, магнитопровод статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевых поверхностях первого, второго колец магнитопровода статора, на торцевых поверхностях коронок зубцов выполнены выступы, положение которых совпадает с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, подшипник ротора быстрого вращения установлен посередине на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов h_м на роторе быстрого вращения связана с толщиной и количеством рабочих зазоров соотношением h_м=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения.

Недостатком является наличие четных пространственных гармоник в законе распределения вдоль зазора магнитодвижущей силы обмотки статора, что вызывает дополнительные потери энергии в магнитопроводе.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в улучшении энергетических показателей.

Технический результат достигается тем, что синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, магнитопровод статора с зубцами и с многофазной обмоткой, ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и с подшипником, ротор медленного вращения на валу с подшипниками и статор имеют чередующиеся диски, диски статора и ротора медленного вращения состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, постоянные магниты имеют вид секторов и намагничены аксиально с чередующейся полярностью, магнитопровод статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками и коронками установлены на торцевых поверхностях первого, второго колец магнитопровода статора, на торцевых поверхностях коронок зубцов выполнены выступы, положение которых совпадает с ферромагнитными элементами дисков статора, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2р, где р - число пар полюсов обмотки статора, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, подшипник ротора быстрого вращения установлен посередине на валу ротора медленного вращения, а толщина постоянных магнитов h_м на роторе быстрого вращения связана с толщиной и количеством рабочих зазоров соотношением h_м=2mδ, где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения, имеет число зубцов статора z=6р, а катушки намотаны вокруг двух соседних зубцов.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами (фиг. 1 - фиг. 7):

- на фиг. 1 - показано продольное сечение синхронного электродвигателя с магнитной редукцией;

- на фиг. 2 - показан ротор быстрого вращения;

- на фиг. 3 - показан диск статора;

- на фиг. 4 - показан диск ротора медленного вращения;

- на фиг. 5 - показан вид зубцов с катушками;

- на фиг. 6 - показан закон распределения МДС обмотки прототипа;

- на фиг. 7 - показан закон распределения МДС обмотки электродвигателя заявки.

Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах.

На фиг. 1 представлен синхронный электродвигатель, где;

1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты;

4, 5 - кольца пакета статора;

6, 7 - зубцы;

8, 9 - катушки;

10 - постоянный магнит;

11 - втулка ротора быстрого вращения;

12, 13 - втулки статора;

14, 15 - диски статора;

16, 17 - втулки ротора медленного вращения;

18, 19 - диски ротора медленного вращения;

20 - вал;

21, 22 - подшипники ротора медленного вращения;

23 - подшипник ротора быстрого вращения.

Заявленная конструкция собрана следующим образом. Корпус 1 жестко связан с подшипниковыми щитами 2, 3. На них установлены кольца 4, 5 магнитопровода статора. На кольце 4 имеются двенадцать зубцов 6 с катушками 8. На кольце 5 имеются двенадцать зубцов 7 с катушками 9.

Четыре постоянных магнита 10 установлены на втулке 11 ротора быстрого вращения. Диски 14, 15 статора закреплены на втулках 12, 13 статора, установленных на корпусе 1. Диски 18, 19 ротора медленного вращения установлены на втулках 16, 17 ротора медленного вращения, установленных на валу 20. Вал 20 опирается на подшипники 21, 22, установленные в подшипниковых щитах 2, 3. Ротор быстрого вращения установлен на подшипнике 23, установленном на валу 20. Подшипник 23 имеет большую ширину и является радиально-упорным для обеспечения требуемого положения ротора быстрого вращения.

Кольца 4, 5 магнитопровода статора и зубцы 6, 7 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. Зубцы 6, 7 с коронками имеют вид секторов. Они установлены на кольцах 4, 5 магнитопровода статора. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С.

Ротор быстрого вращения имеет четыре постоянных магнита 10 из высококоэрцитивного магнитотвердого материала, имеющие вид секторов (на фиг. 2 показаны закрашенными), и немагнитные сектора (на фиг. 2 не закрашены). Сектора намагничены по оси вращения и образуют на торцевых поверхностях чередующиеся полюса.

Диски 14, 15 статора имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 3 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 3 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.

Диски 18, 19 ротора медленного вращения имеют чередующиеся секторы из магнитомягкого материала (на фиг. 4 показаны темными) и немагнитного материала (на фиг. 4 светлые). Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали.

Количество ферромагнитных элементов дисков статора z_c и ферромагнитных элементов дисков ротора медленного вращения z_p, приходящихся на одно полюсное деление, отличаются на единицу. На фиг. 3, 4 показан случай, когда число пар полюсов р=2, z_c=20, z_p=24.

Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией работает следующим образом. При подаче на обмотку статора трехфазной системы напряжений возникает вращающееся магнитное поле с четырьмя полюсами. Оно увлекает за собой ротор быстрого вращения. Вместе с ним вращаются области большой магнитной индукции в дисках статора и ротора медленного вращения. В результате ротор медленного вращения поворачиваются так, что места совпадения положений ферромагнитных элементов дисков статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков ротора медленного вращения находятся в зонах максимума модуля магнитной индукции.

За половину периода напряжения питания T/2=π/ω ротор быстрого вращения повернется на угол π/2, а места максимума модуля магнитной индукции повторятся. При этом ротор медленного вращения должен повернуться на один сектор, т.е. на угол 2π/z_p.Следовательно, магнитный редуктор имеет передаточное отношение z_p/4. Поэтому скорость вращения ротора медленного вращения будет ω_м=2ω/z_p. Здесь ω - угловая частота напряжения питания. Момент на валу медленного вращения М_м=z_pM_б/2.

Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.

На торцевых поверхностях коронок зубцов 6, 7, обращенных к активной зоне, имеются клиновидные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.

На фиг. 5 показаны зубцы с обмотками. Катушки А и -А смещены на угол π/2 и соединены последовательно и согласно. Аналогично размещены и соединены соответственно катушки В, -В и С, -С.

Ферромагнитные элементы дисков статора и ротора медленного вращения выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется.

Передача момента от ротора быстрого вращения к ротору медленного вращения является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на валу медленного вращения он отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.

Электродвигатель не имеет механических контактов между подвижными активными частями, бесшумен в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между роторами осуществляется через магнитное поле.

Удельная энергия магнитного поля определяется выражением

При линейной кривой размагничивания максимальная энергия постоянного магнита достигается при условии равенства магнитных сопротивлений постоянного магнита и нагрузки, которой являются зазоры между дисками статора и ротора медленного вращения. Это равенство обеспечивает высокие энергетические показатели и выполняется, если толщина магнита равна сумме длин зазоров между дисками, т.е. при выполнении равенства

h_м=2mδ,

где δ - зазор между дисками, m - число дисков ротора медленного вращения.

Установка подшипника 23 ротора быстрого вращения на вал 20 увеличивает базу для вала и упрощает конструкцию. Ротор быстрого вращения усиливает поле, созданное обмоткой двигателя. Благодаря его размещению посередине и размещению зубцов с катушками на обоих магнитопроводах получается симметричная магнитная система и полностью снимается осевое усилие, действующее на вал. Подшипники 21, 22 нагружены лишь радиальными усилиями, что снижает напряжение трогания электродвигателя и повышает его надежность.

Центральное размещение ротора быстрого вращения с постоянными магнитами снижает магнитный поток рассеяния в магнитном редукторе приблизительно в четыре раза по сравнению с несимметричным размещением. Это увеличивает полезный магнитный поток, проходящий через диски статора и ротора медленного вращения, что увеличивает максимальный вращающий момент электродвигателя.

Мощность потерь в обмотках, приходящаяся на один торец электродвигателя, в два раза меньше, чем при одностороннем положении обмотки, что облегчает охлаждение электродвигателя и повышает его надежность.

На фиг. 6 показано распределение МДС F(x) прототипа в момент времени, когда ток в фазе А максимален. Показаны первая F₁(х) и вторая F₂(х) гармоники. Магнитодвижущая сила одной катушки при максимальном значении тока принята равной 20 А.

На фиг. 7 показано распределение МДС F(x) в момент времени, когда ток в фазе А максимален. Показаны первая F₁(x) и пятая F₅(x) гармоники. Магнитодвижущая сила одной катушки при максимальном значении тока принята равной 10 А - в два раза меньше, чем в обмотке прототипа. В таблице приведены амплитуды пространственных гармоник для обмотки прототипа с шестью катушками и заявляемой обмотки с двенадцатью катушками.

Видно, что пространственные гармоники МДС, кратные трем, отсутствуют в обеих обмотках. В предлагаемой обмотке отсутствуют четные гармоники. Нечетные гармоники, не кратные трем, в обеих обмотках совпадают.

Среднеквадратическое значение высших пространственных гармоник МДС прототипа и заявляемой обмоток имеют значения

Видно, что у заявляемой обмотки действующее значение высших гармоник МДС меньше на 54,28%.

Высшие пространственные гармоники МДС создают аналогичные гармоники магнитной индукции и вызывают дополнительные магнитные потери в стали статора и ротора. Поэтому предлагаемая обмотка имеет значительные преимущества по экономичности.