Електрична машина магнітоелектричного типу

Реферат: Заявлена безпазова електрична машина магнітоелектричного типу, ротор якої збуджений постійними магнітами. Для підвищення швидкодії та зменшення маси ярмо і магнітопровід системи збудження ротора оптимізовано. Запропоновано виконати їх із змінними по довжині кола перерізами відповідно до різного ступеня насиченості його елементів. Закон збільшення перерізу від мінімального до максимального значення пропорційний зростанню магнітного потоку згідно з зростанням кутової дуги полюса. Це дає зменшення маси та моменту інерції ротора. UA 98879 C2 (12) UA 98879 C2 UA 98879 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі електромеханіки і може бути використаний при побудові безпазових електричних двигунів магнітоелектричного типу з магнітним збудженням потоку. Відома безконтактна електрична машина магнітоелектричного типу [1], яка містить зубцевий статор з m-фазною обмоткою, яка розташована в пазах шихтованого набору, та ротор, що має 2р полюсів, що чергуються. Недоліками аналога є великі індуктивність та електромагнітна постійна часу, оскільки обмотка розташована в пазах магнітопроводу, тобто має феромагнітне осердя. Відомий також електродвигун [2], який містить безпазовий статор з обмоткою, що розташована в циліндричному шихтованому пакеті, та явнополюсний ротор з постійними магнітами. Цей двигун вільний від недоліків аналога, має зменшені індуктивні параметри та електромагнітну постійну через розташування обмотки у відносно великому гладкому повітряному зазорі. Недоліком цього аналога є наступне. Оскільки обмотка розташована в нерухомому відносно ротора шихтованому наборі, то мають місце втрати на гістерезис та вихрові струми в цьому наборі. Тобто машина має зменшений ккд. Відома також електрична машина, прийнята за прототип [3], в якої є внутрішній ротор магнітопровід, зовнішній ротор з постійними магнітами, встановленими неробочими полюсами на ярмі, та обмотка статора, яка розташована на залізному магнітопроводі між роторами. Недоліками прототипу є наступне. По-перше, це наявність залізного магнітопроводу обмотки, в якому збуджуються вихрові струми та який перемагнічується при обертанні ротора. Тобто мають місце втрати енергії, що обумовлює відносно невисокий ККД. По-друге, і ярмо, і магнітопровід ротора виконані у вигляді циліндричних стаканів, постійний переріз яких визначають через максимальний потік магнітної індукції, що проходить скрізь нього за умови допустимої насиченості магнітопроводів. Тому магнітопроводи мають надлишкову масу та підвищений момент інерції ротора, а через це - підвищену електромеханічну постійну часу та зменшену швидкодію. Задачею винаходу було підвищення швидкодії та зменшення маси безпазової електричної машини шляхом формування змінного перерізу магнітопроводів ротора з дотриманням умов їх допустимої насиченості, але з урахуванням геометрії та розташування постійних магнітів. Ця задача вирішується тим, що в безпазовій електричній машині, яка містить статорну обмотку і систему збудження магнітного потоку ротора, складену з постійних магнітів, полярність яких чергується, феромагнітного ярма, на якому встановлено неробочі полюси магнітів, і феромагнітного магнітопроводу, розташованого концентрично та з зазором відносно робочих полюсів магнітів, ярмо і магнітопровід виконані із змінним по довжині кола перерізом таким чином, що мінімальні перерізи кожного з них розташовані проти середини кожного полюса, а максимальні проти міжполюсних проміжків, або проти нейтралей при цільній кільцевій формі 2n полюсного магніту, причому збільшення перерізу від мінімального до максимального значення відповідає збільшенню магнітного потоку на половині полюса при зростанні кута полюсної дуги від середини полюса до його країв. Досягнення нового технічного результату обумовлено наступним. Магнітний потік, який виходить з полюсів магнітів і потрапляє в магнітопровідне кільце, де змінює напрямок та розтікається від положення середини полюса в двох напрямках до сусідніх полюсів протилежної полярності. Ці два симетричні потоки складаються в магнітопроводі з елементарних потоків від елементарних частин магніту, згідно з тим, як зростає кут дуги полюсу. Тому найменш напруженим місцем магнітопроводу є переріз, який лежить в площині середини полюсу, а найбільш напруженим - переріз кільця в тому місці, де складаються всі елементарні потоки, тобто наприкінці полюсу. Відповідно до цього переріз магнітопроводу теж повинен збільшуватись згідно з тим, як збільшується сумарний потік в магнітопроводі - від мінімального проти середини полюсу до максимального проти кінців полюсної дуги, тобто там, де починається міжполюсний проміжок, якщо магнітна система виконана з окремих магнітів, розділених проміжками. Якщо магніт з будь-якою полярністю виконаний цільним і не має міжполюсних проміжків, то переріз магнітопроводу повинен зростати від площини, що проходить через середину полюса до площини, що співпадає з положенням нейтралей між полюсами. Такі магнітопроводи не будуть мати надлишкової маси. Їх маса та момент інерції будуть зменшеними, тому швидкодія двигуна буде збільшена. Таким чином, завдяки введенню нових ознак у відому безпазову електричну машину зменшуються маса і момент інерції ротора, в результаті чого підвищується її швидкодія в динамічних режимах. Отже, на підставі викладеного можна зробити висновок про те, що сукупність суттєвих ознак, яка запропонована у формулі винаходу, необхідна і достатня для досягнення нового технічного результату. 1 UA 98879 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На фіг. 1 зображено ротор безпазової електричної машини, який містить ярмо 1 з встановленими на ньому магнітами 2 у вигляді секторів, полярність яких чергується, та зовнішній магнітопровід 3, який жорстко зв'язаний з ярмом (цей зв'язок на малюнку не показаний). На фіг. 2 зображено ротор безпазової електричної машини, який містить ярмо 1, з встановленим на ньому цільним двополюсним магнітом 2 та зовнішній магнітопровід 3, який жорстко зв'язаний з ярмом (цей зв'язок на малюнку не показаний). Кількість магнітів на фіг. 1 та полюсів цільного магніту на фіг. 2 не має значення. На фіг. 3 зображено картину магнітних полів двополюсної магнітної системи ротора, яка отримана в результаті комп'ютерного моделювання. Магнітна система містить зовнішнє ярмо 1, постійні магніти 2 та внутрішній магнітопровід 3. На фіг. 4 зображено поперечний переріз безпазової магнітоелектричної машини. Вона містить ротор, який складається з ярма 1, цільного двополюсного постійного магніту кільцевої форми та магнітопроводу 3. В повітряному зазорі між магнітами 2 та магнітопроводом 3 розташовано електрообмотку статора 4. Якщо електрична машина працює в режимі двигуна, обмотка підключається до електронного блока керування (на малюнку не показано). Штриховкою на фіг. 4 (позиції 5 та 6) показано, наскільки зменшено магнітопровід 3 та ярмо 1 відносно первинних форм кілець циліндричної форми. Якщо необхідно зберегти циліндричні поверхні ярма та магнітопроводу, об'єми кілець, що стали вільними, можуть бути заповненими замість сталі легким сплавом або пластичною масою із значно меншою питомою вагою, ніж питома вага сталі. Суть винаходу пояснюється наступним. На фіг. 3 показано, як магнітні силові лінії, потрапивши від магнітів 2 в ярмо 1, та через зазор в магнітопровід 3, змінюють напрямок з радіального на тангенціальний і розтікаються у протилежних напрямках, прямуючи уздовж кілець 1 і 3 до протилежного полюса. Видно також, що найменшу гущину силові лінії мають напроти середин полюсів як в ярмі 1, так і в магнітопроводі 3. Поступово гущина ліній збільшується у міру наближення до країв полюсів, тобто насичує ці магнітопровідні елементи. На фіг. 3 видно також, що через недостатній переріз ярма 1 і магнітопроводу 3 відбулося їх насичення ще до кінцевих зон полюсів і магнітні силові лінії вийшли з магнітом'яких кілець у зовнішній простір. Тобто очевидно, що обидва магнітопроводи мають надлишковий переріз проти полюсів, який має бути мінімальним і поступово збільшуватись при переміщенні до країв полюсів. Це реалізовано у магнітопроводах, які зображено на фіг. 1 та фіг. 2 як приклади. На фіг. 1 перерізи ярма і магнітопроводу поступово збільшуються при переміщенні від площин П 1П1 та П2-П2, які проходять через центри полюсів до площин О-О, які проходять через їх торці. На фіг. 2 перерізи ярма і магнітопроводу поступово збільшуються при переміщенні від площини ПП яка проходять через центри полюсів до площини нейтралі Н-Н. На фіг. 2 видно наскільки меншими стали ярмо і магнітопровід відносно прототипу (позначено пунктиром). Відповідно зменшенню об'єму магнітопроводів зменшується їх маса та осьові моменти інерції. Відомо, що при розгоні чи гальмуванні ротора кутове прискорення ротора прямо пропорційне електромагнітному моменту, який прикладається до ротора, та зворотно пропорційне його осьовому моменту інерції. Таким чином зменшення моменту інерції ротора при незмінних інших його характеристиках забезпечує підвищення кутового прискорення, що покращує його динамічні можливості, тобто швидкодію. Таким чином, у порівнянні з прототипом, у новому технічному рішенні шляхом виконання ярма і магнітопроводу із змінними по довжині кола перерізами таким чином, що мінімальні перерізи кожного з них розташовані проти середини кожного полюса, а максимальні проти міжполюсних проміжків, або проти нейтралей при цільній кільцевій формі 2n полюсного магніту, причому закон збільшення перерізу від мінімального до максимального значення відповідає збільшенню магнітного потоку на половині полюса при зростанні кута полюсної дуги від середини полюса до його країв, досягається зменшення маси та підвищення швидкодії безпазової електричної машини магнітоелектричного типу. Література 1. Патент РФ № 2143777 по класу Н02К . 2. Патент РФ № 2161852 по класам: Н02К21/14, Н02К5/132, Н02К15/04, Н02К3/04. 3. Патент РФ № 2396671 по класам: Н02К17/00, Н02К1/16, Н02К16/02 . ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 Безпазова електрична машина магнітоелектричного типу, яка містить статорну обмотку і систему збудження магнітного потоку ротора, складену з постійних магнітів, полярність яких 2 UA 98879 C2 5 чергується, феромагнітного ярма, на якому встановлено неробочі полюси магнітів, і феромагнітного магнітопроводу, розташованого концентрично та з зазором відносно робочих полюсів магнітів, яка відрізняється тим, що ярмо і магнітопровід виконані із змінним по довжині кола перерізом таким чином, що мінімальні перерізи кожного з них розташовані проти середини кожного полюса, а максимальні проти міжполюсних проміжків, або проти нейтралей при цільній кільцевій формі 2n полюсного магніту, причому збільшення перерізу від мінімального до максимального значення відповідає збільшенню магнітного потоку на половині полюса при зростанні кута полюсної дуги від середини полюса до його країв. 3 UA 98879 C2 4 UA 98879 C2 5 UA 98879 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6