Многослойный торцевой моментный электродвигатель

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу. Многослойный торцевой моментный электродвигатель содержит ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с обмотками. В статорах, расположенных с обеих сторон любого из дисков ротора, размещены кольцевые обмотки только одной фазы, установленные в каждом статоре соосно с ротором между двумя полыми цилиндрическими магнитопроводами разных диаметров. На торцах полых цилиндрических магнитопроводов, обращенных к ротору, выполнены зубцы, число которых равно числу пар полюсов ротора, и зубцы наружного и внутреннего цилиндрических магнитопроводов смещены по углу на угловую ширину полюса ротора, а со стороны другого торца цилиндрические магнитопроводы сопряжены с пакетами магнитопроводов из пластин, расположенными в радиальном направлении. Статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2π эл. рад, деленный на число фаз. В результате упрощается конструкция многослойных торцевых моментных электродвигателей с большим числом пар полюсов, а также повышается технологичность и снижается трудоемкость и стоимость изготовления двигателя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.

Аналогом является, например, торцевой магнитоэлектрический моментный двигатель (а.с. № 1775807, БИ № 42, 1992), имеющий тороидальный зубчатый магнитопровод статора, в радиальных пазах которого расположена обмотка, и два ротора с постоянными магнитами с осевой намагниченностью, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, предназначенный для применения в электроприводах с низкими частотами вращения.

Наиболее близок к предлагаемой машине многослойный дисковый электродвигатель (Белый П.Н. Конструктивное развитие дисковых высокомоментных технологических электродвигателей с высококоэрцитивными постоянными магнитами. // Электротехника, 2001, №7, с.20-23), имеющий четыре установленных на одном валу дисковых ротора с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и три расположенных между роторами статора, на зубцах которых в радиальных пазах размещены обмотки.

Недостатками прототипа является сложность конструкции и технологии изготовления многослойных торцевых моментных электродвигателей с высоким выходным моментом. Для повышения момента двигателя необходимо увеличивать число пар полюсов ротора, а значит, увеличивать число зубцов и радиальных пазов магнитопровода статора с размещенными в них обмотками. При изготовлении статора с большим числом зубцов и радиальных пазов, в которых размещаются витки обмотки статора, возникают технологические трудности, повышается трудоемкость и стоимость изготовления электродвигателя.

Предлагаемое изобретение упростит конструкцию многослойных торцевых моментных электродвигателей с большим числом пар полюсов и одновременно повысит технологичность и снизит трудоемкость и стоимость изготовления двигателя.

Это достигается тем, что в многослойном торцевом моментном электродвигателе, содержащем ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с обмотками, в статорах, расположенных с обеих сторон любого из дисков ротора, размещены кольцевые обмотки только одной фазы. Кольцевые обмотки фазы установлены в каждом статоре соосно с ротором между двумя полыми цилиндрическими магнитопроводами разных диаметров, на торцах полых цилиндрических магнитопроводов, обращенных к ротору, выполнены зубцы. Число зубцов на цилиндрических магнитопроводах равно числу пар полюсов ротора и зубцы наружного и внутреннего цилиндрических магнитопроводов смещены по углу на угловую ширину полюса ротора. Со стороны другого торца цилиндрические магнитопроводы сопряжены с пакетами магнитопроводов из пластин, расположенными в радиальном направлении. При этом статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2π эл. рад, деленный на число фаз.

Масса и габариты предлагаемого двигателя уменьшаются, если в каждом из двух статоров фазы обмотка выполнена из нескольких кольцевых секций с чередующимся направлением намагничивающей силы. Кольцевые секции фазы размещаются между полыми цилиндрическими магнитопроводами разных диаметров, число которых в статоре должно быть на единицу больше числа кольцевых секций фазы. На торцах, обращенных к ротору, цилиндрические магнитопроводы имеют зубцы, число которых равно числу пар полюсов ротора, и зубцы четных и нечетных цилиндрических магнитопроводов смещены по углу на угловую ширину полюса ротора.

Размещение на статорах, расположенных по обе стороны каждого из дисков ротора, обмоток только одной из фаз и выполнение каждого статора из полых цилиндрических магнитопроводов с зубцами на торцевой поверхности позволяет использовать в двигателе простейшие кольцевые обмотки, что делает предлагаемый электродвигатель намного технологичнее и дешевле, чем электродвигатель с обмотками, уложенными в радиальные пазы магнитопровода. Это особенно проявляется в моментных двигателях с большим числом пар полюсов.

На фиг.1 приведено осевое сечение предлагаемого электродвигателя в трехфазном исполнении с одной кольцевой секцией фазы на каждом статоре; на фиг.2а - торцевая поверхность первого статора первой фазы двигателя, показанного на фиг.1; на фиг.2б - торцевая поверхность диска ротора, обращенная к первому статору первой фазы, на фиг.2в - торцевая поверхность диска ротора, обращенная ко второму статору первой фазы, на фиг.2г - торцевая поверхность второго статора первой фазы; на фиг.3 - осевое сечение предлагаемого электродвигателя с двумя кольцевыми секциями фазы на каждом статоре; на фиг.4а - торцевая поверхность первого статора первой фазы двигателя, показанного на фиг.3; на фиг.4б - торцевая поверхность диска ротора, обращенная к первому статору первой фазы, на фиг.4в - торцевая поверхность диска ротора, обращенная ко второму статору первой фазы, на фиг.4г - торцевая поверхность второго статора первой фазы.

На валу 1 (фиг.1) закреплены три одинаковых ферромагнитных диска 2 с установленными на торцевых сторонах постоянными магнитами 3 с осевым магнитным потоком. Полярность постоянных магнитов 3 чередуется в тангенциальном направлении. Вал 1 установлен в подшипниках 4, зафиксированных в крышках 5 и 6. В крышках 5 и 6 и в двух цилиндрических корпусах 7 и 8 установлено шесть статоров 9, 10, 11, 12, 13 и 14 электродвигателя. На фиг.1 обозначены элементы магнитопроводов двух статоров 9 и 10: наружные полые цилиндрические магнитопроводы 15 и 16, например, навитые из ленты; внутренние полые цилиндрические магнитопроводы 17 и 18 меньшего диаметра; радиально расположенные пакеты 19 и 20, набранные из пластин. Из аналогичных элементов состоят магнитопроводы и остальных статоров 11, 12, 13 и 14 электродвигателя.

В полостях статоров 9, 10, 11, 12, 13 и 14 расположено по одной кольцевой обмотке 21, 22, 23, 24, 25 и 26 фаз. Каждая из трех фаз электродвигателя состоит из двух кольцевых секций. Первую фазу составляют обмотки 21 и 22, вторую фазу - обмотки 23 и 24, третью фазу - обмотки 25 и 26, то есть по торцевым сторонам каждого из дисков 2 ротора расположены статоры одной и той же фазы. Первая фаза размещается на статорах 9 и 10, вторая фаза - на статорах 11 и 12, третья фаза - на статорах 13 и 14.

На фиг.2а показана торцевая поверхность статора 9, обращенная к ротору. Наружный цилиндрический магнитопровод 15 на торце, обращенном к ротору, имеет зубцы 27. Внутренний цилиндрический магнитопровод 17 на торце, обращенном к ротору, также имеет зубцы 28. Для наглядности пазы между зубцами 27 и 28 на торцах магнитопроводов 15 и 17 заштрихованы. Угловая ширина зубцов 27 и 28 примерно равна угловой ширине полюса 3 (фиг.2б) ротора. Цилиндрические магнитопроводы 15 и 17 расположены друг относительно друга так, что их зубцы смещены по углу на угловую ширину полюса 3 ротора.

На фиг.2б показана обращенная к статору 9 торцевая сторона диска ротора, по сторонам которого расположены статоры первой фазы. На торцевой стороне этого ротора, обращенной к статору 10, полярность полюсов 3 противоположная (фиг.2в). При таком расположении постоянных магнитов 3 силы взаимного притяжения прижимают постоянные магниты 3 к диску 2.

На фиг.2г показана обращенная к ротору торцевая поверхность статора 10. На торцах, обращенных к ротору, наружный цилиндрический магнитопровод 16 и внутренний цилиндрический магнитопровод 18 имеют соответственно зубцы 29 и 30, угловая ширина которых примерно равна угловой ширине полюса 3 ротора. Пазы между зубцами 29 и 30 на торцах магнитопроводов 16 и 18 для наглядности заштрихованы. По углу зубцы 29 и зубцы 30 смещены на угловую ширину полюса 3 ротора.

Статоры 9 и 10 установлены в крышке 5 и корпусе 7 так, что их диаметральные оси смещены относительно друг друга на угловую ширину полюса 3 ротора.

Конструкция статоров 11 и 12, в которых размещены обмотки 23 и 24 второй фазы, аналогична конструкции статоров 9 и 10, но статоры 11 и 12 смещены относительно статоров 9 и 10 на угол 2π электрических радиан, деленный на три. Такие же статоры 13 и 14, в которых размещены обмотки 25 и 26 третьей фазы, смещены относительно статоров 9 и 10 на угол 4π электрических радиан, деленный на три.

Электродвигатель работает следующим образом. Пусть сначала постоянный ток условного положительного направления протекает в обмотках 21 и 22 первой фазы, а обмотки 23 и 24 второй фазы и обмотки 25 и 26 третьей фазы обесточены. Обмотки 21 и 22 первой фазы могут быть соединены последовательно или параллельно. При условном положительном направлении тока обмотка 21 создает магнитный поток Ф1 (показан на фиг.1 пунктирной линией) статора 9, проходящий в осевом направлении через цилиндрический магнитопровод 15, в радиальном направлении через пакеты радиальных пластин 19 и снова в осевом направлении через цилиндрический магнитопровод 17. Затем поток Ф1 пересекает зазор между магнитопроводом 17 и ротором, проходит в осевом направлении через постоянные магниты 3, в тангенциально-радиальном направлении через диск ротора 2, снова в осевом направлении через постоянные магниты 3 и зазор между ротором и магнитопроводом 15. При этом зубцы 27 магнитопровода 15 будут иметь южную полярность, а зубцы 28 магнитопровода 17 будут иметь северную полярность.

Обмотка 22 создает магнитный поток Ф2 статора 10, проходящий по пути, аналогичному пути потока Ф1 статора 9: через цилиндрический магнитопровод 16, пакеты радиальных пластин 20, цилиндрический магнитопровод 18, воздушные зазоры, постоянные магниты 3 и диск 2. При этом зубцы 29 магнитопровода 16 будут иметь южную полярность, а зубцы 30 магнитопровода 18 будут иметь северную полярность.

При взаимодействии обмоток 21 и 22 с магнитным полем ротора на ротор будет действовать электромагнитный момент, поворачивающий ротор в положение, при котором магнитные потоки обмоток 21 и 22 и ротора будут направлены согласно. На торцевой стороне ротора, обращенной к статору 9, северные полюсы 3 ротора расположатся напротив зубцов 27 наружного цилиндрического магнитопровода 15, а южные полюсы 3 ротора расположатся напротив зубцов 28 внутреннего цилиндрического магнитопровода 17. На торцевой стороне ротора, обращенной к статору 10, северные полюсы 3 ротора расположатся напротив зубцов 29 наружного цилиндрического магнитопровода 16, а южные полюсы 3 ротора расположатся напротив зубцов 30 внутреннего цилиндрического магнитопровода 18.

При включении обмоток 23 и 24 второй фазы и выключенных обмотках 21 и 22 первой фазы и обмотках 25 и 26 третьей фазы возникнут магнитные потоки статора 11 и 12. Магнитный поток статора 11 будет аналогичен магнитному потоку статора 9, а магнитный поток статора 12 будет аналогичен магнитному потоку статора 10. Так как статоры 11 и 12 смещены относительно статоров 9 и 10 по углу на 2π/3 эл. рад, а диски 2 ротора одинаковы и установлены на валу двигателя без углового смещения, то под действием электромагнитного момента ротор и вал двигателя повернутся на 2π/3 эл. рад.

При включении обмоток 25 и 26 третьей фазы и выключенных обмотках 21 и 22 первой фазы и обмотках 23 и 24 второй фазы возникнут магнитные потоки статора 13 и 14. Статоры 13 и 14 смещены относительно статоров 9 и 10 по углу на 4π/3 эл. рад., и ротор повернется еще на 2π/3 эл. рад в том же направлении.

После этого вновь включаются обмотки 21 и 22 первой фазы, ротор вновь поворачивается на 2π/3 эл. рад и т.д.

Для изменения направления вращения ротора нужно изменить порядок переключения фаз двигателя на обратный.

При дискретном характере изменения токов в обмотках, как описано выше, двигатель будет работать, как шаговый. Если на фазы двигателя подать трехфазное синусоидальное напряжение, то двигатель будет работать, как трехфазный синхронный электродвигатель с плавным вращением вала. Если переключать обмотки по сигналам датчика положения ротора, то двигатель будет работать, как бесконтактный двигатель постоянного тока (вентильный). Предлагаемую электрическую машину можно использовать также в качестве генератора для получения трехфазного напряжения.

Масса и габариты предлагаемого электродвигателя уменьшаются, если в каждом статоре 9, 10, 11, 12, 13 и 14 двигателя разместить несколько кольцевых секций фаз. На фиг.3 приведено осевое сечение многослойного торцевого моментного электродвигателя с двумя кольцевыми секциями фазы в каждом статоре 9-14. В статоре 9 находятся кольцевые секции 31 и 32 первой фазы, а в статоре 10 находятся кольцевые секции 33 и 34 первой фазы. Кольцевые секции 31 и 32 в статоре 9 размещаются между полыми цилиндрическими магнитопроводами 35, 36 и 37, число которых в статоре должно быть на единицу больше числа кольцевых секций. Кольцевые секции 33 и 34 в статоре 10 размещены между цилиндрическими магнитопроводами 38, 39 и 40. Цилиндрические магнитопроводы 35, 36 и 37 статора 9 по торцам сопряжены с радиально расположенными пакетами 19 радиального магнитопровода, набранными из пластин. Цилиндрические магнитопроводы 38, 39 и 40 статора 10 по торцам сопряжены с радиально расположенными пакетами 20.

На фиг.4а показана торцевая поверхность статора 9, обращенная к торцевой поверхности диска ротора, показанной на фиг.4б. На торцевых поверхностях цилиндрических магнитопроводов 35, 36 и 37 выполнены зубцы соответственно 41, 42 и 43. Для наглядности пазы между зубцами 41, 42 и 43 на торцах магнитопроводов 35, 36 и 37 заштрихованы. Зубцы 41 и 43 на нечетных цилиндрических магнитопроводах 35 и 37 по углу совпадают, а зубцы 42 четного цилиндрического магнитопровода 36 смещены относительно зубцов 41 и 43 на угловую ширину полюса 3 ротора. На фиг.4г показана торцевая поверхность статора 10, обращенная к торцевой поверхности ротора, показанной на фиг.4в. Зубцы 44 и 46 на четных цилиндрических магнитопроводах 38 и 40 по углу совпадают, а зубцы 45 нечетного цилиндрического магнитопровода 39 смещены относительно зубцов 44 и 46 на угловую ширину полюса 3 ротора.

Аналогичным образом устроены статоры 11 и 12 второй фазы и статоры 13 и 14 третьей фазы. Статоры различных фаз смещены до углу относительно друг друга на угол, равный 2π/3 эл. рад.

В каждом статоре кольцевые секции должны быть соединены так, чтобы их намагничивающие силы были противоположны. (При трех и более секциях в статоре их намагничивающие силы должны чередоваться.) При положительном токе в первой фазе секции 31 и 32 создают в статоре 9 два направленных встречно магнитных потока Ф11 и Ф12 (фиг.3). При положительном направлении тока первой фазы зубцы 41 и 43 цилиндрических магнитопроводов 35 и 37 будут иметь южную полярность, а зубцы 42 цилиндрического магнитопровода 36 - северную полярность. В статоре 10 ток первой фазы создаст магнитные потоки Ф21 и Ф22 (фиг.3). Зубцы 44 и 46 цилиндрических магнитопроводов 38 и 40 будут иметь южную полярность, а зубцы 45 цилиндрического магнитопровода 39 - северную полярность. Под действием электромагнитного момента ротор повернется в такое положение, чтобы магнитные потоки ротора, потоки Ф11 и Ф12 статора 9 и потоки Ф21 и Ф22 статора 10 были направлены согласно. При этом на торцевой поверхности, обращенной к статору 9 (фиг.4б), северные полюсы 3 ротора совпадут по углу с зубцами 41 и 43, а южные полюсы 3 ротора совпадут с зубцами 42. На торцевой поверхности ротора, обращенной к статору 10 (фиг.4в), северные полюсы 3 ротора совпадут по углу с зубцами 44 и 46, а южные полюсы 3 ротора совпадут с зубцами 45.

При переключении фаз двигатель, показанный на фиг.3, будет работать так же, как и двигатель, изображенный на фиг.1.

В электродвигателе, приведенном на фиг.3, по сравнению с электродвигателем, изображенным на фиг.1, магнитный поток каждого статора разделен на две части. В результате поток, проходящий в радиальном направлении, уменьшается в два раза, и площадь поперечного сечения пакетов магнитопроводов 9 и 10 может быть, соответственно, уменьшена в два раза. За счет этого уменьшаются масса и габариты электродвигателя. В общем случае площадь сечения радиальных пакетов магнитопровода уменьшается в число раз, равное числу кольцевых секций в каждом статоре.

1. Многослойный торцевой моментный электродвигатель, содержащий ротор, состоящий из нескольких установленных на одном валу дисков с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и зубчатые статоры с обмотками, отличающийся тем, что в статорах, расположенных с обеих сторон любого из дисков ротора, размещены кольцевые обмотки только одной фазы, установленные в каждом статоре соосно с ротором между двумя полыми цилиндрическими магнитопроводами разных диаметров, на торцах полых цилиндрических магнитопроводов, обращенных к ротору, выполнены зубцы, число которых равно числу пар полюсов ротора, и зубцы наружного и внутреннего цилиндрических магнитопроводов смещены по углу на угловую ширину полюса ротора, а со стороны другого торца цилиндрические магнитопроводы сопряжены с пакетами магнитопроводов из пластин, расположенными в радиальном направлении, при этом статоры разных фаз смещены относительно друг друга на угол, равный 2π эл. рад., деленный на число фаз.

2. Многослойный торцевой моментный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что в каждом из двух статоров фаза выполнена из нескольких кольцевых секций с чередующимся направлением намагничивающей силы, кольцевые секции фазы размещены между полыми цилиндрическими магнитопроводами разных диаметров, число которых в статоре должно быть на единицу больше числа кольцевых секций фазы, на торцах, обращенных к ротору, цилиндрические магнитопроводы имеют зубцы, число которых равно числу пар полюсов ротора, и зубцы четных и нечетных цилиндрических магнитопроводов смещены по углу на угловую ширину полюса ротора.