Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением
Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных электрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в системах автоматики, в электроприводах большой и средней мощности судов, троллейбусов, трамваев метро, бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами его вращения, в качестве прямых приводов без применения механических редукторов, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, синхронных генераторов преобразователей частоты и в качестве управляемых шаговых двигателей. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением содержит статор с корпусом из магнитомягкого материала с закрепленными в нем шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью четными и нечетными пакетами статора, число которых не менее двух, немагнитный вал, пакеты статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, пакеты статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси их находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов совпадают, нечетные и четные пакеты ротора, число которых равно числу пакетов статора, напрессованы на соответствующие нечетные и четные магнитопроводы ротора, которые насажены на немагнитную втулку, установленную на немагнитном валу, пакеты ротора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы, четные пакеты ротора смещены относительно нечетных пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора, между магнитопроводами ротора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, число кольцевых слоев постоянных магнитов на один меньше числа пакетов ротора, на явно выраженных полюсах пакетов статора сосредоточена катушечная m-фазная обмотка якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие явно выраженные полюса четных и нечетных пакетов статора по одному полюсу каждого пакета, обмотка возбуждения индуктора выполнена в виде кольцеобразных катушек с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины, число кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора на одну меньше числа пакетов статора. При этом для работоспособности машины должны выполняться определенные соотношения между числом явно выраженных полюсов якоря, числом элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе, общим числом зубцов якоря, числом зубцов на каждом пакете ротора и числом фаз m-фазной обмотки якоря. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в получении высокотехнологичных конструкций с возможностью применения каркасных катушек обмотки якоря бесконтактных редукторных электрических машин с аксиальным комбинированным возбуждением и применением электромагнитной редукции в широких пределах при обеспечении высоких энергетических показателей и эксплуатационных характеристик с возможностью плавного и глубокого регулирования выходных параметров. 8 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных электрических машин с электромагнитной редукцией, и может быть использовано в системах автоматики, в электроприводах большой и средней мощности судов, троллейбусов, трамваев, метро, бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами его вращения, в качестве прямых приводов без применения механических редукторов, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, синхронных генераторов преобразователей частоты и в качестве управляемых шаговых двигателей.
Известен синхронный редукторный двигатель (Патент RU, 2054220 C1, МПК6 H02K 37/00, H02K 19/06, авторы: Шевченко А.Ф.; Калужский Д.Л.), содержащий ротор с Zp зубцами и статор с 4·p полюсами (p=1, 2, 3, …), на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы по ZS зубцов на каждом полюсе, причем Zr=4·p·(Zs+K)±p (где K=0, 1, 2, … - целое число), в большие пазы между полюсами уложены катушки однофазной обмотки по одной на каждом полюсе, катушки, расположенные на одноименных полюсах с номерами, различающимися на 4, соединены последовательно «конец» с «началом» и образуют четыре ветви, «конец» первой ветви, образованной 1, 5, …, 1+4·(p-1) катушками, соединен с «началом» третьей ветви, образованной 3, 7, …, 3+4·(p-1) катушками, и точка соединения этих ветвей подключена к первому выводу обмотки, «конец» второй ветви, образованной 2, 6, …, 2+4·(p-1) катушками, соединен с «началом» четвертой ветви, образованной 4, 8, …, 4+4·(p-1) катушками и точка соединения этих ветвей через последовательно включенный конденсатор также подключена к первому выводу, а ко второму выводу подключены два диода таким образом, что с анодом первого из них соединены первая и четвертая ветви, а с катодом второго диода - вторая и третья ветви. Недостатком описанного синхронного редукторного двигателя являются невысокие энергетические показатели. Кроме этого, указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.
Известен бесконтактный моментный электродвигатель (Патент RU, 2285322 C1, МПК H02K 21/00, автор Епифанов O.K.), содержащий магнитомягкий кольцевой пазовый статор с Р явно выраженными зубчатыми полюсами и с сосредоточенной m-фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса статора, и ротор, выполненный в виде двух соосно расположенных кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора, развернутых относительно друг друга на половину своего зубцового деления, между которыми размещен кольцевой слой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, причем зубчатые полюса статора и зубчатые магнитопроводы ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором δ, а зубцы на магнитопроводах ротора и на полюсах статора выполнены с равномерными и равными друг другу зубцовыми делениями TZ, ротор снабжен немагнитной втулкой толщиной, большей половины толщины bM слоя постоянных магнитов, на которой установлены и закреплены неподвижно относительно друг друга зубчатые магнитопроводы ротора равной друг другу активной осевой длиной Lp и кольцевой слой постоянных магнитов, при этом число m фаз m-фазной обмотки якоря выполнено кратным трем, определяемым как m=2f±1, где f равно 1, 2, 3, …, а явно выраженные зубчатые полюса на пазовом статоре расположены равномерно, при этом их число определяется как P=2m·2S, где s равно 0, 1, 2, …, а на каждом зубчатом полюсе статора симметрично относительно его оси размещено нечетное число зубцов ZC толщиной bZC, при этом оси зубцов соседних зубчатых полюсов статора смещены относительно друг друга на величину, пропорциональную отношению ±TZ к m, причем соседние полюса статора разделены шлицом шириной bШ не менее десятикратной величины воздушного зазора, определяемой из соотношения bШ=TZ·[(1±1/m)-bZC/TZ], а число зубцов ZR на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора выполнено кратным 2n при n, равном 2, 3, 4, …, определяемым как ZR=Р·(ZC±1/m), при этом толщина зубцов bzp каждого из зубчатых магнитопроводов ротора выполнена равной половине его зубцового деления TZ и связана с толщиной зубцов зубчатых полюсов статора bZC соотношением 2/3≤bZC/bZP≤1, а катушки обмотки якоря одной фазы, отстоящие друг от друга на число полюсных делений статора, равное числу m фаз, соединены последовательно-согласно, при этом активная осевая длина LC кольцевого пазового статора с зубчатыми полюсами определяется из соотношения LC=(2LP+bM), причем кольцевые зубчатые магнитопроводы ротора расположены относительно кольцевого пазового статора аксиально симметрично. Недостатком аналога является выполнение числа m фаз m-фазной обмотки якоря только кратным трем, числа явно выраженных зубчатых полюсов статора только четным, числа зубцов на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора только кратным 2n при n, равном 2, 3, 4, …, числа зубцов, размещенных на каждом полюсе статора, только нечетным, толщины зубцов bZP каждого из зубчатых магнитопроводов ротора равной только половине его зубцового деления TZ. Это снижает возможные конструктивные исполнения данного технического устройства и возможности его использования.
Известна принятая за прототип бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением (Патент RU, 2277284 C2, МПК H02K 19/10, H02K 29/00, авторы: Демьяненко А.В.; Жердев И.А,; Козаченко В.Ф.; Русаков A.M.; Остриров В.Н.), содержащая корпус с установленными в нем шихтованными из листов электротехнической стали пакетами статора, число которых кратно двум, с пазами в них для укладки фазных обмоток, фазные обмотки, уложенные в пазы пакетов статора так, что их витки в пазовых частях обмотки параллельны продольной оси машины и один виток охватывает все зубцы пакетов статора, находящиеся против друг друга, обмотку возбуждения с продольной осью, параллельной продольной оси машины, расположенную на статоре между пакетами статора, металлический немагнитный вал с втулкой из магнитомягкого металла на нем, на которой установлены зубчатые пакеты ротора, шихтованные из пластин магнитомягкой стали, число которых равно числу пакетов статора, две крышки с подшипниками, общее число фазных обмоток больше трех и их число кратно трем, причем каждые три фазные обмотки имеют свою независимую нулевую точку и между соседними фазами различных триад имеется угол фазового сдвига, при том, что отношение числа зубцов статора Zст к числу зубцов ротора Zp выражается дробью, в которой число зубцов ротора является простым числом, начиная с пяти (5, 7, 11, 13, 17, …), либо представляет собой произведение простого числа на два, начиная с шести. Недостатком прототипа является выполнение числа пакетов статора только кратным двум, фазных обмоток больше трех и только кратных трем, а числа зубцов ротора являются только простыми числами, начиная с пяти, либо представляют собой произведение простых чисел на два, начиная с шести. Это снижает возможные конструктивные исполнения данного технического устройства и возможности его использования. Кроме того, прототип имеет меньший по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу, меньший КПД и большую длину при прочих равных условиях.
Целью настоящего изобретения является создание конструкции бесконтактной редукторной электрической машины с аксиальным возбуждением индуктора, выполненным комбинированным способом, при большом удельном вращающем моменте на валу с возможностью применения электромагнитной редукции частоты вращения в широких пределах в режиме электрического двигателя, а также при большой удельной мощности с возможности применения электромагнитной редукции частоты ЭДС в широких пределах в режиме электрического генератора, обладающей высокой надежностью и высокой технологичностью выполнения кольцеобразной обмотки возбуждения и обмотки якоря с возможностью применения каркасных катушек.
Задачей настоящего изобретения является установление связи между числом полюсов пакетов статора, числом фаз сосредоточенной на полюсах статора m-фазной катушечной обмотки якоря, общим числом зубцов каждого пакета статора и числом зубцов каждого пакета ротора, а также разработка алгоритма построения схемы соединений m-фазной катушечной обмотки якоря и кольцеобразной обмотки возбуждения индуктора, расположенной между пакетами статора, при расположении между магнитопроводами ротора кольцевых слоев аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высокотехнологичных конструкций бесконтактных редукторных электрических машин с аксиальным возбуждением и применением электромагнитной редукции в широких пределах при обеспечении высоких энергетических показателей и эксплуатационных характеристик с возможностью плавного и глубокого регулирования выходными параметрами.
С целью достижения задачи и технического результата изобретения бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением содержит корпус, выполненный из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющийся магнитопроводом статора, четные и нечетные пакеты статора и ротора, шихтованные из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, причем число пакетов статора не менее двух, число пакетов ротора равно числу пакетов статора, пакеты статора и ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, активная длина крайних пакетов статора и ротора в аксиальном направлении одинакова, при наличии пакетов статора и, соответственно, ротора более двух, активная длина пакетов статора и ротора в аксиальном направлении, находящихся между крайними пакетами, в два раза больше активной длины крайних пакетов, пакеты статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, число явно выраженных полюсов на каждом пакете статора одинаково, число элементарных зубцов на каждом явно выраженном полюсе пакета статора одинаково, пакеты статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов всех четных и нечетных пакетов статора совпадают, пакеты ротора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы, число которых на каждом пакете ротора одинаково, четные пакеты ротора смещены относительно нечетных пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора, пакеты ротора напрессованы на соответствующие втулки, выполненные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющиеся магнитопроводами ротора, которые, в свою очередь, насажены на немагнитную втулку, установленную на немагнитном валу, между магнитопроводами ротора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, создающих униполярное постоянное магнитное поле в рабочем воздушном зазоре, число кольцевых слоев постоянных магнитов на один меньше числа пакетов ротора, на явно выраженных полюсах пакетов статора сосредоточена катушечная m-фазная обмотка якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие (находящиеся друг против друга) явно выраженные полюса четных и нечетных пакетов статора по одному полюсу каждого пакета, между пакетами статора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде охватывающих ротор кольцеобразных катушек с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины, число кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора на одну меньше числа пакетов статора и равно числу кольцевых слоев постоянных магнитов, возбуждение индуктора осуществляется комбинированным способом: от постоянных магнитов и при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) электрическим током, зубцово-пазовая зона якоря выполнена «гребенчатой» распределенной, ширина коронок зубцов каждого пакета ротора определяется равенством bZ2=k·tZ2, ширина коронок элементарных зубцов, расположенных на явно выраженных полюсах пакетов статора, определяется равенством bZ1=k·tZ1, при этом tZ1 и tZ2 представляют собой зубцовые деления явно выраженных полюсов пакетов статора и пакетов ротора соответственно, коэффициент k=0,38÷0,5 и его значение выбирается в зависимости от формы переменного тока источника питания при работе машины в режиме электрического двигателя и от формы переменной ЭДС якоря при работе машины в режиме электрического генератора.
Обмотка возбуждения индуктора бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением может подключаться непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения или к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.
Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением может работать в режиме неуправляемой и управляемой синхронной машины, в режиме управляемого шагового двигателя и в режиме управляемого двигателя постоянного тока с независимым и смешанным возбуждением.
При применении бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря может осуществляться:
- от источника трехфазного переменного напряжения,
- от источника однофазного переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,
- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,
- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,
- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. При этом обмотка возбуждения индуктора может подключаться непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения или к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.
При применении бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением в качестве шагового двигателя питание обмотки якоря осуществляется от источника питания, подающего на обмотку якоря импульсы напряжения по определенному алгоритму в определенный момент времени. При этом для удержания ротора в необходимом положении может быть применен механизм пофазного электромагнитного арретирования. В этом случае обмотка возбуждения индуктора подключается непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения.
При применении бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением в качестве двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. При этом обмотка возбуждения индуктора подключается непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения.
При применении бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением в качестве двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. При этом обмотка возбуждения индуктора подключается к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.
Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной или трапецеидальной формы без постоянной составляющей.
В настоящем изобретении катушечная m-фазная обмотка якоря и обмотка возбуждения индуктора располагаются на статоре, а ферромагнитный зубчатый ротор выполнен с постоянными магнитами и безобмоточным. Возможны исполнения бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением с внешним статором и внутренним ротором, с внутренним статором и внешним ротором. В данном изобретении явно выраженные полюса каждого пакета статора являются явно выраженными полюсами якоря, а активная часть индуктора расположена и на статоре, и на роторе.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг.1÷4 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов нечетных и четного пакетов статора и нечетных и четного пакетов активного ротора (по обмотке возбуждения индуктора протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток), схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря и векторных диаграмм токов, протекающих по обмоткам якоря,
фиг.5 - общий вид бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением с внешним статором и внутренним ротором с тремя пакетами статора и тремя пакетами ротора.
В соответствии с настоящим изобретением между числом явно выраженных полюсов каждого пакета статора Z1P, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, общим числом зубцов каждого пакета статора Z1 и числом зубцов каждого пакета ротора Z2 бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением установлена предельная связь, необходимая для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу, которая выражается равенствами (1), (2), (3):
где Z1m=1, 2, 3, 4, … - число явно выраженных полюсов каждого пакета статора в фазе, Z1S=1, 2, 3, 4, … - число элементарных зубцов на явно выраженном полюсе статора, K=0, 1, 2, 3, … - целое неотрицательное число, tZ1=360°/(Z1P·(Z1S+K)) и tZ2=360°/Z2 определяются в угловом измерении.
Катушки m-фазной обмотки якоря в фазе соединены между собой встречно в магнитном отношении. Начало фазы обмотки может принадлежать любой катушке в фазе. Расположение катушек фаз на полюсах якоря вдоль расточки статора осуществляется в соответствии с чередованием фазных токов на векторной диаграмме. Фазы обмотки якоря могут быть соединены между собой «в звезду» либо «в многоугольник».
Аксиально намагниченные в одном направлении постоянные магниты в кольцевых слоях, расположенных между пакетами ротора, создают постоянный магнитный поток, униполярно замыкающийся через магнитопроводы и пакеты ротора и статора и рабочий воздушный зазор между ними. При этом зубцы нечетных пакетов ротора намагничиваются в радиальном направлении как магнитные полюса одной полярности, например как южные полюса «S», а зубцы четных пакетов ротора намагничиваются в радиальном направлении как магнитные полюса другой полярности, например как северные полюса «N».
Кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора при их наличии более двух могут быть соединены между собой последовательно либо параллельно. Выходные концы обмотки возбуждения индуктора всегда должны быть подключены к источнику постоянного (выпрямленного) напряжения таким образом, чтобы созданный при протекании по ним постоянного (выпрямленного) электрического тока постоянный магнитный поток, замыкаясь униполярно через магнитопроводы и пакеты ротора и статора, а также воздушный зазор между ними, был сонаправлен с постоянным магнитным потоком возбуждения индуктора, созданным кольцевыми слоями постоянных магнитов.
На фиг.1÷4 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3). На фиг.2, кроме этого, показано подключение обмотки возбуждения индуктора через 5-фазный диодный мост к выходным концам фаз 5-фазной обмотки якоря. Соответствие фигур чертежей поперечных разрезов пакетов статора и пакетов ротора и фигур схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице. Положение пакетов ротора относительно пакетов статора на фигуре в двигательном режиме, положение векторов токов на векторной диаграмме и направления токов, протекающих по катушкам обмотки якоря, на соответствующей фигуре схемы соединений катушек m-фазной обмотки якоря бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением показаны в один и тот же момент времени.
| Соответствие фигур чертежей поперечных разрезов пакетов статора и пакетов ротора и фигур схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря | ||||||||
| Фигура | m | Z1m | Z1P | Z1S | K | Z1 | Z2 | |
| чертежа поперечного разреза | схемы соединений катушек обмотки | |||||||
| 1 | 2 | 5 | 3 | 15 | 2 | 1 | 30 | 48 |
| 3 | 4 | 6 | 2 | 12 | 3 | 1 | 36 | 50 |
Рассмотрим конструкцию бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением с внешним статором и внутренним ротором с тремя пакетами статора и тремя пакетами ротора (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Перемагничиваемые с высокой частотой нечетные 1 и четный 2 пакеты статора выполнены шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и закреплены в магнитопроводе 4 статора, выполненного из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющегося корпусом. Пакеты 1 и пакет 2 статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса 13, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы 14. Число явно выраженных полюсов 13 на каждом пакете статора одинаково, число элементарных зубцов 14 на каждом явно выраженном полюсе 13 пакетов статора одинаково. Пакеты 1 и пакет 2 статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси их находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов 13 совпадают. На явно выраженных полюсах 13 пакетов статора размещена катушечная m-фазная обмотка 12 якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие явно выраженные полюса нечетных 1 и четного 2 пакетов статора по одному полюсу каждого пакета. Катушки m-фазной обмотки 12 якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины и могут быть каркасными. Ротор при помощи подшипников 11, вала 5 и подшипниковых щитов 3 позиционирован относительно статора. Вал 5 выполнен немагнитным, например из нержавеющей стали или титана. На валу 5 установлена немагнитная втулка 6, которая может быть выполнена из сплавов алюминия, нержавеющей стали или титана. На втулку 6 насажены нечетные 7 и четный 8 магнитопроводы ротора, выполненные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью, на которых напрессованы соответствующие нечетные 9 и четный 10 пакеты ротора. Нечетные 7 и четный 8 магнитопроводы с нечетными 9 и четным 10 пакетами ротора позиционированы относительно нечетных 1 и четного 2 пакетов статора соответственно. Пакеты 9 и 10 ротора выполнены шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы 15, число которых на каждом пакете ротора одинаково. Четный 10 пакет ротора смещен относительно нечетных 9 пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора. С целью удешевления конструкции пакеты 9 и 10 ротора могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью заедино с магнитопроводами 7 и 8 ротора соответственно. При выполнении машин с малыми диаметрами немагнитная втулка 6 может не устанавливаться. Между магнитопроводами ротора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов. При выполнении машин со средними и большими диаметрами кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов могут быть выполнены из сегментарных постоянных магнитов, а при выполнении машин с малыми диаметрами - из цельных цилиндрических. Постоянные магниты в слоях расположены таким образом, что к нечетным магнитопроводам они прилегают своими полюсами одной полярности, например «S», а к четным магнитопроводам - другой полярности, например «N» (фиг.5). Между нечетными пакетами 1 и четным пакетом 2 статора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде охватывающих ротор кольцеобразных катушек 16 и 17 с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины. Кольцеобразные катушки 16 и 17 могут быть выполнены из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины и соединены между собой последовательно или параллельно. Концы обмотки возбуждения индуктора соединяются с источником постоянного (выпрямленного) напряжения.
Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением работает в двигательном и генераторном режимах.
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). На обмотку возбуждения индуктора подают постоянное (выпрямленное) напряжение, по обмотке возбуждения протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток, создавая постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным магнитным потоком индуктора, совпадающим по направлению с постоянным магнитным потоком, созданным постоянными магнитами. Суммарный постоянный магнитный поток индуктора униполярно замыкается через кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, нечетные 7 и четный 8 магнитопроводы ротора, нечетные 9 и четный 10 пакеты ротора, воздушный зазор между ротором и статором, нечетные 1 и четный 2 пакеты статора и магнитопровод 4 статора. Под действием суммарного постоянного магнитного потока индуктора зубцы 15 нечетных 9 пакетов ротора намагничиваются и образуют полюса одной магнитной полярности, например южные полюса «S», а зубцы 15 четного пакета 10 ротора намагничиваются и образуют полюса другой магнитной полярности, например северные полюса «N». На фазы m-фазной обмотки 12 якоря подают переменное напряжение, по m-фазной обмотке 12 якоря протекает переменный электрический ток, создающий переменное вращающееся магнитное поле якоря. При этом образуется переменная во времени МДС якоря и переменный во времени магнитный поток якоря. На фиг.2 и фиг.4 представлены векторные диаграммы электрических токов, протекающих по соответствующим m-фазным обмоткам 12 якоря, схемы соединений которых представлены на этих же фигурах. Векторы токов во времени поворачиваются в осях координат xy против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. В соответствии с этими проекциями на фиг.2 и фиг.4 обозначены направления токов в катушках m-фазных обмоток якоря. При этом элементарные зубцы 14, расположенные на соответствующих явно выраженных полюсах 13 пакетов статора, на которых расположены катушки m-фазной обмотки 12 якоря, образуют южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменного магнитного поля якоря с постоянным магнитным полем индуктора к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент. Согласно изобретению за один период изменения магнитного поля якоря ротор перемещается на одно зубцовое деление пакета ротора. Отсюда следует, что при изменении питающих m-фазных напряжений, поданных на m-фазную обмотку якоря с частотой f (Гц), ротор вращается с синхронной частотой n=60·f/Z2 (об/мин). Этим и достигается высокая электромагнитная редукция частоты вращения ротора, направление движения которого на фигурах показано стрелкой с буквой «n». Нетрудно заметить, что в данной конструкции ротор вращается согласно с направлением вращения магнитного поля якоря.
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n суммарный постоянный магнитный поток индуктора, созданный постоянными магнитами и протекающим по кольцеобразной обмотке возбуждения индуктора постоянным (выпрямленным) электрическим током, пронизывая воздушный зазор и явно выраженные полюса 13 пакетов статора то со стороны ротора, то со стороны статора, создает в явно выраженных полюсах 13 пакетов статора переменный магнитный поток, наводящий в катушках m-фазной обмотки 12 якоря переменную ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по m-фазной обмотке 12 якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.
Следует отметить, что изменяя величину постоянного (выпрямленного) электрического тока обмотки возбуждения индуктора можно плавно влиять на выходные параметры бесконтактной редукторной машины с аксиальным возбуждением.
1. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением, содержащая статор с корпусом из магнитомягкого материала с закрепленными в нем шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакетами статора, катушечную m-фазную обмотку якоря, обмотку возбуждения индуктора, расположенную между пакетами статора, немагнитный вал с втулкой, шихтованные из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакеты ротора, число которых равно числу пакетов статора, отличающаяся тем, что пакеты статора и ротора разделены на четные и нечетные, число пакетов статора не менее двух, активная длина крайних пакетов статора и ротора в аксиальном направлении одинакова, пакеты статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, число явно выраженных полюсов на каждом пакете статора одинаково, число элементарных зубцов на каждом явно выраженном полюсе пакета статора одинаково, пакеты статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси их находящихся напротив друг друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов совпадают, нечетные и четные пакеты ротора напрессованы на соответствующие нечетные и четные магнитопроводы ротора, которые насажены на немагнитную втулку, установленную на немагнитном валу, пакеты ротора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы, число которых на каждом пакете ротора одинаково, четные пакеты ротора смещены относительно нечетных пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора, между магнитопроводами ротора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, число кольцевых слоев постоянных магнитов на один меньше числа пакетов ротора, на явно выраженных полюсах пакетов статора сосредоточена катушечная m-фазная обмотка якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие явно выраженные полюса четных и нечетных пакетов статора по одному полюсу каждого пакета, причем число фаз катушечной m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6 …, обмотка возбуждения индуктора выполнена в виде кольцеобразных катушек с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины, число кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора на одну меньше числа пакетов статора, зубцово-пазовая зона якоря выполнена «гребенчатой» распределенной, ширина коронок зубцов каждого пакета ротора определяется равенством bZ2=k·tZ2, ширина коронок элементарных зубцов, расположенных на явно выраженных полюсах пакетов статора, определяется равенством bZ1=k·tZ1, при этом tZ1 и tZ2 представляют собой зубцовые деления явно выраженных полюсов пакетов статора и пакетов ротора соответственно, между числом явно выраженных полюсов каждого пакета статора Z1P, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m, общим числом зубцов каждого пакета статора Z1 и числом зубцов каждого пакета ротора Z2 установлена предельная связь, необходимая для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу, которая выражается равенствами (1), (2), (3):
где Z1m=1, 2, 3, 4, … - число явно выраженных полюсов каждого пакета статора в фазе, Z1S=1, 2, 3, 4, … - число элементарных зубцов на явно выраженном полюсе статора, K=0, 1, 2, 3, … - целое неотрицательное число, tZ1=360°/(Z1P·(Z1S+K)) и tZ2=360°/Z2 определяются в угловом измерении, катушки m-фазной обмотки якоря в фазе соединены между собой встречно в магнитном отношении.
2. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что статор расположен снаружи, ротор - внутри.
3. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что ротор расположен снаружи, статор - внутри.
4. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены между собой «в звезду».
5. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены между собой «в многоугольник».
6. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой последовательно.
7. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой параллельно.
8. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что питание обмотки возбуждения индуктора осуществляется от независимого источника постоянного (выпрямленного) напряжения.
9. Бесконтактная редукторная машина с аксиальным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что питание обмотки возбуждения индуктора осуществляется от выходных концов фаз m-фазной обмотки якоря через диодный m-фазный мост.
