RU2340068C1

RU2340068C1 - Electrical machine with disk rotor

Info

Publication number: RU2340068C1
Application number: RU2007124213/09A
Authority: RU
Inventors: Петр Тихонович Харитонов (RU); Петр Тихонович Харитонов; Юрий Николаевич Слесарев (RU); Юрий Николаевич Слесарев
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2008-11-27

Abstract

FIELD: engines and pumps, electrical engineering.

SUBSTANCE: stator O-like magnetic circuits are made up of two top-flatted components furnished with grooves receiving the rotor magnetic circuits, the said components being laid in the stator first and second cup-like halves, while the disk rotor magnetic circuit laid along the rotor ring is composed of magnetically hard material sectors with vectors of magnetisation opposing along the shorter axis. The design of proposed machine features simplicity, ease of manufacture, dust-and-moisture resistant and adapted to operation under various climatic conditions and may well be used as a high-torque stepping motor on feeding external control pulsed signals to the windings of the aforesaid stator magnetic circuits.

EFFECT: meeting requirements to windmill electric generators, simpler design and ease of assembly.

9 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к бесконтактным моментным электрическим машинам, предпочтительно к электрическим генераторам с постоянными магнитами для мобильных ветроэнергетических установок МВЭУ. Особенностью МВЭУ является разборность конструкции и наличие несущей вертикальной оси, проходящей через центр электрического генератора, что накладывает на последний определенные требования, а именно:The invention relates to non-contact torque electric machines, preferably to permanent magnet electric generators for mobile wind energy installations of MVEU. A feature of MVEU is the collapsibility of the structure and the presence of a bearing vertical axis passing through the center of the electric generator, which imposes certain requirements on the latter, namely:

- простота сборки/разборки МВЭУ;- ease of assembly / disassembly of the MVEU;

- наличие полой оси ротора с отверстием для несущей вертикальной оси МВЭУ;- the presence of a hollow axis of the rotor with a hole for the bearing vertical axis of the MVEU;

- плоская (торцевая) конструкция электрического генератора с элементами крепления к основанию МВЭУ.- flat (end) construction of an electric generator with fastening elements to the base of the MVEU.

Известен вентильный электродвигатель (см. а.с. СССР №1603494 А, М. Кл. Н02К 29/06, 1990 г.), содержащий вал с тарельчатым ротором, на котором закреплен кольцевой постоянный магнит и магнитопровод статора с обмотками и подшипником вала ротора. Аналог имеет малый аксиальный размер и массу, однако не пригоден в качестве электрического генератора МВЭУ, поскольку открытая конструкция ротора не пригодна для работы при минусовых температурах из-за обледенения.A known valve motor (see AS USSR No. 1603494 A, M. Cl. Н02К 29/06, 1990), comprising a shaft with a disk rotor, on which is fixed an annular permanent magnet and a stator magnetic circuit with windings and a rotor shaft bearing . The analogue has a small axial size and weight, but is not suitable as an electric generator of the MVEU, since the open rotor design is not suitable for operation at sub-zero temperatures due to icing.

Наиболее близким техническим решением является бесконтактная электрическая машина торцового типа (см. а.с. СССР №1539914 А1, М. Кл. Н02К 29/06, 1990 г.), которая могла бы быть конструктивно размещена в МВЭУ с определенными доработками. Аналог содержит статор с тороидальным магнитопроводом и кольцевой якорной обмоткой, двойной зубчатый ротор дискового типа с кольцевыми магнитопроводами обмотки возбуждения, П-образный кольцевой магнитопровод с обмотками, немагнитный корпус в составе двух половин тарельчатой формы и цилиндрической части между ними.The closest technical solution is a non-contact electric butt-type machine (see AS USSR No. 1539914 A1, M. Kl. Н02К 29/06, 1990), which could be structurally placed in the MVEU with certain modifications. The analogue contains a stator with a toroidal magnetic circuit and an annular anchor winding, a double disk-type gear rotor with annular magnetic circuits of the field winding, a U-shaped ring magnetic circuit with windings, a non-magnetic housing consisting of two disk-shaped halves and a cylindrical part between them.

Аналог обеспечивает повышенный коэффициент преобразования энергии вращения момента ротора в электрическую энергию и наоборот, в то же время обладает существенными ограничениями его применения в составе МВЭУ:The analogue provides an increased coefficient of conversion of the energy of rotation of the rotor moment into electrical energy and vice versa, at the same time it has significant limitations of its application as part of the MVEU:

- сложное конструктивное и техническое решение, удорожающее устройство;- a complex structural and technical solution, an expensive device;

- значительные габариты и масса устройства;- significant dimensions and weight of the device;

- непригодность для работы в широком диапазоне климатических параметров из-за сложной конструкции.- unsuitability for work in a wide range of climatic parameters due to the complex design.

Техническим результатом изобретения является обеспечение требований к электрическим генераторам для МВЭУ, а также упрощение конструкции и технологии сборки устройства. Для достижения технического результата магнитопроводы статора выполнены О-образными, состоящими из двух П-образных частей каждый, с рабочими зазорами для кольцевого магнитопровода ротора, П-образные части О-образных магнитопроводов размещены в первой и второй чашеобразных половинах статора, а кольцевые магнитопроводы дискового ротора выполнены из четного числа секторов магнитотвердого материала с взаимно противоположными векторами намагниченности по короткой оси, причем число О-образных магнитопроводов статора выбрано четным, а вал ротора выполнен полым.The technical result of the invention is to provide requirements for electric generators for MVEU, as well as simplifying the design and assembly technology of the device. To achieve a technical result, the stator magnetic cores are made O-shaped, consisting of two U-shaped parts each, with working clearances for the annular rotor magnetic circuit, U-shaped parts of the O-shaped magnetic circuits are placed in the first and second cup-shaped halves of the stator, and the ring magnetic circuits of the disk rotor made of an even number of sectors of hard magnetic material with mutually opposite magnetization vectors along the short axis, the number of O-shaped stator magnetic circuits being chosen even, and l rotor made hollow.

Структура электрической машины приведена на фиг.1 (неполный разрез по центральной оси), на фиг.2 показано размещение дискового ротора.The structure of the electric machine is shown in figure 1 (incomplete section along the central axis), figure 2 shows the placement of the disk rotor.

Устройство содержит немагнитный корпус статора из первой 1 и второй 2 половин, в которых размещены П-образные части 3 и 4 О-образных магнитопроводов с обмотками статора 5 и 6, причем О-образные магнитопроводы размещены попарно по диаметру половин 3 и 4 корпуса статора. В рабочих зазорах О-образных магнитопроводов находится магнитный дисковый ротор 7 с размещенным по кольцу магнитопроводом, образованным секторными постоянными магнитами с взаимно противоположными векторами намагниченности. Дисковый ротор 7 жестко закреплен на полом валу 9 с помощью крепежных элементов 10 и 11 (например, резьбовых втулок). В свою очередь, полый вал 9 размещен в подшипниковых узлах 12 и 13 половин 1 и 2 корпуса таким образом, чтобы постоянные магниты 8 дискового ротора находились в середине рабочих зазоров O-образных магнитопроводов статора. На полом валу 9 закреплена муфта 14 для соединения с ротором МВЭУ. По меньшей мере на одной половине 1 корпуса выполнены элементы 15 (например, проушины) для крепления устройства к внешнему основанию. Число проушин может быть от 2 до 12 в зависимости от мощности и габаритов электрической машины. Места размещения подшипников 12 и 13 в получашах 1 и 2 закрыты заглушками 16 и 17.The device contains a non-magnetic stator housing from the first 1 and second 2 halves, in which the U-shaped parts 3 and 4 of the O-shaped magnetic conductors with the stator windings 5 and 6 are placed, the O-shaped magnetic conductors are placed in pairs along the diameters of the halves 3 and 4 of the stator housing. In the working gaps of the O-shaped magnetic circuits there is a magnetic disk rotor 7 with a magnetic circuit arranged along the ring formed by sectorial permanent magnets with mutually opposite magnetization vectors. The disk rotor 7 is rigidly fixed to the hollow shaft 9 using fasteners 10 and 11 (for example, threaded bushings). In turn, the hollow shaft 9 is placed in the bearing units 12 and 13 of the halves 1 and 2 of the housing so that the permanent magnets 8 of the disk rotor are in the middle of the working clearances of the O-shaped stator magnetic circuits. A clutch 14 is mounted on the hollow shaft 9 for connection with the rotor of the MVEU. At least one half of the housing 1 has elements 15 (for example, eyes) for attaching the device to an external base. The number of eyes can be from 2 to 12, depending on the power and dimensions of the electric machine. Placement of bearings 12 and 13 in half-holes 1 and 2 are closed by plugs 16 and 17.

При вращении вала 9 постоянные магниты 8, перемещаясь в рабочих зазорах О-образных магнитопроводов статора, наводят в обмотках 5 и 6 ЭДС, величина которой определяется величиной и знаком намагниченности магнитов 8, значением воздушного зазора между торцами магнита 8 и О-образных магнитопроводов, числом витков в обмотках 5 и 6 и скоростью перемещения. Короткая магнитная цепь О-образных магнитопроводов и малый воздушный зазор между элементами 3, 8 и 4 позволяют получать высокий КПД преобразования устройством механической энергии в электрическую и обратно. Высокая намагниченность постоянных магнитов 8 по короткой оси позволяет получать высокие значения ЭДС даже при малой скорости перемещения магнитов 8 в рабочих зазорах. Предложенная конструкция устройства максимально проста и высокотехнична при серийном изготовлении. Постоянные магниты 8 из редкоземельных металлов имеют остаточную намагниченность на короткой оси при толщине постоянных магнитов от 5 мм. Н_с=(500÷700) кА/м. Как следствие, общая высота устройства может быть обеспечена небольшой (от 75 мм при номинальной мощности от 0,63 кВт). В зависимости от номинальной мощности электрической машины следует выбирать высоту (толщину) магнитных секторов магнитопровода, размещенного по кольцу ротора, в пределах от 2 мм до 36 мм.When the shaft 9 rotates, the permanent magnets 8, moving in the working gaps of the O-shaped stator magnetic circuits, induce an EMF in the windings 5 and 6, the magnitude of which is determined by the magnitude and sign of the magnetization of the magnets 8, the air gap between the ends of the magnet 8 and the O-shaped magnetic circuits, the number turns in windings 5 and 6 and the speed of movement. The short magnetic circuit of the O-shaped magnetic cores and the small air gap between the elements 3, 8 and 4 make it possible to obtain a high efficiency of conversion of mechanical energy into electrical energy and vice versa. The high magnetization of the permanent magnets 8 along the short axis allows to obtain high EMF values even at a low speed of movement of the magnets 8 in the working gaps. The proposed design of the device is as simple as possible and highly technical in serial production. Permanent magnets 8 of rare earth metals have a residual magnetization on the short axis with a thickness of permanent magnets of 5 mm or more. N _s = (500 ÷ 700) kA / m. As a result, the overall height of the device can be ensured small (from 75 mm at a rated power of 0.63 kW). Depending on the rated power of the electric machine, one should choose the height (thickness) of the magnetic sectors of the magnetic circuit located along the rotor ring, in the range from 2 mm to 36 mm.

Полый вал 9 ротора в верхней части снабжен муфтой для разъемного соединения с внешними приводом или нагрузкой.The hollow shaft 9 of the rotor in the upper part is equipped with a coupling for detachable connection with an external drive or load.

Число пар О-образных магнитопроводов статора может быть выбрано от двух (для однофазного варианта) до любого числа N_c=2ⁿ, где n - необходимое число фаз выходного напряжения. Фазовый сдвиг φ_с между соседними обмотками можно задать любым за счет соответствующего выбора угла α₀ между диаметрами, на которых размещены соседние обмотки, в соответствии с формулой: α₀=(360+φ_с)/N_n, где N_n - число пар постоянных магнитов 8 ротора 7. Например, при числе пар постоянных магнитов 8 ротора 7 N_n=8 и требуемом сдвиге фаз φ_с=120° получим

The number of pairs of O-shaped stator magnetic circuits can be selected from two (for a single-phase version) to any number N _c = 2 ⁿ , where n is the required number of phases of the output voltage. The phase shift φ _with between adjacent windings can be set to any due to the appropriate choice of the angle α ₀ between the diameters on which adjacent windings are located, in accordance with the formula: α ₀ = (360 + φ _s ) / N _n , where N _n is the number of pairs permanent magnets 8 of the rotor 7. For example, with the number of pairs of permanent magnets 8 of the rotor 7 N _n = 8 and the required phase shift φ _c = 120 ° we get

При постоянной скорости вращения дискового ротора 7 напряжение на обмотках 5 и 6 имеет синусоидальную форму. Частота f_в выходного напряжения обмоток 5 и 6 зависит от угловой скорости вращения вала 9 и числа пар постоянных магнитов 8 ротора N_n:At a constant speed of rotation of the disk rotor 7, the voltage across the windings 5 and 6 has a sinusoidal shape. The frequency f _{in the} output voltage of the windings 5 and 6 depends on the angular velocity of rotation of the shaft 9 and the number of pairs of permanent magnets 8 of the rotor N _n :

Например, при

N_n=24, f_в=48 Гц.

For example, when

N _n = 24, f _in = 48 Hz.

Предложенная электрическая машина может быть использована как высокомоментный шаговый двигатель при подаче в обмотки 5 и 6 внешних управляющих электрических импульсов. При использовании предложенного устройства в качестве шагового привода угол α₀ между управляющими обмотками можно выбирать исходя из требуемого углового шага φ_ш по формуле:

.The proposed electric machine can be used as a high-torque stepper motor by applying external control electric pulses to the windings 5 and 6. When using the proposed device as a step drive, the angle α ₀ between the control windings can be selected based on the required angular step φ _w according to the formula:

.

По сравнению с известными техническими решениями технический результат предложенного устройства заключается в обеспечении более высокого коэффициента преобразования механической энергии вращения ротора в электрическую и наоборот, а также в максимальных простоте и технологичности конструкции при обеспечении работоспособности в жестких климатических условиях. Половины 1 и 2 статора могут быть изготовлены из алюминиевого сплава литьем под давлением с последующей запрессовкой или вклеиванием П-образных частей 3 и 4 О-образных магнитопроводов в ниши половин 1 и 2 корпуса статора. Постоянные магниты 8 могут быть закреплены в дисковом роторе 7 с помощью компаунда, например. Конструкция устройства в целом может быть выполнена пылевлагонепроницаемой и пригодной для работы в широком диапазоне климатических параметров.Compared with the known technical solutions, the technical result of the proposed device is to provide a higher conversion coefficient of the mechanical energy of rotor rotation into electrical energy and vice versa, as well as to maximize the simplicity and adaptability of the design while ensuring operability in harsh climatic conditions. The stator halves 1 and 2 can be made of aluminum alloy by injection molding, followed by pressing or gluing the U-shaped parts 3 and 4 of the O-shaped magnetic circuits into the niches of the halves 1 and 2 of the stator housing. Permanent magnets 8 can be fixed in the disk rotor 7 using a compound, for example. The design of the device as a whole can be made dustproof and suitable for operation in a wide range of climatic parameters.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙLIST OF POSITIONS

к заявке «Электрическая машина с дисковым ротором»to the application "Electric machine with a disk rotor"

1, 2 - первая и вторая половины корпуса статора1, 2 - the first and second halves of the stator housing

3, 4 - П-образные части О-образного магнитопровода статора3, 4 - U-shaped parts of the O-shaped stator magnetic circuit

5, 6 - обмотки статора5, 6 - stator windings

7 - дисковый якорь7 - disk anchor

8 - секторные постоянные магниты8 - sectorial permanent magnets

9 - полый вал ротора9 - hollow shaft of the rotor

10, 11 - крепежные элементы ротора10, 11 - rotor fasteners

12, 13 - подшипниковые узлы12, 13 - bearing units

14 - муфта вала ротора14 - rotor shaft clutch

15 - элементы для крепления к внешнему основанию15 - elements for mounting to an external base

16, 17 - торцевые заглушки16, 17 - end caps

Claims

1. Электрическая машина с дисковым ротором, содержащая немагнитный корпус из двух половин с подшипниковыми узлами для вала ротора, магнитопроводами и обмотками статора, ротор дискового типа с размещенными по кольцу магнитопроводами, немагнитным валом, отличающаяся тем, что магнитопроводы статора выполнены О-образными с рабочим зазором для магнитопроводов дискового ротора и состоящими каждый из двух П-образных частей с обмотками статора каждая, причем одна и вторая части каждого О-образного магнитопровода размещены соответственно в первой и второй половинах корпуса ротора, а размещенный по кольцу ротора магнитопровод выполнен из секторов магнитотвердого материала с взаимно-противоположным вектором намагниченности по короткой оси.1. An electric machine with a disk rotor, comprising a non-magnetic housing of two halves with bearing assemblies for the rotor shaft, magnetic circuits and stator windings, a disk-type rotor with magnetic circuits arranged along the ring, a non-magnetic shaft, characterized in that the stator magnetic circuits are O-shaped with a working the gap for the magnetic circuits of the disk rotor and consisting of each of two U-shaped parts with stator windings each, and one and the second parts of each O-shaped magnetic circuit are respectively located in the second and the second halves of the rotor housing, and the magnetic circuit placed along the rotor ring is made of hard magnetic material sectors with a mutually opposite magnetization vector along the short axis.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что размещенные по кольцу магнитопроводы ротора содержат четное число секторов с взаимно-противоположными векторами намагниченности.2. The electric machine according to claim 1, characterized in that the rotor magnetic circuits located on the ring contain an even number of sectors with mutually opposite magnetization vectors.

3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что секторы размещенных по кольцу магнитопроводов ротора размещены друг от друга с зазором, равным (0,5-1,25) от ширины сектора.3. The electric machine according to claim 1, characterized in that the sectors of the rotor magnetic circuits located on the ring are spaced from each other with a gap equal to (0.5-1.25) of the sector width.

4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что вал ротора выполнен полым и снабжен муфтой для разъемного соединения с приводом или нагрузкой.4. The electric machine according to claim 1, characterized in that the rotor shaft is hollow and is equipped with a coupling for detachable connection with the drive or load.

5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна половина корпуса статора снабжена проушинами для крепления к внешнему основанию.5. The electric machine according to claim 1, characterized in that at least one half of the stator housing is provided with eyes for attachment to an external base.

6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что число О-образных магнитопроводов статора выполнено четным.6. The electric machine according to claim 1, characterized in that the number of O-shaped stator magnetic circuits is even.

7. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что высота секторов размещенного по кольцу ротора магнитопровода выбрана в пределах от 2 до 36 мм.7. The electric machine according to claim 1, characterized in that the height of the sectors placed along the ring of the rotor of the magnetic circuit is selected in the range from 2 to 36 mm.

8. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что угол α₀между соседними О-образными магнитопроводами статора задан в соответствии с формулой α₀=(360+φ_c)/N_n, где N_n - число пар постоянных магнитов ротора, φ_с - требуемый фазовый сдвиг между напряжениями в соседних обмотках статора.8. The electric machine according to claim 1, characterized in that the angle α ₀ between adjacent O-shaped stator magnetic circuits is set in accordance with the formula α ₀ = (360 + φ _c ) / N _n , where N _n is the number of pairs of permanent rotor magnets , φ _с - the required phase shift between the voltages in the adjacent stator windings.

9. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что при использовании предложенного устройства в качестве шагового привода угол α₀ между управляющими обмотками можно выбирать, исходя из требуемого углового шага φ_ш по формуле α₀=180/N_n+2φ_ш/N_n, где N_n - число пар постоянных магнитов магнитопровода ротора.9. The electric machine according to claim 1, characterized in that when using the proposed device as a step drive, the angle α ₀ between the control windings can be selected based on the required angular step φ _w according to the formula α ₀ = 180 / N _n + 2φ _w / N _n , where N _n is the number of pairs of permanent magnets of the rotor magnetic circuit.