RU2759561C1

RU2759561C1 - Contactless synchronous machine

Info

Publication number: RU2759561C1
Application number: RU2020144404A
Authority: RU
Inventors: Валерий Вячеславович Двоеглазов; Денис Валерьевич Двоеглазов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лайтмотор"
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-11-15

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to electric machines with magnetic systems based on permanent magnets; it can be used as electric drives of various mechanisms or generators of electricity, or sensors. A contactless synchronous machine contains a hollow cylindrical stator with a non-ferromagnetic cylinder formed from copper windings of a groove-free structure, filled with a composition with high thermal conductivity, and a hollow cylindrical rotor made of ferromagnetic material, including inner and outer concentric cylinders forming a blind annular cavity, in which permanent magnets are installed on the inner surface of the outer cylinder, and a non-ferromagnetic stator cylinder is located with the possibility of rotation, cylinder windings, made of non-ferromagnetic conductive conductors, are formed on an annular non-ferromagnetic cylindrical mandrel, from one end of which a ring with end protrusions for fixing windings in the stator is installed and threaded to windings, and the hollow cylindrical rotor is made with an annular inner cavity formed by external and internal cylinders and an end washer with impeller blades made inside it and holes for forced cooling air outlet from the annular inner cavity of the rotor, while magnets are mounted on the inner side of the outer cylinder of the rotor and on the outer side of the inner cylinder of the rotor with opposite poles opposite each other, while the number of magnets on the outer cylinder and the inner one is the same.EFFECT: simplification of the structure and a reduction in the weight of the machine as a whole.3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам с магнитными системами на основе постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве электроприводов различных механизмов или генераторов электроэнергии, либо датчиков.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to electric machines with magnetic systems based on permanent magnets, and can be used as electric drives of various mechanisms or generators of electricity, or sensors.

Известен электродвигатель постоянного тока, содержащий полый немагнитный ротор с якорной обмоткой, магнитную систему на основе одного или нескольких постоянных магнитов. (Патент RU № 2382476 С1 на изобретение. Электродвигатель постоянного тока с полым ротором. - МПК: H02K 29/06, H02K 29/00, H02K 21/26. - 20.02.2010).Known is a direct current electric motor containing a hollow non-magnetic rotor with an anchor winding, a magnetic system based on one or more permanent magnets. (Patent RU No. 2382476 C1 for the invention. DC electric motor with a hollow rotor. - IPC: H02K 29/06, H02K 29/00, H02K 21/26. - 20.02.2010).

Известен модульный вентильный электромеханический преобразователь (МВЭП), содержащий n-концентричных полых цилиндрических статоров с расположенными на их внешних электрически изолированных цилиндрических боковых поверхностях m-фазны-ми обмотками, n-концентричных полых цилиндрических роторов, установленных одним из своих оснований на внутреннюю торцевую поверхность несущего диска, соединённого с валом, установленным в подшипниках, один из которых размещён в корпусе электромеханического преобразователя, датчик положения ротора, механически связанный с валом, магниты, расположенные со стороны внутренних цилиндрических боковых поверхностей роторов, образующие n тангенциальных магнитных систем, расположенных с радиальными зазорами над m-фазными обмотками статоров. (Патент RU № 2310966 С1 на изобретение. Модульный вентильный электромеханический преобразователь (МВЭП). - МПК: H02K 16/00, H02K 21/12. - 20.11.2007).Known modular valve electromechanical converter (MVEP), containing n -concentric hollow cylindrical stators located on their outer electrically isolated cylindrical side surfaces of m -phase windings, n -concentric hollow cylindrical rotors, installed one of their bases on the inner end surface of the carrier a disk connected to a shaft installed in bearings, one of which is located in the body of an electromechanical converter, a rotor position sensor mechanically connected to the shaft, magnets located on the side of the inner cylindrical lateral surfaces of the rotors, forming n tangential magnetic systems located with radial clearances above m -phase stator windings. (Patent RU No. 2310966 C1 for invention. Modular valve electromechanical converter (MVEP). - IPC: H02K 16/00, H02K 21/12. - 20.11.2007).

Наиболее близким по технической сущности заявляемому техническому решению является бесконтактная синхронная машина, содержащая полый цилиндрический статор с m-фазными обмотками, наружную относительно статора часть полого цилиндрического ротора с постоянными магнитами, расположенными со стороны внутренней цилиндрической поверхности этой части ротора и образующие магнитную систему с радиальным зазором над m-фазными обмотками статора. Статор представляет собой неферромагнитный цилиндр, сформированный из медных обмоток беспазовой конструкции, залитых специальным составом с высокой теплопроводностью. Ротор имеет внутреннюю относительно статора часть полого цилиндрического ротора с радиальным зазором под m-фазными обмотками статора, установленную двумя своими основаниями на валу двигателя и составляющую единое целое с наружной частью полого цилиндрического ротора, причём на-ружная и внутренняя части ротора выполнены из ферромагнитного материала. (Патент RU № 2374743 С1 на изобретение. Бесконтактная синхронная машина, имеющая гладкий якорь с беспазовой активной зоной и постоянные магниты на роторе. - МПК: H02K 21/12, H02K 21/22, H02K 16/02. - 27.11.2009). Данное изобретение принято за прототип.The closest in technical essence to the claimed technical solution is a contactless synchronous machine containing a hollow cylindrical stator with m -phase windings, the outer part of the hollow cylindrical rotor with permanent magnets located on the side of the inner cylindrical surface of this part of the rotor and forming a magnetic system with a radial gap over m -phase stator windings. The stator is a non-ferromagnetic cylinder formed of slotless copper windings filled with a special compound with high thermal conductivity. The rotor has an internal part of a hollow cylindrical rotor with a radial clearance under the m -phase stator windings, installed by its two bases on the motor shaft and forming a single whole with the external part of the hollow cylindrical rotor, with the external and internal parts of the rotor made of ferromagnetic material. (Patent RU No. 2374743 C1 for invention. Contactless synchronous machine having a smooth armature with a slotless active zone and permanent magnets on the rotor. - IPC: H02K 21/12, H02K 21/22, H02K 16/02. - 27.11.2009). This invention is taken as a prototype.

Недостатком известных технических решений является сложность их конструкций, увеличивающая массу машины.The disadvantage of the known technical solutions is the complexity of their designs, which increases the weight of the machine.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции и снижение массы машины.The main task to be solved by the claimed invention is to simplify the design and reduce the weight of the machine.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и снижение массы машины в целом.The technical result of the invention is to simplify the design and reduce the weight of the machine as a whole.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной бесконтактной The specified technical result is achieved by the fact that in the known contactless

синхронной машине, содержащей полый цилиндрический статор с неферромагнитным цилиндром, сформированным из медных обмоток беспазовой конструкции, залитых составом с высокой теплопроводностью, и полый цилиндрический ротор, выполненный из ферромагнитного материала, включающий внутренний и наружный концентричные цилиндры, образующие глухую кольцевую полость, в которой на внутренней поверхности наружного цилиндра установлены постоянные магниты и расположен неферромагнитный цилиндр статора с возможностью вращения ротора, согласно предложенному техническому решению, synchronous machine containing a hollow cylindrical stator with a non-ferromagnetic cylinder formed from copper windings of a slotless structure, filled with a composition with high thermal conductivity, and a hollow cylindrical rotor made of ferromagnetic material, including inner and outer concentric cylinders, forming a blind annular cavity, in which on the inner the surface of the outer cylinder is equipped with permanent magnets and a non-ferromagnetic stator cylinder is located with the possibility of rotation of the rotor, according to the proposed technical solution,

обмотки полого цилиндрического статора сформированы на кольцевой оправке цилиндрической формы, при этом обмотки могут выполняться из различных токопроводящих проводников, как из неферромагнитных, так и из комбинации ферромагнитных и неферромагнитных сплавов, а кольцевая оправка может быть выполнена, как из неферромагнитного материала, так и из магнитомягкого сплава.the windings of a hollow cylindrical stator are formed on an annular mandrel of a cylindrical shape, while the windings can be made of various conductive conductors, both from non-ferromagnetic and from a combination of ferromagnetic and non-ferromagnetic alloys, and the annular mandrel can be made of both non-ferromagnetic material and soft magnetic alloy.

С одного торца обмоток полого цилиндрического статора после их формирования установлено и примотано прочной нитью к обмоткам кольцо с торцевыми выступами для крепления обмоток в статоре.From one end of the windings of the hollow cylindrical stator, after their formation, a ring with end protrusions is installed and tied with a strong thread to the windings for fastening the windings in the stator.

Полый цилиндрический ротор выполнен с кольцевой внутренней полостью, образованной внешним цилиндром, внутренним и торцевой шайбой.The hollow cylindrical rotor is made with an annular inner cavity formed by an outer cylinder, an inner and an end washer.

На торцевой шайбе ротора внутри сформированы лопасти крыльчатки, а радиально напротив них, на внешнем цилиндре выполнены отверстия для принудительного выхода охлаждающего воздуха из кольцевой внутренней полости ротора.On the end plate of the rotor, impeller blades are formed inside, and radially opposite them, on the outer cylinder, holes are made for forced exit of cooling air from the annular inner cavity of the rotor.

Магниты установлены на внутренней стороне наружного цилиндра ротора и на наружной стороне внутреннего цилиндра ротора, при этом количество магнитов одинаково и установлены они разноименными полюсами друг напротив друга. The magnets are installed on the inner side of the outer rotor cylinder and on the outer side of the inner rotor cylinder, while the number of magnets is the same and they are installed with opposite poles opposite each other.

Приведённый заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленной бесконтактной синхронной машине, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».The analysis of the prior art given by the applicant made it possible to establish that there are no analogues characterized by sets of features identical to all features of the claimed contactless synchronous machine. Consequently, the claimed technical solution meets the "novelty" condition of patentability.

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определённого заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».The results of the search for known solutions in this field of technology in order to identify features that match the distinctive features of the prototype features of the proposed technical solution, have shown that they do not follow explicitly from the prior art. The prior art determined by the applicant has not revealed the influence of the transformations envisaged by the essential features of the proposed technical solution on the achievement of the specified technical result. Consequently, the claimed technical solution meets the requirement of patentability "inventive step".

Заявленное техническое решение может быть успешно использовано в бесконтактных синхронных машинах в качестве электроприводов различных механизмов или генераторов электроэнергии, либо датчиков. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».The claimed technical solution can be successfully used in contactless synchronous machines as electric drives of various mechanisms or generators of electricity, or sensors. Therefore, the claimed technical solution meets the condition of patentability "industrial applicability".

На фиг. 1 схематично представлена конструкция предлагаемой бесконтактной синхронной машины, которая содержит полый цилиндрический ротор, выполненный из ферромагнитного материала 1, с магнитами 3 и 4, обмотками полого цилиндрического статора 2 на кольцевой оправке 5 с кольцом с торцевыми выступами 6 и подшипником 8;FIG. 1 schematically shows the design of the proposed contactless synchronous machine, which contains a hollow cylindrical rotor made of ferromagnetic material 1, with magnets 3 and 4, windings of the hollow cylindrical stator 2 on an annular mandrel 5 with a ring with end protrusions 6 and a bearing 8;

На фиг. 2 отдельно показан полый цилиндрический ротор, выполненный из ферромагнитного материала с лопастями крыльчатки охлаждения 7, с отверстиями 9 для принудительного выхода охлаждающего воздуха из кольцевой внутренней полости ротора, с внутренней стороной наружного цилиндра ротора 10 и с наружной стороной внутреннего цилиндра ротора 12; FIG. 2 separately shows a hollow cylindrical rotor made of ferromagnetic material with blades of a cooling impeller 7, with holes 9 for forced exit of cooling air from the annular inner cavity of the rotor, with the inner side of the outer cylinder of the rotor 10 and with the outer side of the inner cylinder of the rotor 12;

На фиг. 3 отдельно показано кольцо с торцевыми выступами; FIG. 3 shows a ring with end protrusions separately;

На фиг. 4 отдельно показаны обмотки полого цилиндрического статора 2 на кольцевой оправке 5 с кольцом с торцевыми выступами 6.FIG. 4 shows separately the windings of a hollow cylindrical stator 2 on an annular mandrel 5 with a ring with end protrusions 6.

Бесконтактная синхронная машина работает следующим образом.Contactless synchronous machine works as follows.

При подаче на обмотки статора 2 питающих напряжений переменного тока, ротор 1 синхронной машины, используемой в качестве электродвигателя, разгоняется и выходит на режим работы, соответствующий поданному на обмотки напряжению и частоте тока.When AC supply voltages are applied to the stator windings 2, the rotor 1 of the synchronous machine used as an electric motor accelerates and enters the operating mode corresponding to the voltage and current frequency applied to the windings.

При работе в качестве генератора переменного тока при вращении ротора обмотки статора выдают переменное напряжение с амплитудой и частотой, соответствующей скорости вращения ротора.When operating as an alternator, as the rotor rotates, the stator windings produce an alternating voltage with an amplitude and frequency corresponding to the rotor speed.

Claims

1. Бесконтактная синхронная машина, содержащая полый цилиндрический статор с неферромагнитным цилиндром, сформированным из медных обмоток беспазовой конструкции, залитых составом с высокой теплопроводностью, и полый цилиндрический ротор, выполненный из ферромагнитного материала, включающий внутренний и наружный концентричные цилиндры, образующие глухую кольцевую полость, в которой на внутренней поверхности наружного цилиндра установлены постоянные магниты и расположен неферромагнитный цилиндр статора с возможностью вращения, отличающийся тем, что 1. A contactless synchronous machine containing a hollow cylindrical stator with a non-ferromagnetic cylinder formed of slotless copper windings filled with a compound with high thermal conductivity, and a hollow cylindrical rotor made of ferromagnetic material, including inner and outer concentric cylinders, forming a blind annular cavity, in which permanent magnets are installed on the inner surface of the outer cylinder and a non-ferromagnetic stator cylinder is located with the possibility of rotation, characterized in that

обмотки цилиндра, выполненные из неферромагнитных токопроводящих проводников, сформированы на кольцевой неферромагнитной оправке цилиндрической формы, с одного торца которой установлено и примотано нитью к обмоткам кольцо с торцевыми выступами для крепления обмоток в статоре, а полый цилиндрический ротор выполнен с кольцевой внутренней полостью, образованной внешним и внутренним цилиндрами и торцевой шайбой с выполненными на ней внутри лопастями крыльчатки и отверстиями для принудительного выхода охлаждающего воздуха из кольцевой внутренней полости ротора, при этом магниты установлены на внутренней стороне наружного цилиндра ротора и на наружной стороне внутреннего цилиндра ротора разноименными полюсами друг напротив друга, при этом количество магнитов на наружном цилиндре и внутреннем одинаково.cylinder windings, made of non-ferromagnetic conductive conductors, are formed on an annular non-ferromagnetic cylindrical mandrel, from one end of which a ring with end protrusions for fastening the windings in the stator is installed and attached by a thread to the windings, and the hollow cylindrical rotor is made with an annular inner cavity formed by an external and inner cylinders and an end washer with impeller blades and holes made on it inside for the forced exit of cooling air from the annular inner cavity of the rotor, while magnets are installed on the inner side of the outer rotor cylinder and on the outer side of the inner rotor cylinder with opposite poles opposite each other, while the number of magnets on the outer cylinder and the inner one is the same.

2. Бесконтактная синхронная машина по п. 1, отличающийся тем, что обмотки могут быть выполнены из комбинации ферромагнитных и неферромагнитных сплавов.2. A contactless synchronous machine according to claim 1, characterized in that the windings can be made from a combination of ferromagnetic and non-ferromagnetic alloys.

3. Бесконтактная синхронная машина по п. 1, отличающийся тем, что кольцевая оправка может быть выполнена из магнитомягкого сплава.3. The contactless synchronous machine according to claim 1, characterized in that the annular mandrel can be made of a soft magnetic alloy.