RU2437201C1

RU2437201C1 - Non-contact electric machine with axial excitation

Info

Publication number: RU2437201C1
Application number: RU2010147897/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Чернухин (RU); Владимир Михайлович Чернухин
Original assignee: Владимир Михайлович Чернухин
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2011-12-20

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: invention refers to the design of non-contact synchronous electric machines with axial excitation and can be used in wide range of frequencies of machine shaft rotation (from units of revolutions per minute to several tens of thousand revolutions per minute) in automation systems, independent electric equipment systems, in military, space engineering, on aviation and automobile transport, as traction controlled and non-controlled electric actuators, wind-driven generators, multiphase synchronous motors and high-frequency synchronous electric AC generators, multiphase generators of frequency converters (including three-phase systems), as well as at rectification of output variable voltage and current of generators by means of semiconductor rectifying devices and with possibility of using smoothing filters to reduce fluctuations of output parameters - as DC (rectified current) power supply sources. Stator of non-contact electric machine with axial excitation includes odd and even armature cores with salient poles of armature, which represent laminated packs from insulated electrotechnical steel plates with high magnetic permeability and fixed in soft magnetic housing; the number of armature cores - not less than two, on salient poles of armature there concentrated is coil multi-phase armature winding, each coil of which envelopes in axial direction one of salient poles of armature of each armature core; between armature cores there located are ring-shaped coils of inductor excitation winding, the axes of which coincide in axial direction with machine shaft axis, connected to each other in magnetic opposite ratio, of ring-shaped coils of inductor excitation winding is one less than the number of armature cores. Rotor without winding includes non-magnetic shaft with soft magnetic bushing on which there coaxially located are odd and even rotor magnetic conductors with pole projections, which are represented with laminated packs and consist of insulated electrotechnical steel plates with high magnetic permeability; the number of rotor magnetic conductors is equal to the number of armature cores; odd and even rotor magnetic conductors are located relative to the appropriate odd and even armature cores and have the same active length in axial direction; even rotor magnetic conductors are offset relative to odd magnetic conductors in tangential direction through the half of pole pitch of rotor magnetic conductor. At that, certain ratios are fulfilled between the number of salient armature poles, number of phases of multi-phase coil winding of armature, number of salient poles of armature in phase and number of pole projections of each magnetic conductor of the rotor. ^ EFFECT: obtaining reliable design appropriate to the material of multi-phase non-contact electric machine with axial excitation with high energy properties and operating characteristics at wide range of shaft rotation frequencies and with various ratio of active length and bore diameter of machine stator. ^ 18 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и высокочастотным генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных синхронных электрических машин с аксиальным возбуждением и может быть использовано при широком диапазоне частот вращения вала машины (от единиц оборотов в минуту до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту) в системах автоматики, в автономных системах электрооборудования, в военной, космической технике, на авиационном и автомобильном транспорте, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, ветрогенераторов, многофазных синхронных электрических двигателей, многофазных высокочастотных синхронных электрических генераторов переменного тока и многофазных генераторов преобразователей частоты (включая трехфазные системы), а также при выпрямлении выходного переменного напряжения и тока генераторов при помощи полупроводниковых выпрямительных устройств и с возможностью применения сглаживающих фильтров для уменьшения пульсаций выходных параметров в качестве источников питания постоянным (выпрямленным) током.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to high-torque electric motors, electric drives and high-frequency generators, for the design of non-contact synchronous electric machines with axial excitation and can be used with a wide range of machine shaft speeds (from units of revolutions per minute to several tens of thousands of revolutions per minute) in automation systems, in autonomous electrical systems, in military, space technology, in aircraft and automobiles public transport, as traction controlled and uncontrolled electric drives, wind generators, multiphase synchronous electric motors, multiphase high-frequency synchronous electric alternators and multiphase generators of frequency converters (including three-phase systems), as well as when rectifying the output alternating voltage and current generators using semiconductor rectifier devices and with the possibility of using smoothing filters to reduce ripple output param trov as power supplies with direct (rectified) current.

Известны генераторы переменного тока с постоянными магнитами (В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Стр.23÷46.), имеющие магнитные системы с вращающимися и неподвижными магнитами. По конструктивному выполнению роторы машин с постоянными магнитами можно разделить на следующие группы:Famous alternating current generators with permanent magnets (V.A. Balagurov, F.F.Galteev. Electric generators with permanent magnets. - M .: Energoatomizdat, 1988. Pages 23 ÷ 46.) Having magnetic systems with rotating and fixed magnets . By design, the rotors of machines with permanent magnets can be divided into the following groups:

- с цилиндрическим магнитом в виде кольца, намагниченным в радиальном направлении;- with a cylindrical magnet in the form of a ring, magnetized in the radial direction;

- типа «звездочка» с явно выраженными полюсами без полюсных башмаков и с полюсными башмаками;- type "asterisk" with pronounced poles without pole shoes and pole shoes;

- типа «звездочка» с призматическими магнитами и полюсными башмаками;- type "asterisk" with prismatic magnets and pole shoes;

- коллекторные с призматическими магнитами и тангенциальным намагничиванием;- collector with prismatic magnets and tangential magnetization;

- когтеобразные с цилиндрическими постоянными магнитами, намагниченными в аксиальном направлении.- claw-shaped with cylindrical permanent magnets magnetized in the axial direction.

К магнитным системам с вращающимися магнитами относится также система торцевого типа. Магнитные системы бесконтактных генераторов с неподвижными постоянными магнитами выполняются следующих видов: с внешнезамкнутым магнитопроводом, индукторного и коммутаторного типов. Кроме этого, известны магнитные системы и конструкции генераторов переменного тока комбинированного возбуждения, в которых магнитный рабочий поток создается совместным действием постоянных магнитов и электромагнитных обмоток возбуждения при протекании по ним постоянного электрического тока. Недостатки указанных магнитных систем и конструкций генераторов переменного тока описаны на страницах 25, 26÷30, 33, 36, 40, 43, 44, 46 указанного источника.An end-type system is also a magnetic system with rotating magnets. Magnetic systems of non-contact generators with fixed permanent magnets are made of the following types: with an externally closed magnetic circuit, inductor and commutator types. In addition, magnetic systems and constructions of combined excitation alternating current generators are known, in which the magnetic working flux is created by the combined action of permanent magnets and electromagnetic field windings when direct current flows through them. The disadvantages of these magnetic systems and designs of alternators are described on pages 25, 26 ÷ 30, 33, 36, 40, 43, 44, 46 of the specified source.

Известен однофазный электрический генератор (Патент RU, 2392724 С1, МПК H02K 19/22, H02K 19/16, H02K 19/36, автор Чернухин В.М.), содержащий статор с шихтованным сердечником якоря с явно выраженными полюсами и катушечной однофазной обмоткой якоря, катушки которой размещены на соответствующих явно выраженных полюсах якоря по одной на каждом полюсе, катушки однофазной обмотки якоря соединены между собой согласно в магнитном отношении, и ротор с индуктором с нечетными и четными сердечниками с одинаковым числом явно выраженных полюсов на каждом сердечнике, сердечники индуктора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора, сердечники индуктора напрессованы на втулку, являющуюся магнитопроводом индуктора, выполненную из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и насаженную на немагнитный вал ротора, явно выраженные полюса якоря и явно выраженные полюса индуктора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, между сердечниками индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде охватывающих магнитопровод индуктора кольцеобразных катушек, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора, кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора при наличии их более одной соединяются между собой таким образом, чтобы при протекании по ним постоянного (выпрямленного) тока полюса нечетных сердечников индуктора, намагничиваясь, образовывали магнитные полюса одной полярности, а полюса четных сердечников индуктора, намагничиваясь, образовывали магнитные полюса другой полярности, электрическая связь обмотки возбуждения индуктора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения осуществляется через контактные кольца и щетки, число явно выраженных полюсов якоря определяется равенством: Z_1P=2·k, число явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора определяется равенством: Z_2P=k, где k=2, 3, 4, 5, … - целое положительное число, начиная с двух, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении определяется выражением b_1P=(0,76÷1,0)·t_1P, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении определяется выражением: b_2P=(0,38÷0,5)·t_2P, при этом t_1P=360°/Z_1P представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении, t_2P=360°/Z_2P представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении. Недостатком аналога является ограниченность применения, так как он может использоваться только в качестве необратимой электрической машины - генератора и генерировать только однофазный переменный электрический ток. Кроме этого, электрическая связь обмотки возбуждения индуктора описанного генератора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения осуществляется через контактные кольца и щетки, что снижает надежность генератора.Known single-phase electric generator (Patent RU, 2392724 C1, IPC H02K 19/22, H02K 19/16, H02K 19/36, author Chernukhin V.M.), containing a stator with a lined core of the armature with distinct poles and a single-phase coil winding of the armature , the coils of which are located on the corresponding clearly defined poles of the armature, one at each pole, the coils of the single-phase armature winding are magnetically interconnected, and the rotor with an inductor with odd and even cores with the same number of distinct poles on each core, heart inductor cores are made in the form of packets drawn from insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability, the number of inductor cores is at least two, the active length of the end cores of the inductor in the axial direction is the same, even inductor cores are shifted relative to the odd inductor cores in the tangential direction by half the pole division inductor core, inductor cores are pressed onto the sleeve, which is the magnetic circuit of the inductor, made of soft magnetic steel with high magnetic permeability and imposed on the non-magnetic rotor shaft, pronounced armature poles and pronounced inductor poles facing each other and separated by an air gap, between the cores of the inductor there is an inductor excitation coil made in the form of ring-shaped coils covering the inductor magnetic core, the number of which one less than the number of cores of the inductor, the ring-shaped coils of the field winding of the inductor in the presence of more than one are interconnected so that and the direct (rectified) current flowing through them, the poles of the odd core of the inductor, being magnetized, form magnetic poles of one polarity, and the poles of the even cores of the inductor, being magnetized, forming magnetic poles of a different polarity, the electrical connection of the excitation coil of the inductor with a constant (rectified) voltage source is carried out through slip rings and brushes, the number of armature poles express determined by the equation: Z _1P = 2 · k, the number of salient poles of each core inductor defined by the equation: Z _2P = k, where k = 2, 3, 4, 5, ... - a positive integer, beginning with two pole arc width express armature poles in the angular dimension defined by the expression b _1P = (0,76 ÷ 1 , 0) · t _1P , the width of the pole arc of the pronounced poles of each inductor core in the angular dimension is determined by the expression: b _2P = (0.38 ÷ 0.5) · t _2P , while t _1P = 360 ° / Z _1P represents pole pitch express armature poles in the angular dimension, t _2P = 360 ° / Z _2P represents the pole pitch express each core pole inductor in Glov dimension. The disadvantage of the analogue is the limited application, since it can only be used as an irreversible electric machine - generator and generate only a single-phase alternating electric current. In addition, the electrical connection of the field winding of the inductor of the described generator with a constant (rectified) voltage source is through contact rings and brushes, which reduces the reliability of the generator.

Известна принятая за прототип бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением (Патент RU, 2277284 С2, 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, притом что отношение числа зубцов статора Z_ст к числу зубцов ротора Z_p выражается дробью, в которой число зубцов ротора является простым числом, начиная с пяти 5, 7, 11, 13, 17, … 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. Это снижает возможные конструктивные исполнения данного технического устройства и возможности его использования.Known adopted for the prototype non-contact induction valve electric machine with electromagnetic excitation (Patent RU, 2277284 C2, IPC H02K 19/10, H02K 29/00, authors: Demyanenko A.V .; Zherdev I.A .; Kozachenko V.F .; Rusakov AM; Ostrov V.N.), containing a housing with stator packs buried from sheets of electrical steel installed in it, the number of which is a multiple of two, with grooves in them for laying the phase windings, phase windings laid in the grooves of the stator packets so that turns in the groove parts of the winding are parallel to the longitudinal axis of the machine and one v ok covers all the teeth of the stator packets opposite to each other, the field winding with a longitudinal axis parallel to the longitudinal axis of the machine, located on the stator between the stator packets, a metal non-magnetic shaft with a sleeve of soft magnetic metal on it, on which gear rotor packages mounted soft magnetic steel plates, the number of which is equal to the number of stator packets, two covers with bearings, the total number of phase windings is more than three and their number is a multiple of three, and each three phase windings have their own dependent zero point and between adjacent phases of different triads there is a phase shift angle, moreover, the ratio of the number of stator teeth Z _st to the number of rotor teeth Z _p is expressed by a fraction in which the number of rotor teeth is a prime number starting from five 5, 7, 11, 13 , 17, ... The disadvantage of the prototype is that the number of stator packets is only a multiple of two, phase windings are more than three and only a multiple of three, and the numbers of rotor teeth are only prime numbers, starting with five. This reduces the possible design of this technical device and the possibility of its use.

Целью настоящего изобретения является создание конструкции многофазной бесконтактной электрической машины с аксиальным электромагнитным возбуждением, активная часть индуктора которой представлена в виде кольцеобразных катушек, расположенных на статоре, с высокими энергетическими показателями при широком диапазоне частот вращения вала (от единиц оборотов в минуту до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту).The aim of the present invention is to provide a design of a multiphase non-contact electric machine with axial electromagnetic excitation, the active part of the inductor of which is presented in the form of ring-shaped coils located on the stator, with high energy performance over a wide range of shaft speeds (from units of revolutions per minute to several tens of thousands of revolutions per minute).

Задачей настоящего изобретения является установление связи, необходимой для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей, между числом явно выраженных полюсов якоря, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе и числом полюсных выступов каждого магнитопровода ротора, а также разработка алгоритма построения схемы соединений m-фазной катушечной обмотки якоря и обмотки возбуждения индуктора бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением.The objective of the present invention is to establish the connection necessary for the operation of the machine and obtaining the best energy performance, between the number of pronounced armature poles, the number of phases of the m-phase coil winding of the armature, the number of distinct armature poles in phase and the number of pole protrusions of each rotor magnetic circuit, and development of an algorithm for constructing a circuit diagram of the m-phase coil winding of the armature and excitation winding of the inductor of a contactless electric machine with axial excitation.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение надежной и технологичной конструкции многофазной бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением с высокими энергетическими показателями и эксплуатационными характеристиками при широком диапазоне частот вращения вала и с различным соотношением активной длины и диаметра расточки статора машины.The technical result of the present invention is to obtain a reliable and technologically advanced design of a multiphase non-contact electric machine with axial excitation with high energy and operational characteristics over a wide range of shaft speeds and with a different ratio of the active length and diameter of the stator bore of the machine.

Отличительной особенностью данного изобретения от большинства используемых электрических машин является конструктивное исполнение статора, на котором расположены сердечники якоря с явно выраженными полюсами и сосредоточенной на них многофазной катушечной обмоткой якоря и активная часть индуктора в виде кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора, и безобмоточного неактивного ротора, что позволяет выполнить машину бесконтактной и с возможностью работы при очень высоких частотах вращения вала и высоких электромагнитных нагрузках.A distinctive feature of this invention from most used electric machines is the stator design, on which the armature cores with pronounced poles and the multiphase coil winding of the armature and the active part of the inductor in the form of ring-shaped coils of the excitation coil of the inductor, and a winding inactive rotor are located, which allows to make the machine non-contact and with the ability to work at very high shaft speeds and high electromagnetic loads.

С целью достижения задачи и технического результата изобретения бесконтактная электрическая машина с аксиальным возбуждением содержит статор с нечетными и четными сердечниками якоря, выполненными шихтованными пакетами из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и закрепленными в магнитомягком корпусе, число сердечников якоря - не менее двух, каждый шихтованный пакет имеет одинаковое число равномерно распределенных по окружности явно выраженных полюсов якоря, четные сердечники якоря расположены относительно нечетных в аксиальном направлении без смещения в тангенциальном направлении, на явно выраженных полюсах якоря сосредоточена катушечная многофазная обмотка якоря, каждая катушка которой охватывает по одному из находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженному полюсу якоря каждого сердечника якоря, между сердечниками якоря расположены кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора, оси которых в аксиальном направлении совпадают с осью вала машины, соединенные между собой встречно в магнитном отношении, число кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора на одну меньше числа сердечников якоря, и безобмоточный ротор с немагнитным валом и насаженной на него магнитомягкой втулкой, на которой соосно расположены нечетные и четные с полюсными выступами магнитопроводы ротора, выполненные шихтованными пакетами из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число магнитопроводов ротора равно числу сердечников якоря, нечетные и четные магнитопроводы ротора позиционированы относительно соответствующих нечетных и четных сердечников якоря и имеют равную им активную длину в аксиальном направлении, активная длина крайних магнитопроводов ротора в аксиальном направлении одинакова, при наличии магнитопроводов ротора более двух активная длина магнитопроводов ротора в аксиальном направлении, находящихся между крайними магнитопроводами, в два раза больше активной длины крайних магнитопроводов ротора, четные магнитопроводы ротора смещены относительно нечетных магнитопроводов в тангенциальном направлении на половину полюсного деления магнитопровода ротора.In order to achieve the objective and technical result of the invention, a non-contact axial-excited electric machine comprises a stator with odd and even armature cores made of bursts of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability and fixed in a magnetically soft housing, the number of armature cores is at least two, each the burnt package has the same number of clearly expressed anchor poles evenly distributed around the circumference, even core cores of the anchor are located wives are relatively odd in the axial direction without tangentially shifting, at the pronounced poles of the armature is concentrated a multiphase coil winding of the armature, each coil of which covers one of the clearly opposite armature poles of each armature core of the armature, ring-shaped are located between the armature cores inductor field coils, the axes of which in the axial direction coincide with the axis of the machine shaft, interconnected in the opposite direction In other words, the number of ring-shaped coils of the field coil of the inductor is one less than the number of armature cores, and the winding-free rotor with a non-magnetic shaft and a magnetically soft sleeve mounted on it, on which the rotor magnetic circuits odd and even with pole protrusions are made coaxially made of burst packages of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability, the number of rotor cores is equal to the number of armature cores, the odd and even rotor cores are positioned relative of the corresponding odd and even cores of the armature and have an equal active length in the axial direction, the active length of the end rotor magnetic cores in the axial direction is the same, if there are more than two rotor magnetic cores, the active length of the rotor magnetic cores in the axial direction, located between the extreme magnetic cores, is twice as long active length of the outermost rotor magnetic cores, even rotor magnetic cores are offset relative to the odd magnetic cores in the tangential direction by the floors Well magnetic pole pitch of the rotor.

В соответствии с настоящим изобретением для работоспособности бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу между числом явно выраженных полюсов якоря Z_1P, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m и числом полюсных выступов каждого магнитопровода ротора Z_2P установлена связь, которая выражается равенствами (1) и (2):In accordance with the present invention, for the operability of a contactless electric machine with axial excitation and the best energy performance at the maximum specific moment on the shaft between the number of pronounced armature poles Z _1P , the number of phases of the m-phase armature coil winding m = 3, 4, 5, 6 , ..., by the number of pronounced anchor poles in the phase Z _1m and the number of pole protrusions of each magnetic circuit of the rotor Z _2P, a relationship is established that is expressed by equalities (1) and (2):

причем при m=3, 5, 7, 9, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=1, 2, 3, 4, …, при m=4, 6, 8, 10, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=2, 4, 6, 8, …, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении лежит в пределах b_1P=(2/3÷1,0)·t_1P, ширина полюсной дуги полюсных выступов каждого магнитопровода ротора в угловом измерении лежит в пределах b_2P=(1/3÷1,2)·t_2P, при этом t_1P и t_2P представляют собой полюсные деления якоря и каждого магнитопровода ротора соответственно.moreover, with m = 3, 5, 7, 9, ... - the number of pronounced anchor poles in phase Z _1m = 1, 2, 3, 4, ..., with m = 4, 6, 8, 10, ... - the number of pronounced the poles of the armature in phase Z _1m = 2, 4, 6, 8, ..., the width of the pole arc of pronounced poles of the armature in the angular dimension lies in the range b _1P = (2/3 ÷ 1,0) · t _1P , the width of the pole arc of the pole the protrusions of each rotor magnetic circuit in the angular dimension lies within b _2P = (1/3 ÷ 1,2) · t _2P , while t _1P and t _2P are the pole divisions of the armature and each rotor magnetic circuit, respectively.

Алгоритм построения схемы соединений обмотки якоря прост: катушки в фазе могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, либо смешанно, но в магнитном отношении при нечетном числе фаз должны быть соединены встречно, а при четном числе фаз - согласно по порядку, начиная с той катушки фазы, которой принадлежит начало фазы, начала фаз обмотки якоря при нечетном числе фаз могут принадлежать любым катушкам в соответствующей фазе, а при четном числе фаз - катушкам в соответствующих фазах, сосредоточенным на первых согласно нумерации полюсов Z_1P/Z_1m явно выраженных полюсах якоря, фазы обмотки якоря могут быть соединены между собой «в звезду» либо «в многоугольник». Кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора при наличии их более одной могут быть соединены между собой последовательно или параллельно, а при четном количестве, начиная с четырех, смешанно, но в любом случае должны быть соединены между собой встречно в магнитном отношении. Обмотка возбуждения индуктора может питаться постоянным (выпрямленным) электрическим током либо при подключении ее непосредственно к источнику постоянного напряжения либо при подключении ее через m-фазный диодный мост к выходным концам обмотки якоря (в режиме работы машины электрическим двигателем).The algorithm for constructing the connection diagram of the armature winding is simple: the coils in phase can be connected together in series, parallel, or mixed, but in the magnetic ratio with an odd number of phases they must be connected in the opposite direction, and with an even number of phases - in order, starting from that coil the phase to which the beginning of the phase belongs, the beginning of the phase of the armature winding for an odd number of phases can belong to any coils in the corresponding phase, and for an even number of phases to coils in the corresponding phases, focused on the first according to the numbering and the poles Z _1P / Z _{1m of the} pronounced poles of the armature, the phases of the armature winding can be interconnected “into a star” or “into a polygon”. The ring-shaped coils of the field winding of the inductor, if there are more than one, can be connected to each other in series or in parallel, and with an even number, starting from four, it is mixed, but in any case they must be interconnected in the magnetic sense. The inductor excitation winding can be supplied with direct (rectified) electric current either when it is connected directly to a constant voltage source or when it is connected via an m-phase diode bridge to the output ends of the armature winding (in the operation mode of the machine by an electric motor).

Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей:The invention is illustrated by the figures of the drawings:

фиг.1 - общий вид с продольным разрезом бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением с четырьмя кольцеобразными катушками обмотки возбуждения индуктора;figure 1 is a General view with a longitudinal section of a contactless electric machine with axial excitation with four ring-shaped coils of the field winding of the inductor;

фиг.2 - поперечный разрез бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением;figure 2 is a cross section of a contactless electric machine with axial excitation;

фиг.3 - пример реализации схемы соединений катушек 3-фазной обмотки якоря, фазы которой соединены «в многоугольник», при этом обмотка возбуждения индуктора подключена непосредственно к источнику постоянного напряжения;figure 3 is an example of the implementation of the connection diagram of the coils of the 3-phase armature winding, the phases of which are connected "into a polygon", while the field winding of the inductor is connected directly to a constant voltage source;

фиг.4 - пример реализации схемы соединений катушек 3-фазной обмотки якоря в режиме работы машины двигателем, при этом обмотка возбуждения индуктора подключена через m-фазный диодный мост к выходным концам обмотки якоря;figure 4 is an example of the implementation of the connection diagram of the coils of the 3-phase armature winding in the engine operating mode of the machine, while the inductor excitation winding is connected through the m-phase diode bridge to the output ends of the armature winding;

фиг.5 - пример реализации схемы соединений катушек 3-фазной обмотки якоря в режиме работы машины генератором при использовании ее в качестве источника питания постоянным (выпрямленным) электрическим током. В качестве сглаживающего фильтра на фигуре показан конденсатор. На фиг.2÷5 буквой и цифрой обозначены катушки многофазной обмотки якоря, расположенные на соответствующих явно выраженных полюсах якоря. Например, В3 - это катушка фазы «В», расположенная на третьем полюсе якоря. Нумерация полюсов осуществлена в направлении движения против часовой стрелки.5 is an example of the implementation of the connection diagram of the coils of the 3-phase armature winding in the operating mode of the machine by the generator when using it as a power source with direct (rectified) electric current. As a smoothing filter, the figure shows a capacitor. 2 ÷ 5, the letter and number indicate the coils of the multiphase winding of the armature located on the corresponding clearly defined poles of the armature. For example, B3 is a phase “B” coil located at the third pole of the armature. The poles are numbered counterclockwise.

В настоящем изобретении возможны различные исполнения многофазной бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением:In the present invention, various versions of a multiphase non-contact axial excitation electric machine are possible:

- с внешним статором и внутренним ротором;- with an external stator and an internal rotor;

- с внутренним статором и внешним ротором.- with an internal stator and an external rotor.

Рассмотрим конструкцию исполнения многофазной бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением с внешним статором и внутренним ротором (фиг.1, фиг.2). Перемагничиваемые с высокой частотой нечетные 11 и четные 2 сердечники якоря выполнены шихтованными пакетами из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и закреплены в магнитомягком металлическом корпусе 1. Материалом корпуса может служить, например, сталь с высокой магнитной проницаемостью либо чугун. Шихтованные пакеты сердечников якоря имеют явно выраженные полюса 3 якоря, на которых сосредоточена катушечная многофазная обмотка якоря. Каждая катушка 4 обмотки охватывает по одному из находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженному полюсу каждого сердечника якоря. Катушки 4 обмотки якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Между сердечниками якоря расположены кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора, оси которых в аксиальном направлении совпадают с осью вала 5. Кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Они наматываются на обмоточных станках на изоляционные неэлектропроводящие каркасы и вместе с ними устанавливаются между сердечниками якоря при сборке машины. Для создания постоянного магнитного потока индуктора, униполярно замыкающегося через рабочий воздушный зазор, кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора соединены между собой встречно в магнитном отношении. Ротор машины с целью недопущения «подшипниковых» токов, отрицательно влияющих на работу и срок службы подшипников 12, имеет немагнитный вал 5, выполненный, например, из немагнитной стали или из титана, на котором насажена магнитомягкая втулка 6, изготавливаемая из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из стали 10. На втулке 6 соосно расположены нечетные 7 и четные 8 с полюсными выступами 9 магнитопроводы ротора, выполненные шихтованными пакетами из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число магнитопроводов ротора равно числу сердечников якоря, нечетные 7 и четные 8 магнитопроводы ротора при помощи вала 5, подшипников 12 и подшипниковых щитов 13 позиционированы относительно соответствующих нечетных 11 и четных 2 сердечников якоря и имеют равную им активную длину в аксиальном направлении, активная длина крайних магнитопроводов ротора в аксиальном направлении одинакова, при наличии магнитопроводов ротора более двух активная длина магнитопроводов ротора в аксиальном направлении, находящихся между крайними магнитопроводами, в два раза больше активной длины крайних магнитопроводов ротора, четные 8 магнитопроводы ротора смещены относительно нечетных 7 магнитопроводов ротора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления магнитопровода ротора.Consider the design of a multi-phase non-contact electric machine with axial excitation with an external stator and an internal rotor (figure 1, figure 2). Removable with a high frequency, the odd 11 and even 2 anchor cores are made in batched packages of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability and are fixed in a magnetically soft metal case 1. The material of the case can be, for example, steel with high magnetic permeability or cast iron. The burnt packages of the core of the armature have pronounced pole 3 of the armature, on which the coil multiphase winding of the armature is concentrated. Each coil 4 of the winding covers one of the opposite to each other in the axial direction of the pronounced pole of each core of the armature. Coils 4 of the armature winding are made of a winding copper wire or a winding copper bus. Between the core of the armature are ring-shaped coils 10 of the excitation coil of the inductor, the axes of which in the axial direction coincide with the axis of the shaft 5. The ring-shaped coils 10 of the excitation coil of the inductor are made from a winding copper wire or a winding copper bus. They are wound on winding machines on insulating non-conductive frames and together with them are installed between the core of the armature during assembly of the machine. To create a constant magnetic flux of the inductor unipolarly closing through the working air gap, the annular coils 10 of the field coil of the inductor are magnetically interconnected. The rotor of the machine in order to prevent "bearing" currents that adversely affect the operation and service life of the bearings 12 has a non-magnetic shaft 5 made, for example, of non-magnetic steel or titanium, on which a magnetically soft sleeve 6 made of a material with high magnetic permeability is mounted , for example, from steel 10. Odd 7 and even 8 with pole projections 9 are coaxially aligned on the sleeve 6 of the rotor cores made of bursts of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability In addition, the number of rotor magnetic circuits is equal to the number of anchor cores, the odd 7 and even 8 rotor magnetic cores with the help of the shaft 5, bearings 12 and bearing shields 13 are positioned relative to the corresponding odd 11 and even 2 armature cores and have an equal active length in the axial direction, active length the extreme rotor magnetic cores in the axial direction are the same; if there are more than two rotor magnetic cores, the active length of the rotor magnetic cores in the axial direction between the extreme magnetic circuits water, twice the active length of the outer rotor magnetic circuits, the rotor 8 even yokes are offset with respect to the odd rotor cores 7 in the tangential direction by half the pole pitch of the rotor magnetic circuit.

Бесконтактная электрическая машина с аксиальным возбуждением может работать в режиме неуправляемого и управляемого синхронного двигателя, в режиме управляемого шагового двигателя, в режиме управляемого двигателя постоянного тока с независимым или с последовательным возбуждением, а также в качестве синхронного m-фазного генератора переменного напряжения. Кроме того, при выпрямлении выходного переменного напряжения и электрического тока бесконтактной электрической машины в режиме ее работы генератором при помощи полупроводниковых выпрямительных устройств и с возможностью применения сглаживающих фильтров для уменьшения пульсаций выходных электрических параметров она может использоваться в качестве источника питания постоянным (выпрямленным) электрическим током. В этом случае выходные концы обмотки якоря подсоединяются к входу полупроводникового выпрямительного устройства (фиг.5).A contactless electric machine with axial excitation can operate in an uncontrolled and controlled synchronous motor mode, in a stepped motor controlled mode, in a controlled DC motor mode with independent or sequential excitation, and also as a synchronous m-phase alternating voltage generator. In addition, when rectifying the output alternating voltage and electric current of a non-contact electric machine in the mode of its operation by the generator using semiconductor rectifier devices and with the possibility of using smoothing filters to reduce ripple of the output electrical parameters, it can be used as a constant (rectified) electric current power source. In this case, the output ends of the armature winding are connected to the input of the semiconductor rectifier device (Fig. 5).

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1÷4). При подаче на кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора постоянного напряжения от источника питания и под действием этого напряжения по катушкам 10 будет протекать постоянный электрический ток, создавая при этом постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным униполярным магнитным потоком, замыкающимся через магнитомягкий корпус 1 статора, ярма и явно выраженные полюса 3 нечетных 11 и четных 2 сердечников якоря, рабочий воздушный зазор, полюсные выступы 9 и ярма нечетных 7 и четных 8 магнитопроводов ротора и магнитомягкую втулку 6 ротора. При подаче на m-фазную обмотку якоря переменного напряжения от m-фазного источника питания и под действием этого напряжения по обмотке якоря будет протекать переменный электрический ток, создавая при этом переменное вращающееся магнитное поле якоря с переменной во времени МДС якоря и переменным во времени магнитным потоком якоря. 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 полюсное деление магнитопровода ротора. Следует отметить, что в данной конструкции ротор вращается в направлении, обратном направлению вращения магнитного поля якоря.Consider the motor mode (figure 1 ÷ 4). When a constant voltage inductor is supplied with ring-shaped coils 10 from a power source and under the influence of this voltage, a constant electric current will flow through the coils 10, thereby creating a constant magnetic field of the inductor with a time-constant MDS inductor and a constant unipolar magnetic flux closing through a soft magnetic housing 1 of the stator, the yoke and pronounced poles 3 of the odd 11 and even 2 core cores of the armature, the working air gap, the pole projections 9 and the yoke of the odd 7 and even 8 magnets rotor wires and magnetically soft sleeve 6 of the rotor. When an ac voltage is applied to the m-phase winding of the armature from the m-phase power source and under the influence of this voltage, an alternating electric current will flow through the armature winding, creating an alternating rotating magnetic field of the armature with a time-varying MDS armature and a time-varying magnetic flux anchors. Due to the interaction of the alternating magnetic field of the armature with the constant magnetic field of the inductor, a unidirectional torque is applied to the rotor during the entire operation time of the electric motor. According to the invention, for one period of change in the magnetic field of the armature, the rotor moves by one pole division of the rotor magnetic circuit. It should be noted that in this design the rotor rotates in the direction opposite to the direction of rotation of the magnetic field of the armature.

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1÷3, фиг.5). При подаче на кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора постоянного напряжения от источника питания и под действием этого напряжения по катушкам 10 будет протекать постоянный электрический ток, создавая при этом постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным униполярным магнитным потоком, замыкающимся через магнитомягкий корпус 1 статора, нечетные 11 и четные 2 сердечники якоря, рабочий воздушный зазор, нечетные 7 и четные 8 магнитопроводы ротора и магнитомягкую втулку 6 ротора. При вращении ротора сторонним источником момента магнитный поток индуктора будет сохранять свое направление в магнитомягком корпусе 1 статора и магнитомягкой втулке 6 ротора, пульсируя в явно выраженных полюсах 3 нечетных 11 и четных 2 сердечников якоря из-за полюсных выступов 9 нечетных 7 и четных 8 магнитопроводов ротора. Этот переменный (пульсирующий) магнитный поток будет наводить в катушках 4 обмотки якоря переменную во времени ЭДС. Следует отметить, что при наличии в фазе более одной катушки 4 величина наводимой в каждой катушке фазы обмотки якоря переменной ЭДС в любой момент времени будет одинакова, а переменная ЭДС фазы обмотки якоря будет равна алгебраической сумме индуктированных ЭДС в каждой катушке 4 фазы вследствие соединений катушек в фазе, исходя из алгоритма построения схемы соединений обмотки якоря. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то в многофазной обмотке якоря будет протекать переменный электрический ток, электрическая мощность будет отдаваться потребителю. Частота f (Гц) переменной ЭДС многофазной обмотки якоря связана с частотой вращения n (об/мин) ротора и определяется равенством: f=n·Z_2P/60.Consider the generator mode (figure 1 ÷ 3, figure 5). When a constant voltage inductor is supplied with ring-shaped coils 10 from a power source and under the influence of this voltage, a constant electric current will flow through the coils 10, thereby creating a constant magnetic field of the inductor with a time-constant MDS inductor and a constant unipolar magnetic flux closing through a soft magnetic stator housing 1, odd 11 and even 2 anchor cores, working air gap, odd 7 and even 8 rotor cores and magnetically soft rotor sleeve 6. When the rotor rotates with a third-party source of torque, the magnetic flux of the inductor will maintain its direction in the magnetically soft housing 1 of the stator and the magnetically soft sleeve 6 of the rotor, pulsing in the distinct poles of 3 odd 11 and even 2 core cores of the armature due to the pole protrusions of 9 odd 7 and even 8 rotor cores . This variable (pulsating) magnetic flux will induce in the coils 4 of the armature winding a time-variable EMF. It should be noted that if there is more than one coil 4 in the phase, the magnitude of the variable EMF induced in each coil of the armature winding phase at any time will be the same, and the variable EMF of the armature winding phase will be equal to the algebraic sum of the induced EMF in each 4-phase coil due to the connections of the coils in phase, based on the algorithm for constructing the connection diagram of the armature winding. If the external circuit - the load circuit is closed, then an alternating electric current will flow in the multiphase winding of the armature, the electric power will be given to the consumer. The frequency f (Hz) of the variable EMF of the multiphase armature winding is related to the rotational speed n (r / min) of the rotor and is determined by the equation: f = n · Z _2P / 60.

Claims

1. A contactless electric machine with axial excitation, comprising a stator with packages fixed from sheets of electrical steel fixed in a soft magnetic casing, an excitation winding located on the stator between the stator packages, and a rotor with a non-magnetic metal shaft and a sleeve of magnetically soft material with mounted rotor packages mounted on the rotor her, the number of which is equal to the number of stator packets, characterized in that the odd and even anchor cores are fixed in the housing, the number of anchor cores is not less two, each core of the anchor has a burst package of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability with the same number of clearly pronounced armature poles evenly distributed around the circumference, even armature cores are located relatively odd in the axial direction without displacement in the tangential direction, the armature poles are concentrated on the distinct pole multiphase coil winding of the armature, each coil of which covers one of the opposite to each other in axial the direction of the pronounced pole of the armature of each core of the armature, ring-shaped coils of the field coil of the inductor located between the core of the armature, the axes of which in the axial direction coincide with the axis of the machine shaft, are magnetically connected to each other, the number of ring-shaped coils of the field coil of the inductor is one less than the number of armature cores , on the magnetically soft sleeve, mounted on a non-magnetic shaft of a winding-free rotor, odd and even roto magnetic cores with pole protrusions are coaxially arranged a, made by batched packages of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability, the odd and even rotor magnetic circuits are positioned relative to the corresponding odd and even armature cores and have the same active length in the axial direction, the active length of the end rotor magnetic cores in the axial direction is the same, if rotor cores more than two active length of the rotor cores in the axial direction, located between the extreme cores odes, twice the active length of the extreme rotor cores, the even rotor cores are offset relative to the odd magnetic cores in the tangential direction by half the pole division of the rotor magnetic circuit, between the number of pronounced armature poles Z _1P , the number of phases of the m-phase armature winding of the armature m = 3, 4, 5, 6, ..., the number of pronounced anchor poles in the phase Z _1m and the number of pole protrusions of each magnetic circuit of the rotor Z _2P established a relationship, which is expressed by equalities (1) and (2):

moreover, with m = 3, 5, 7, 9, ... - the number of pronounced anchor poles in phase Z _1m = 1, 2, 3, 4, ..., with m = 4, 6, 8, 10, ... - the number of pronounced the poles of the armature in phase Z _1m = 2, 4, 6, 8, ..., the width of the pole arc of pronounced poles of the armature in the angular dimension lies in the range b _1P = (2/3 ÷ 1,0) · t _1P , the width of the pole arc of the pole the protrusions of each rotor magnetic circuit in the angular dimension lies within b _2P = (1/3 ÷ 1/2) · t _2P , while t _1P and t _2P are pole divisions of the armature and each rotor magnetic circuit, respectively.

2. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that it is made with an external stator and an internal rotor.

3. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that it is made with an internal stator and an external rotor.

4. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the coils in the phase of the armature winding with an odd number of phases are connected counter magnetically.

5. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the coils in the armature winding phase for an even number of phases are magnetically connected in order, starting from the phase coil to which the phase begins.

6. Contactless electric machine with axial excitation according to claim 4 or 5, characterized in that the coils in the phase of the armature winding are interconnected in series.

7. Contactless electric machine with axial excitation according to claim 4 or 5, characterized in that the coils in the phase of the armature winding are connected together in parallel.

8. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 4 or 5, characterized in that the coils in the phase of the armature winding are interconnected mixed.

9. The contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the beginning of the phases of the armature winding with an odd number of phases belong to any coils in the corresponding phase.

10. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the beginning of the phases of the armature winding for an even number of phases belong to the coils in the corresponding phases, concentrated on the first according to the pole numbering Z _1P / Z _1m pronounced pole of the armature.

11. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the phases of the armature winding are interconnected “into a star”.

12. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the phases of the armature winding are interconnected “into a polygon”.

13. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the ring-shaped coils of the field winding of the inductor in the presence of more than one are interconnected in series.

14. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the ring-shaped coils of the field winding of the inductor in the presence of more than one are connected in parallel.

15. The contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the ring-shaped coils of the field coil of the inductor with an even number of them, starting from four, are interconnected.

16. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the field winding of the inductor is connected directly to a constant voltage source.

17. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that when using it as an electric motor, the field coil of the inductor is connected through the m-phase diode bridge to the output ends of the armature winding.

18. A contactless electric machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that when it is used as a power source with a direct (rectified) electric current, the output ends of the armature winding are connected to the input of a semiconductor rectifier device.