Бесконтактный моментный электродвигатель

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к электротехнике, а именно к бесконтактным моментным электродвигателям с постоянными магнитами (БМЭД). Технический результат заключается в повышении моментных характеристик и энергетических показателей, упрощении конструкции и технологии ее изготовления, повышении использования активных материалов, уменьшении массогабаритных показателей и расширение возможностей использования электродвигателя. Для этого устройство содержит кольцевой магнитомягкий пазовый статор (ПС) с зубчатыми полюсами, выполненный шихтованным или сплошным, и с сосредоточенной m-фазной, кратной трем из равенства m=2f±1, где f равно 1, 2, 3,..., обмоткой якоря, катушки каждой фазы которой, отстоящие друг от друга на m полюсных делений статора, соединены последовательно-согласно, и ротор с соосно расположенными кольцевыми зубчатыми магнитомягкими магнитопроводами (ЗМ) числом N, выполненными шихтованными или сплошными, с равными друг другу зубцовыми делениями TZ, с равным числом зубцов ZR кратным 2n при n, равном 2, 3, 4.... Число N ЗМ не менее двух, причем при N большим двух, два - крайние с равной осевой длиной LP, а N минус два - внутренние, активная осевая длина каждого из которых равна друг другу и выполнена равной удвоенной Lp. Каждые соседние ЗМ развернуты друг относительно друга на половину TZ. Между соседними ЗМ размещен слой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов (ПМ) толщиной bМ, а число ПМ равно N минус единица. При N ЗМ большим двух между ними поочередно размещены по одному ПМ, каждый из которых выполнен с равной друг другу толщиной bМ. Соседние ПМ, разделенные одним внутренним ЗМ, намагничены в противоположных относительно друг друга аксиальных направлениях. ЗМ и ПМ установлены на общую немагнитную втулку толщиной большей половины толщины bМ слоя ПМ. Толщина зубцов bZP каждого из ЗМ равна половине Tz. Полюса Р ПС и ЗМ обращены друг к другу и разделены воздушным зазором 5. Число полюсов Р определяется как Р=2m×2S, где s равно 0, 1, 2,..., на которых размещено нечетное число зубцов ZC толщиной bzc, при этом их зубцовые деления равны TZ, а оси зубцов соседних полюсов смещены относительно друг друга на величину, пропорциональную отношению ±TZ к m. Ширина шлицов между полюсами статора bШ не менее десятикратной величины воздушного зазора и определяется как bШ=TZ×[(1±1/m)-bZC/TZ]. Число зубцов ZR определяется как ZR=P×(ZC±1/m), a bZC и bZP связаны соотношением 2/3≤bZC/bZP≤1. ПМ выполнены из высококоэрцитивного сплава толщиной bМ и радиальной высотой hМ, удовлетворяющих взаимосвязанным соотношениям 10≤bМ/δ≤30 и 0,75≤hМ/LР≤2,5. Активная осевая длина LC ПС определяется как LC=2Lp+2Lp×(N-2)+bM×(N-1), a ЗМ ротора расположены относительно ПС аксиально симметрично. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Реферат

Изобретение относится к электротехнике, а именно к бесконтактным моментным электродвигателям с постоянными магнитами, и может быть использовано в высокоточных аналоговых и цифровых исполнительных и управляемых электроприводах, в безредукторных следящих системах автоматического управления объектами различного назначения, а также в разработках многофазных синхронных электродвигателей с неограниченным углом поворота вала управляемого объекта [Столов Л.И., Зыков Б.Н. Моментные двигатели с постоянными магнитами. - М.: Энергия, 1977. - 112 с.].

Предлагаемый бесконтактный моментный электродвигатель с постоянными магнитами по принципиальному построению является синхронным индукторным реактивным электродвигателем с осевым (аксиальным) возбуждением от постоянных магнитов и униполярным магнитным полем в воздушном зазоре (далее - БМЭД) [Каасик П.Ю., Блинов И.В. Асинхронные индукторные микродвигателя устройств автоматики. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отделение, 1982. - 152 с. (стр.16-18); Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. Учебник для вузов. - М.: "Высшая школа", 1976. - 416 с. (стр.159-161); Куракин А.С. Редукторные электродвигатели на зубцовых гармониках поля. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: МЭИ, 1971. - 54 с. (стр.3-4, 18); Микроэлектродвигатели для систем автоматики: технический справочник. / Под редакцией Лодочникова Э.А. и Юферова Ф.М. - М.: Энергия, 1969. - 272 с. (стр.179-184)] и реализует электромагнитную редукцию частоты вращения ротора по первой, зубцовой, гармонике магнитной проводимости воздушного зазора.

Известен однофазный индукторный шаговый электродвигатель с постоянными магнитами с поперечным возбуждением [А.с. 252451, СССР, кл. 21 d1, 19; МКИ3 Н 02 n. Однофазный шаговый двигатель./ Ивоботенко Б.А., Лодочников Э.А., Палий И.М. - Опубл. 28.09.1969., Бюл. N 29], содержащий магнитомягкий кольцевой пазовый статор с явно выраженными зубчатыми полюсами и с сосредоточенной однофазной обмоткой управления якоря, выполненной в виде катушки, и ротор, выполненный в виде кольцевого зубчатого магнитомягкого магнитопровода и намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, а зубчатые полюса статора и зубчатый магнитопровод ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором. Недостатками указанного аналога являются низкие моментные характеристики и энергетические показатели из-за значительных пульсаций создаваемого момента ввиду его реактивного характера и высокого уровня электромагнитных потерь, вызванных отсутствием униполярного магнитного поля в воздушном зазоре, а также узкая область его использования.

Известен аналогичный по принципиальному построению синхронный индукторный электродвигатель с постоянными магнитами с осевым возбуждением и униполярным магнитным полем в воздушном зазоре [А.с. 278852, СССР, кл. 21 d2, 16; МКИ3 H 02 k 19/02. Синхронный редукторный электродвигатель./ Куракин А.С. - Опубл. 21.08.1970., Бюл. N 26], содержащий магнитомягкий кольцевой пазовый статор с явно выраженными полюсами и с сосредоточенной m фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса статора, кольцевой слой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов и ротор, выполненный в виде кольцевого зубчатого магнитомягкого магнитопровода, а полюса статора и зубчатый магнитопровод ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором. Недостатками указанного аналога являются низкие моментные характеристики и энергетические показатели ввиду наличия значительных пульсаций создаваемого момента из-за содержания четных и нечетных гармонических составляющих момента реактивного характера при высоком уровне электромагнитных потерь и потоков рассеяния постоянных магнитов и, как следствие, низкой эффективности использования активных материалов в силу наличия размагничивающей реакции якоря (обмоток управления) и наведенной в них генераторной ЭДС самоиндукции (ЭДС вращения ротора), высокого уровня остаточного момента и его пульсаций, а также узкая область его использования.

Известны аналогичные по назначению однофазные индукторные синхронные электродвигатели с постоянными магнитами с осевым возбуждением и униполярным магнитным полем в воздушном зазоре [А.с. 258435, СССР, кл. 21 d1, МКИ3 H 02 k. Однофазный нереверсивный шаговый двигатель./ Ивоботенко Б.А., Луценко В.Е., Мещеряков В.Ф. - Опубл. 03.12.1969, Бюл. N 1 за 1970 г.; А.с. 413583, СССР, МКИ3 H 02 k 37/00. Однофазный шаговый двигатель./ Ивоботенко Б.А., Гаврилова Л.А. - Опубл. 30.01.1974, Бюл. N 4; А.с. 626471, СССР, МКИ3 H 02 K 19/06, H 02 K 21/30. Синхронный однофазный электродвигатель./ Ивоботенко Б.А., Кулевская Е.Ф., Табатадзе Г.Г. и др. - Опубл. 30.09.1978, Бюл. N 36], содержащие магнитомягкий кольцевой пазовый статор с явно выраженными зубцами и с сосредоточенной однофазной обмоткой управления якоря, выполненной в виде катушек, кольцевой слой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов и ротор, выполненный в виде кольцевого зубчатого магнитомягкого магнитопровода, при этом зубчатые поверхности статора и зубчатые поверхности магнитопровода ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором. Недостатками указанных аналогов являются низкие моментные характеристики и энергетические показатели в силу наличия размагничивающей реакции якоря (обмоток управления), значительных пульсаций создаваемого момента из-за четных и нечетных гармонических составляющих момента реактивного характера, высокого уровня электромагнитных потерь и потоков рассеяния постоянных магнитов, высокого остаточного момента и его пульсаций, а также значительная осевая длина электродвигателя, технологически сложные для изготовления конструкции, узкая область их использования.

Для повышения моментных характеристик и энергетических показателей в конструкциях указанных аналогов индукторные синхронные электродвигатели с постоянными магнитами с аксиальным возбуждением и униполярным магнитным полем в воздушном зазоре выполняют многостаторными, т.е. с увеличением числа соосно располагаемых одинаковых магнитомягких кольцевых пазовых статоров с явно выраженными зубцами и с сосредоточенными однофазными обмотками управления якоря и соответствующим увеличением либо числа, либо длины кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора и числа кольцевых слоев аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов. Этим достигается, с одной стороны, получение многофазных конструкций электродвигателей с некоторым увеличением пускового и вращающего моментов, а с другой стороны, некоторое снижение реактивных моментов. К ним относятся известные аналогичные по назначению индукторные электродвигатели с постоянными магнитами [А.с. 417085, СССР, МКИ3 Н 02 К 37/00. Многопакетный шаговый двигатель./ Ратмиров В.А. и Ивоботенко Б.А. - Опубл. 05.08.1976, Бюл. N 29; А.с. 1363389 СССР, МКИ3 Н 02 К 29/00. Вентильный электродвигатель./ Русаков В.В., Демагин А.В. и Исаков В.Г. - Опубл. 30.12.1987, Бюл. N 48; А.с. 1823127, СССР, МКИ3 Н 02 Р 8/00, Н 02 К 37/00. Индукторный n-фазный шаговый электродвигатель./ Ивоботенко Б.А., Доброслов В.Г. и Московская Е.С. - Опубл. 23.06.1993, Бюл. N 23; Ратмиров В.А. и Ивоботенко Б.А. Шаговые двигатели для систем автоматического управления. Библиотека по автоматике, вып.66. - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 128 с. (стр.36, 89-92)], содержащие магнитомягкие кольцевые пазовые статоры с явно выраженными полюсами или зубцами и с сосредоточенными m-фазными обмотками управления якоря, выполненными в виде катушек, кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов и ротор, выполненный в виде кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов, при этом полюса или зубчатые поверхности статора и зубчатые поверхности магнитопроводов ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором.

Недостатками аналогов с многостаторными конструкциями являются также невысокие моментные характеристики и энергетические показатели по вышеуказанным причинам охарактеризованных выше аналогов, которые в полной мере не преодолены, а наряду с усложнением конструкций и технологии их изготовления, с увеличением габаритных размеров и неизбежных погрешностей при сборке, возникающей при этом нестабильностью конструкций с большим количеством составных частей в расширенных условиях эксплуатации, указанные причины являются доминирующими.

Из известных конструкций бесконтактных моментных электродвигателей с постоянными магнитами с осевым возбуждением от аксиально намагниченных постоянных магнитов и униполярным магнитным полем в воздушном зазоре наиболее близким по технической сущности и конструкции к предлагаемому изобретению является бесконтактный моментный электродвигатель, выбранный за прототип [Демагин А.В. Электрические машины для непосредственного привода приборных систем. Обзоры по судостроительной технике. Институт "РУМБ". - Л.: ЦНИИ "Румб", Научно-производственное объединение "Азимут", 1991. - 80 с. (стр.32-35)], содержащий магнитомягкий кольцевой пазовый статор с явно выраженными зубчатыми полюсами и с сосредоточенной m-фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса статора, и ротор, выполненный в виде двух соосно расположенных кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов, развернутых друг относительно друга на половину своего зубцового деления, между которыми размещен кольцевой слой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, причем зубчатые полюса статора и зубчатые магнитопроводы ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, а зубцы на магнитопроводах ротора и на полюсах статора выполнены с равномерными и равными друг другу зубцовыми делениями. Недостатками прототипа являются невысокие моментные характеристики и энергетические показатели, невысокий уровень использования активных материалов и массо-габаритных показателей, ограниченные возможности использования в управляемых электроприводах и в безредукторных следящих системах автоматического управления.

Моментные характеристики прототипа и предлагаемого БМЭД определяются значениями "полезных" статического синхронизирующего, пускового и вращающего моментов (далее - полезные моменты), а также "тормозных" моментов (далее тормозные моменты): статических, таких как остаточные моменты сопротивления при обесточенной и при запитанной обмотке с их пульсациями; и динамических, вызываемых ЭДС вращения ротора (генераторной ЭДС самоиндукции), реакцией и индуктивностью обмоток якоря, высшими гармониками в магнитной проводимости воздушного зазора и их взаимодействием с током в обмотке якоря, ростом магнитного сопротивления и потерями в магнитной цепи электродвигателя в функции частоты вращения его ротора. Энергетические показатели определяются значениями потребляемого тока и величины прикладываемого к обмотке якоря напряжения питания, в т.ч. их составляющими для преодоления тормозных моментов [Ратмиров В.А. и Ивоботенко Б.А. Шаговые двигатели для систем автоматического управления. Библиотека по автоматике, вып.66. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 128 с. (стр.16-18); Каасик П.Ю., Блинов И.В. Асинхронные индукторные микродвигателя устройств автоматики. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отделение, 1982. - 152 с. (стр.108-109); Кенио Т., Нагамори С.Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 184 с. (стр.11-12); Микроэлектродвигатели для систем автоматики: технический справочник. / Под редакцией Лодочникова Э.А. и Юферова Ф.М. - М.: Энергия, 1969. - 272 с. (стр.213-221).

Чем выше полезные моменты и ниже тормозные моменты, тем выше моментные характеристики БМЭД. Чем ниже значения потребляемого тока и величины прикладываемого к обмотке якоря напряжения питания при тех же моментных характеристиках, тем выше энергетические показатели БМЭД.

Расчетный синхронизирующий момент прототипа и предлагаемого БМЭД прямо пропорционален произведению числа витков обмотки якоря, потребляемого обмоткой тока, магнитного потока постоянных магнитов ротора, который сцепляется с катушками обмотки якоря, числа зубцов ротора и отношения первой гармоники к постоянной составляющей магнитной проводимости воздушного зазора между кольцевыми зубчатыми магнитомягкими магнитопроводами ротора и магнитомягким кольцевым пазовым статором [Демагин А.В. Электрические машины для непосредственного привода приборных систем. Обзоры по судостроительной технике. Институт "РУМБ". - Л.: ЦНИИ "Румб", Научно-производственное объединение "Азимут", 1991. - 80 с. (стр.34)]. Измеряемый синхронизирующий момент моментного электродвигателя относительно расчетного включает в себя момент трения в подшипниковых узлах управляемого объекта, на валу которого установлен ротор двигателя, остаточный момент сопротивления при обесточенной обмотке (момент "запинания") с его пульсациями и остаточный момент при запитанной обмотке якоря с его пульсациями, возникающий от наличия односторонних радиальных сил тяжения между кольцевыми зубчатыми магнитомягкими магнитопроводами ротора и статора [Куракин А.С. Редукторные электродвигатели на зубцовых гармониках поля. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: МЭИ, 1971. - 54 с. (стр.30-31); Микроэлектродвигатели для систем автоматики: технический справочник. /Под редакцией Лодочникова Э.А., Юферова Ф.М. - М.: Энергия, 1969 - 272 с. (стр.172-180); Патент RU 2195066 С2, МПК7 Н 02 К 29/06, 29/08. Вентильный электродвигатель./ Ступицкий В.П., Молочков М.Ю. - Опубл. 10.09.2002 г. (стр.4)].

Пусковой момент моментного электродвигателя относительно измеряемого синхронизирующего момента меньше: на величину момента трения в подшипниковых узлах управляемого объекта, на валу которого установлен ротор двигателя; на величину, определяемую числом фаз обмотки якоря и стремится в пределе к последнему с ростом числа фаз, при этом разность синхронизирующего и пускового моментов является составляющей пульсации момента; на величину максимального значения остаточного момента сопротивления при обесточенной обмотке (момент "залипания"), определяемого суммарной величиной минимального значения (постоянной составляющей) остаточного момента и максимального значения его пульсаций от второй и высших зубцовых гармоник магнитной проводимости воздушного зазора; на величину максимального значения остаточного момента при запитанной обмотке якоря с его пульсациями, возникающего от наличия односторонних радиальных сил тяжения между кольцевыми зубчатыми магнитомягкими магнитопроводами ротора и статора [Ратмиров В.А. и Ивоботенко Б.А. Шаговые двигатели для систем автоматического управления. Библиотека по автоматике, вып.66. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 128 с. (стр.18-19); Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1974. - 840 с. (стр.390-394); Куракин А.С. Редукторные электродвигатели на зубцовых гармониках поля. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: МЭИ, 1971. - 54 с. (стр.30-31); А.с. 626471 СССР, МКИ3 Н 02 К 19/06, Н 02 К 21/30. Синхронный однофазный электродвигатель./ Ивоботенко Б.А., Кулевская Е.Ф., Табатадзе Г.Г. и др. - Опубл. 30.09.1978., Бюл. N 36].

Вращающий момент БМЭД определяется системой уравнений Парка-Горева и является разностью пускового момента и тормозных динамических моментов, вызываемых ЭДС вращения ротора, реакцией и индуктивностью обмоток якоря, высшими гармониками в магнитной проводимости воздушного зазора и их взаимодействием с током в обмотке якоря, ростом магнитного сопротивления и потерями в магнитной цепи электродвигателя в функции частоты вращения его ротора [Буд Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990. - 416 с. (стр.15, 24); Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1985. - 368 с. (стр.127-128); Микроэлектродвигатели для систем автоматики: технический справочник./ Под редакцией Лодочникова Э.А. и Юферова Ф.М. - М.: Энергия, 1969. - 272 с. (стр.172-180); Лодочников Э.А., Кафтанатий В.Т., Куракин А.С. Новые тихоходные синхронные микродвигатели с равномерной скоростью вращения // Электротехника. - 1967. - №11. - С.54-56 (стр.55)].

Известно, что [Ратмиров В.А. и Ивоботенко Б.А. Шаговые двигатели для систем автоматического управления. Библиотека по автоматике, вып.66. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 128 с. (стр.26)] в принципиально-конструктивном построении прототипа, равно как и в предлагаемом БМЭД, влияние размагничивающей реакции якоря на вращающий момент имеет уровень второго-третьего порядка малости по сравнению с влиянием ЭДС вращения ротора, которая модулируется магнитной проводимостью воздушного зазора с двухсторонней зубчатостью, а следовательно, снижение этого влияния приводит к росту полезных моментов и снижению их пульсаций. Пульсации полезных моментов в бесконтактном моментном электродвигателе с постоянными магнитами приводят к снижению средних значений полезных моментов по сравнению с максимальными и к неравномерности (не плавности) вращения ротора. Это существенно снижает точностные и надежностные характеристики управляемых электроприводов и безредукторных следящих систем автоматического управления и соответственно сужает возможности использования бесконтактных моментных электродвигателей с постоянными магнитами. Пульсации полезных моментов обусловлены также пульсациями остаточного момента сопротивления и наличием односторонних радиальных сил тяжения при обесточенной и при запитанной обмотке якоря, пульсациями от высших гармоник магнитной проводимости воздушного зазора и пульсациями от несинусоидальности тока в обмотке якоря, а также их взаимодействиями [Микроэлектродвигатели для систем автоматики: технический справочник. /Под редакцией Лодочникова Э.А. и Юферова Ф.М. - М.: Энергия, 1969. - 272 с.(стр.172-180, 222-229); Куракин А.С., Лодочников Э.А., Юферов Ф.М. Синхронный редукторный двигатель с осевым возбуждением // Электротехника. - 1967. - №6. - С.23-27 (стр.23-25); Каасик П.Ю., Блинов И.В. Асинхронные индукторные микродвигателя устройств автоматики. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отделение, 1982. - 152 с. (стр.108-113); Алексеева М.М. Машинные генераторы повышенной частоты. - Л.: Энергия, 1967. - 344 с. (стр.36-45)].

Существенное уменьшение или исключение в заявляемом (предлагаемом) БМЭД вышеуказанных моментов и явлений, а также причин их вызывающих, за счет отдельных и совокупности признаков изобретения является конкретизацией достигаемых технических результатов, обеспечивающих решение поставленной задачи изобретения.

Задачей изобретения является создание бесконтактного моментного электродвигателя с повышенными моментными характеристиками и энергетическими показателями, упрощенной конструкции и технологии ее изготовления, с повышенным использованием активных материалов, с уменьшенными массогабаритными показателями и расширенными возможностями его использования.

Достигаемыми техническими результатами в предлагаемом БМЭД являются повышение моментных характеристик и энергетических показателей, упрощение конструкции и технологии ее изготовления, повышение использования активных материалов, уменьшение массогабаритных показателей и расширение возможностей использования предлагаемого БМЭД в аналоговых и цифровых управляемых электроприводах и в безредукторных следящих системах автоматического управления.

Для решения поставленной задачи и достижения указанных технических результатов в бесконтактном моментном электродвигателе, содержащем магнитомягкий кольцевой пазовый статор с Р явно выраженными зубчатыми полюсами и с сосредоточенной m-фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса статора, и ротор, выполненный в виде двух соосно расположенных кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора, развернутых относительно друг друга на половину своего зубцового деления, между которыми размещен кольцевой слой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, причем зубчатые полюса статора и зубчатые магнитопроводы ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором δ, а зубцы на магнитопроводах ротора и на полюсах статора выполнены с равномерными и равными друг другу зубцовыми делениями TZ, ротор снабжен немагнитной втулкой толщиной большей половины толщины bM слоя постоянных магнитов, на которой установлены и закреплены неподвижно относительно друг друга зубчатые магнитопроводы ротора равной друг другу активной осевой длиной LP и кольцевой слой постоянных магнитов, при этом число m фаз m-фазной обмотки якоря выполнено кратным трем, определяемым как m=2f±1, где f равно 1, 2, 3,..., а явно выраженные зубчатые полюса на пазовом статоре расположены равномерно, при этом их число определяется как Р=2m×2S, где s равно 0, 1, 2,..., а на каждом зубчатом полюсе статора симметрично относительно его оси размещено нечетное число зубцов ZC толщиной bZc, при этом оси зубцов соседних зубчатых полюсов статора смещены друг относительно друга на величину, пропорциональную отношению ±TZ к m, причем соседние полюса статора разделены шлицом шириной bШ не менее десятикратной величины воздушного зазора, определяемой из соотношения bШ=TZ×[(1±1/m)-bZC/TZ], а число зубцов ZR на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора выполнено кратным 2n при n равном 2, 3, 4,..., определяемым как ZR=P×(Zc±1/m), причем знак "плюс" соответствует раздвижению соседних полюсов статора, а знак "минус" - сближению соседних полюсов статора, при этом толщина зубцов bZP каждого из зубчатых магнитопроводов ротора выполнена равной половине его зубцового деления TZ и связана с толщиной зубцов зубчатых полюсов статора bZc соотношением 2/3≤bZC/bZP≤1, а катушки обмотки якоря одной фазы, отстоящие друг от друга на число полюсных делений статора, равное числу m фаз, соединены последовательно-согласно, при этом активная осевая длина LC кольцевого пазового статора с зубчатыми полюсами определяется из соотношения LC=(2LP+bM), причем кольцевые зубчатые магнитопроводы ротора расположены относительно кольцевого пазового статора аксиально симметрично.

В вышеуказанном выполнении предлагаемого БМЭД обеспечивается существенное снижение до уровня единиц и долей процента пульсации (переменной составляющей) остаточного момента сопротивления при обесточенной обмотке якоря относительно пускового момента, минимизация среднего значения остаточного момента сопротивления при обесточенной обмотке якоря (момент "залипания"), а также исключение односторонних радиальных и осевых сил тяжения, вызванных магнитной несимметричностью конструкции и возникающей вследствие этого асимметрии магнитных сил между кольцевыми зубчатыми магнитопроводами ротора и зубчатыми полюсами статора, как за счет равномерного расположения и числа явно выраженных зубчатых полюсов на пазовом статоре кратных двум, так и за счет получения близкой к постоянному значению в функции угла поворота ротора относительно статора суммарной магнитной проводимости воздушного зазора при обесточенной обмотке якоря путем выполнения постоянства или близкой к нему суммарной площади перекрытий зубцами магнитопроводов ротора зубчатых полюсов статора, а также их взаимной осевой (аксиальной) симметрии, что обеспечивается выполнением зубчатых магнитопроводов ротора равной друг другу активной осевой длиной LP, числа m фаз m-фазной обмотки якоря, кратного трем, определяемого как m=2f±1, где f равно 1, 2, 3,..., равномерным расположением явно выраженных зубчатых полюсов на пазовом статоре с их числом, определяемым как Р=2m×2S, где s равно 0, 1, 2,..., и размещением на каждом зубчатом полюсе статора симметрично относительно его оси нечетного числа зубцов ZC толщиной bZC, и смещением осей зубцов соседних зубчатых полюсов статора друг относительно друга на величину, пропорциональную отношению ±TZ к m, причем соседние полюса статора разделены шлицом шириной bШ не менее десятикратной величины воздушного зазора, определяемой из соотношения bШ=TZ×[(1±1/m)-bZC/TZ], выполнением числа зубцов ZR на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора кратным 2n при n равном 2, 3, 4,..., определяемым как ZR=P×(ZC±1/m), причем знак "плюс" - соответствует раздвижению соседних полюсов статора, а знак "минус" - сближению соседних полюсов статора, выполнением толщины зубцов bZP каждого из зубчатых магнитопроводов ротора равной половине его зубцового деления TZ и ее взаимосвязи с толщиной зубцов зубчатых полюсов статора bZC из соотношения 2/3≤bZC/bZP≤1 с учетом разворота кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора относительно друг друга на половину своего зубцового деления TZ, выполнением активной осевой длина LC кольцевого пазового статора с зубчатыми полюсами из соотношения LC=(2LP+bM) и расположением кольцевых зубчатых магнитопроводов ротора относительно кольцевого пазового статора аксиально симметрично.

Также благодаря выполнению многофазной конструкции, выполнению форм и геометрических параметров и соотношений зубцовых зон статора и ротора в предлагаемом БМЭД, а именно с числом m фаз m-фазной обмотки якоря кратным трем, определяемым как m=2f±1, где f равно 1, 2, 3,..., с равномерно расположенными явно выраженными зубчатыми полюсами на пазовом статоре, при этом их число определяется как Р=2m×2S, где s равно 0, 1, 2,..., а на каждом зубчатом полюсе статора симметрично относительно его оси размещено нечетное число зубцов Zc толщиной bZc, при этом оси зубцов соседних зубчатых полюсов статора смещены друг относительно друга на величину, пропорциональную отношению ±TZ к m, с толщиной зубцов bZP каждого из зубчатых магнитопроводов ротора равной половине его зубцового деления TZ, которая связана с толщиной зубцов зубчатых полюсов статора bZc соотношением 2/3≤hZc/bZP≤1 и с шириной шлицов bШ, разделяющих соседние зубчатые полюса статора, не менее десятикратной величины воздушного зазора, определяемой из соотношения bШ=TZ×[(1±1/m)-bZc/TZ], причем знак "плюс" соответствует раздвижению соседних полюсов статора, а знак "минус" - сближению соседних полюсов статора, а катушки обмотки якоря одной фазы, отстоящие друг от друга на число полюсных делений статора, равное числу m фаз, соединены последовательно-согласно, достигается повышение пускового и вращающего моментов, как за счет увеличения числа фаз, так и за счет уменьшения пульсаций моментов от снижения высших гармоник магнитной проводимости воздушного зазора (их амплитуд и их суммы) и снижения их взаимодействия с не синусоидальным током в обмотке якоря, в частности третьей, пятой, седьмой и кратных им гармоник магнитной проводимости воздушного зазора, каждая из которых при выполнении толщины зубцов полюсов статора bZC согласно указанному соотношению при толщине зубцов каждого из зубчатых магнитопроводов ротора bZP, равной половине его зубцового деления TZ, может быть существенно снижена или исключена. Это в свою очередь повышает относительную амплитуду первой гармоники магнитной проводимости (к постоянной составляющей) и соответственно повышает полезные моменты БМЭД, а также обеспечивает изменение магнитной проводимости воздушного зазора по первой гармонике косинусоиды в функции угла поворота ротора (или близкой к ней), что в свою очередь при синусоидальном, первой гармонике, изменении тока в обмотке якоря в функции угла поворота ротора (или близкой к ней) создает круговое магнитное поле в воздушном зазоре, обеспечивая постоянство полезных моментов с минимизацией их пульсаций в конструкции предлагаемого БМЭД. При этом повышение плавности вращения ротора БМЭД за счет снижения пульсаций моментов и выполнение числа зубцов ZR на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора кратным 2n при n равном 2, 3, 4,..., позволяет расширить возможности использования и области применения БМЭД в высокоточных аналоговых и цифровых управляемых электроприводах и безредукторных следящих системах автоматического управления, обеспечив соответствие электрических двоичных редукций (чисел пар полюсов) в предлагаемом БМЭД с прецизионными индукционными датчиками угла (многополюсными вращающимися трансформаторами) и с двоичными кодами сигналов управления. Снижение синхронных (реактивных) и асинхронных тормозных динамических моментов, вызванных пульсациями от высших гармоник магнитной проводимости воздушного зазора и несинусоидальности тока в обмотке якоря, в том числе и от их взаимодействия, снижает магнитную и электрическую загрузку БМЭД и соответственно снижает потребляемый ток, а также снижает потери вращающего момента от влияния ЭДС вращения ротора и вызванного им переменного магнитного поля с составляющими более высокого порядка (потери на перемагничивание, вихревые токи и поверхностный эффект). Это приводит к более эффективному использованию магнитопроводов ротора и статора.

Повышение моментных характеристик, энергетических показателей и использования активных материалов в предлагаемом БМЭД достигается также за счет выполнения ширины шлицов bШ, разделяющих соседние зубчатые полюса статора, не менее десятикратной величины воздушного зазора, определяемой из соотношения bШ=TZ×[(1±1/m)-bZc/TZ], причем знак "плюс" соответствует раздвижению соседних полюсов статора, а знак "минус" - сближению соседних полюсов статора, благодаря чему является несущественным или практически отсутствует понижающее влияние на величину полезных моментов в предлагаемом БМЭД рассеяния магнитного потока между соседними полюсами статора, образованного протекающим в катушках обмотки якоря электрическим током и не взаимодействующим с магнитным потоком в воздушном зазоре слоя постоянных магнитов, что также определяет отсутствие взаимной индуктивности обмоток якоря. Это в свою очередь обеспечивает более эффективное магнитное использование магнитомягких магнитопроводов ротора и статора или позволяет соразмерно уменьшить потребляемый m-фазной обмоткой якоря БМЭД электрический ток.

Повышение моментных характеристик, энергетических показателей и использования активных материалов, расширение возможностей использования предлагаемого БМЭД также обеспечивается за счет введения немагнитной втулки толщиной большей половины толщины bM слоя постоянных магнитов, на которой установлены и закреплены неподвижно относительно друг друга кольцевые зубчатые магнитопроводы ротора равной друг другу активной осевой длиной LP и кольцевой слой постоянных магнитов, что достигается за счет существенного снижения рассеяния магнитного потока слоя постоянных магнитов и соответствующего повышения доли магнитного потока от него, участвующего в создании всех составляющих полезного момента БМЭД. Выполнение втулки из немагнитного материала с магнитной проницаемостью, близкой к магнитной постоянной, например из титана, меди и др., а также их сплавов с содержанием кремния [Шматко О.А., Усов Ю.В. Электрические и магнитные свойства металлов и сплавов: Справочник. - Киев: Наукова Думка, 1987. - 583 с. (стр.65, 501-502)], позволяет устанавливать ротор БМЭД на вал управляемого объекта из магнитопроводящих конструкционных сталей, что расширяет возможности использования БМЭД в объектах различного назначения. Повышение степени участия в создании всех составляющих полезного момента БМЭД магнитного потока от постоянных магнитов позволяет соразмерно уменьшить потребляемый ток или объем материала магнитопроводов статора или ротора или самих постоянных магнитов.

Повышение моментных характеристик и энергетических показателей, повышение использования активных материалов, уменьшение массо-габаритных показателей предлагаемого БМЭД, при сохранении достигнутых технических результатов и преимуществ по п.1 формулы изобретения, также обеспечивается согласно п.2 формулы изобретения выполнением ротора в виде соосно расположенных и установленных на общую немагнитную втулку кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора числом N большим двух, два из которых крайние, а N минус два - внутренние, и кольцевых слоев аксиально намагниченных постоянных магнитов числом N минус единица, при этом каждые соседние зубчатые магнитопроводы ротора развернуты относительно друг друга на половину своего зубцового деления TZ, а между ними поочередно размещены по одному из N минус единица слоев постоянных магнитов, каждый из которых выполнен с равной друг другу толщиной bM, а соседние слои постоянных магнитов, разделенные одним внутренним зубчатым магнитопроводом ротора, аксиально намагничены в противоположных направлениях, при этом активные осевые длины LP каждого из крайних зубчатых магнитопроводов ротора выполнены равными друг другу, а активная осевая длина каждого внутреннего зубчатого магнитопровода ротора выполнена равной удвоенной активной осевой длине крайнего зубчатого магнитопровода ротора, при этом активная осевая длина LC пазового статора с зубчатыми полюсами определяется из соотношения Lc=2LP+2LP×(N-2)+bM×(N-1), что достигается за счет формирования элементарных модулей с максимальной и равномерной плотностью магнитного поля в виде пары кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора, между которыми размещены по одному кольцевому слою постоянных магнитов, при этом по мере увеличения числа таких модулей, равного N минус единица, полезный момент увеличивается в большей степени, чем прямо пропорционально, за счет снижения рассеяния как магнитных потоков, образованных протекающим электрическим током в катушках сосредоточенной m-фазной обмотки якоря, так и магнитных потоков от постоянных магнитов и соответственно более эффективного магнитного использования магнитомягких магнитопроводов ротора и статора. При этом осевая длина БМЭД не равна простой сумме активных осевых длин элементарных модулей (как это предложено Babb M. AC Servomotor Features Unique Position Sensor./Control Engineering. - March. -1988. - pp.46-48, а также в многостаторных, указанных выше, индукторных синхронных электродвигателях), а меньше на величину активной осевой длины одного внутреннего зубчатого магнитопровода ротора, что обеспечивает уменьшение массогабаритных показателей БМЭД. Повышение долей магнитных потоков, образованных протекающим электрическим током в катушках сосредоточенной m-фазной обмотки якоря и от постоянных магнитов, участвующих в создании всех составляющих полезного момента БМЭД, позволяет соразмерно уменьшить потребляемый ток или объем материала магнитопроводов ротора и статора или самих постоянных магнитов. В указанном выполнении БМЭД также обеспечивается существенное снижение до уровня единиц и долей процента среднего остаточного момента сопротивления при обесточенной обмотке якоря (момент "залипания") и его пульсации (его переменной составляющей), а также исключение односторонних радиальных и осевых сил тяжения, вызванных несимметричностью магнитных сил между кольцевыми зубчатыми магнитопроводами ротора и зубчатыми полюсами статора, за счет получения близкой к постоянному значению в функции угла поворота ротора относительно статора суммарной магнитной проводимости воздушного зазора при обесточенной обмотке якоря путем выполнения постоянства или близкой к нему суммарной площади перекрытий зубцами магнитопроводов ротора зубчатых полюсов статора, а также их осевой (аксиальной) симметрии.

Расширение возможностей использования, повышение моментных характеристик и использования активных материалов в предлагаемом БМЭД при сохранении достигнутых технических результатов и преимуществ по п.1 и 2 формулы изобретения, также обеспечивается, согласно п.3 формулы изобретения, выполнением магнитомягкого кольцевого пазового статора и кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора шихтованными из склеенных листов холоднокатаной изотропной или анизотропной электротехнической стали высокотемпературным, не менее 200°С, клеем, в частности фенолкаучуковым или элементоорганическим модифицированным