Многофазные структуры зубчатых полюсов для электрической машины

Многофазные структуры зубчатых полюсов для электрической машины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к электрическим машинам. В частности, настоящее изобретение относится к конструкции структур зубчатых полюсов для многофазной электрической машины.

Предшествующий уровень техники

В электрических машинах используется изменяющееся магнитное поле для получения электрического тока или механической силы. В случае электрических машин, предназначенных для получения электрического тока, магнитное поле проходит через катушку провода, в которой индуцируется требуемый электрический ток. В случае электрической машины, используемой для получения механической силы, через катушку провода пропускают электрический ток, в результате чего катушка притягивается (или отталкивается) расположенным рядом с ней магнитным полем, в результате чего образуется требуемая сила.

Описанные выше принципы обычно используют во вращающихся электрических устройствах. Например, в электрическом генераторе постоянного или переменного тока вращающийся элемент или ротор движется в магнитном поле, образуемом с помощью статора с интервалами, статор содержит множество полюсов, расположенных вокруг направления вращения, для формирования магнитного поля, которое может быть сформировано электромагнитным способом. Электрический двигатель может иметь аналогичную структуру, единственное различие состоит в принципе работы, поскольку в этом случае электрический ток подают в катушки ротора, а не генерируют (в случае генератора постоянного или переменного тока) с помощью катушек ротора.

Геометрическая конструкция и компоновка полюсов статора влияет на эффективность работы, а также на размеры, форму и вес электрической машины. Структуру зубчатого типа часто используют для полюсов ротора электрической машины, имеющего единую централизованную обмотку или катушку. В случае ротора генератора переменного тока в катушку подают постоянный ток. В других вариантах применения, таких как асинхронные двигатели, шаговые двигатели и бесщеточные двигатели с постоянным магнитом, в катушку статора подают переменный или импульсный ток.

Использование материалов, составленных из пластин, ограничивает конструкцию ротора многофазных электрических машин. Как правило, магнитную цепь формируют путем сложения идентичных пластин друг на друга, которые электрически изолированы друг от друга, что требуется для исключения циркуляции вихревых токов. Ротор такой конструкции имеет постоянную структуру вдоль оси вращения. Кроме того, поскольку магнитный поток циркулирует в плоскости пластин структуры, их можно называть двухмерными структурами.

При сборке электрических машин, в которых используется набор пластинчатых элементов, обычно требуется использовать дополнительные механические детали. Например, с каждой противоположной стороны набора пластинчатых элементов необходимо добавлять фланцы для установки корпусов подшипников, которые выполняют функцию фиксации ротора по отношению к статору. Из-за пластинчатой конструкции сложно выполнить сборку этих фланцев на пакете из-за присутствия концевых витков обмотки, которые выступают за пределы прорезей. Такие фланцы, если они изготовлены из магнитного материала, должны быть расположены на некотором расстоянии от крайних витков обмотки для минимизации утечки потока или вихревых токов, если они изготовлены из электропроводного материала. При использовании такой конструкции общая длина машины вдоль ее оси обычно увеличивается.

Рассеяние тепла в элементах машины, в которых используют пластинчатые материалы, также представляет собой критическую проблему, поскольку передача тепла намного менее эффективна в направлении, перпендикулярном плоскости пластинчатых элементов. Системы охлаждения, построенные в виде внешнего экструдированного алюминиевого хомута с охлаждающими ребрами, обычно устанавливают с опрессовкой вокруг набора пластинчатых элементов для улучшения передачи тепла в окружающую атмосферу, но эффективность таких систем охлаждения ограничена из-за плохого теплового контакта с пластинчатыми элементами. Все эти проблемы объясняют относительно высокое количество разнородных деталей, которые необходимо использовать в обычной электрической машине для обеспечения электромагнитной, механической и тепловой функции и которые увеличивают затраты на материалы и сборку: обмотки, пластинчатые элементы, фланцы, держатели корпуса подшипника, фиксирующие винты и стержни, внешний хомут, алюминиевые ребра и т.д.

Детали электрической машины можно изготовлять с использованием изотропного магнитного материала, такого как мягкие магнитные композитные материалы, изготовленные из железного порошка. Охлаждающие ребра, изготовленные из того же магнитного материала, также могут быть интегрированы в детали магнитной цепи, что раскрыто в патенте Канады 2282636, 1999. Также известно, что структуры зубчатых полюсов имеют ряд преимуществ при применении в устройствах малой мощности. В качестве примера электрической машины с использованием большого количества зубчатых полюсов можно рассмотреть "герметичные двигатели", используемые в таймерах или генераторах переменного тока автомобилей, в которых используют ротор с зубчатым полюсом (см., например, патент США №3271606 и патент США №3714484). Однако эту конфигурацию обычно используют в однофазных машинах, в которых установлена только одна катушка, встроенная в магнитную цепь, составленную из двух деталей, на которых сформированы зубья. Такой вид компоновки называется "централизованной обмоткой". Централизованная обмотка может оказаться более простой в реализации, чем другие конфигурации обмотки, поскольку общее количество обмоток обычно равно количеству фаз двигателя.

В случае индуктора автомобильного генератора переменного тока в катушку подают постоянный ток. Другие варианты применения, такие как статоры асинхронных двигателей (патент США №3383534), шаговые двигатели (патент США №5331237) и бесщеточные двигатели с постоянным магнитом (патент США №5854524), являются примерами использования структур с зубчатыми полюсами, в которых катушка запитана переменным током или импульсным током.

На фиг.1А, 1B и 1С показано несколько вариантов выполнения элемента 100 магнитной цепи известной конструкции однофазного статора. Эта конструкция содержит ярмо 105 (фиг.1В), которое сформировано из магнитного материала. Ярмо 105 изготовлено из двух расположенных противоположно колец 110, 120 с выступающими пальцами или зубьями 112, 114, 116, 122, 124, 126, продолжающимися радиально внутрь к передней части вдоль воздушного зазора, рядом с поверхностью ротора (не показан). Кольцевая катушка 130 расположена в осевом направлении концентрично оси ротора (не показан) и окружена двумя кольцами 110, 120 магнитной цепи. Плоскость, определяемая катушкой, перпендикулярна поверхности воздушного зазора между статором и ротором. Магнитный поток, образуемый кольцевой катушкой 130, проходит через воздушный зазор в ротор через зубья 112, 114, 116, 122, 124, 126, расположенные с каждой стороны катушки 130.

В случае якоря переменного тока с зубчатыми полюсами предпочтительно формировать сердечник из композитного материала для минимизации потерь, связанных с вихревыми токами (патент США №3383534 и патент США №5331237). Также можно использовать сборку из магнитных листов или пластинчатых деталей и других деталей, изготовленных из материалов, состоящих из железного порошка, полученных способами порошковой металлургии (патент США №6320294, патент США №6201324).

Многофазная структура с якорем с зубчатыми полюсами обычно является более сложной при изготовлении. При этом необходимо составить набор из нескольких однофазных структур, установленных на статор или ротор, и разделить их воздушными зазорами для исключения коротких замыканий магнитного поля и ухудшения рабочих характеристик. Однако в случае маломощных двигателей, например шаговых двигателей, часто можно допустить такое ухудшение рабочих характеристик при непосредственном сопоставлении нескольких однофазных структур без установки воздушных зазоров между структурами (патент США №6259176, патент США №6031304). В патенте США №5854526 представлена трехфазная структура зубчатого типа, в которой используются различные компоновки катушек. Три катушки расположены в одной плоскости, при этом их оси установлены параллельно поверхности воздушного зазора между статором и ротором. Как и в случае предыдущих структур, плоскость, образуемая катушками, располагается перпендикулярно поверхности воздушного зазора. Однако эти структуры не решают проблему коротких замыканий магнитного поля, и их следует использовать только в вариантах применения с очень небольшой мощностью.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание различных конструкций многофазных роторов с зубчатыми полюсами для электрических машин и соответствующих способов их сборки, которые можно использовать для конструирования и построения статоров многофазных электрических машин (двигателей и генераторов переменного тока), питание которых обеспечивают с использованием переменного или импульсного тока, таких как синхронные машины и машины с постоянным магнитом, шаговые двигатели, асинхронные машины и реактивные синхронные машины, работающие в широком диапазоне мощностей, а также для конструирования якоря ротора машин постоянного тока (двигателей или генераторов).

В указанных машинах поверхность воздушного зазора выполнена плоской в случае линейного движения или цилиндрической в случае кругового движения. Для упрощения следующего описания ниже будут описаны только магнитные цепи ротора. На чертежах представлены конструкции только с цилиндрической поверхностью воздушного зазора и с круговым движением вокруг оси поверхности воздушного зазора. Однако те же конструкции можно также использовать для электрических машин другого типа, таких как машины постоянного тока. Также можно использовать конструкции с плоской поверхностью воздушного зазора, с прямолинейным движением или с круговым движением вокруг оси, перпендикулярной к поверхности воздушного зазора.

Как и в известных конструкциях зубчатых полюсов, магнитная цепь окружает катушку и может быть разделена на несколько секций для упрощения ее сборки с катушкой. Магнитная цепь содержит несколько рядов зубьев, обращенных к воздушному зазору ротора. Зубья (или пальцы) в двух соседних рядах выполнены перекрещивающимися (или расположены через определенные промежутки), так что они перекрывают большую поверхность воздушного зазора без увеличения занимаемого пространства вдоль оси.

Настоящее изобретение отличается от известных конструкций компоновками катушек и зубьев в различных деталях магнитных цепей. Катушки намотаны вокруг оснований определенных зубьев. Основание зуба формирует часть магнитной цепи, которая расположена перпендикулярно поверхности воздушного зазора. Несколько зубьев могут быть закреплены на общем основании зубьев. Основания всех зубьев в одном ряду соединены с общим ярмом. Оси катушек всегда расположены перпендикулярно поверхности воздушного зазора, т.е. плоскость, образуемая катушками, параллельна поверхности воздушного зазора. Катушки установлены без чередования и не расположены через равные промежутки вдоль оси движения. При использовании такой конструкции магнитный поток, образуемый полюсами ротора, поочередно циркулирует в трех направлениях в сердечнике и в зубьях без компонента постоянного тока.

Зубья не обязательно должны иметь одинаковые размеры как в одном ряду, так и в соседних рядах. Форма зубьев позволяет регулировать содержание гармоник электродвижущей силы и управлять амплитудой момента, создаваемого гармоническим полем зубьев. Возможны различные формы частей зубьев, обращенных к воздушному зазору, в соответствии с различными вариантами применения. Чаще всего используют прямоугольную, треугольную или трапецеидальную форму. Зубья также могут быть скошены по отношению к касательной поверхности воздушного зазора в направлении движения для уменьшения момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, с использованием того же способа скашивания, который применяют в обычных машинах. Величину воздушного зазора между ротором и статором также можно изменять вдоль поверхности одного зуба. При таком подходе можно точно адаптировать пространственное распределение индукции в воздушном зазоре и распределение индукции в различных частях зуба.

Основания зубьев, на которых установлены катушки, обычно имеют прямоугольную форму. Тем не менее, предпочтительно закруглять углы для упрощения намотки. В некоторых случаях также можно использовать овальные или круглые формы для минимизации размера катушек.

Магнитная цепь предпочтительно изготовлена из магнитного композитного материала на основе металлического порошка, сформирована с помощью прессования, формования или механической обработки. Некоторые детали магнитной цепи также могут быть изготовлены из обычных наборов пластинчатых деталей. В специальных случаях, когда узел катушки на сердечнике является трудновыполнимым, можно разделять магнитную цепь на несколько деталей для упрощения сборки и установки катушек. Затем механическую сборку выполняют с помощью совместного склеивания, свинчивания или прессования отдельных частей.

Якоря с зубчатыми полюсами в соответствии с данным вариантом выполнения можно использовать в классическом цилиндрическом роторе, например роторе, изготовленном с постоянными магнитами, установленными на поверхности ярма. Однако рекомендуется использовать два ярма ротора, оборудованных магнитами и разделенных осевым воздушным зазором. При использовании такой конструкции каждый ряд магнитов может быть установлен соответственно по отношению к зубьям статора. В этом случае зубья центральных и боковых деталей могут иметь одинаковую толщину. Такое разделение ротора на несколько рядов также можно использовать для сглаживания момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, если ряды магнитов несколько сдвинуты на соответствующий угол.

Конструкция зубчатых полюсов, представленная в настоящем изобретении, обеспечивает лучшие электромагнитные, механические и тепловые функции, чем классическая пластинчатая структура. В случае, когда используют композитный металлический порошок, частицы железа изолируют с помощью пластика, при этом магнитный поток может циркулировать во всех направлениях или в трех измерениях без увеличения магнитных потерь. Новая топология и узлы магнитной цепи, реализованные в соответствии с настоящим изобретением, позволяют улучшить процесс производства и снизить связанные с ним затраты. В таких структурах можно устранить проблему механического крепления обычного набора пластинчатых элементов и обеспечить минимальные размеры и количество дополнительных деталей.

В настоящем изобретении магнитная цепь может быть разделена на несколько частей, соответствующих каждому ряду зубьев, что упрощает сборку катушек. В случае, когда магнитная цепь разделена на три части, механическую фиксацию центральной части выполняют с помощью боковых деталей, которые выполняют роль классических фланцев. Намотка катушек также может быть упрощена благодаря минимизации количества витков и количества соединительных выводов. Общая длина оси машины при этом уменьшается, и обеспечивается минимальный объем активных материалов, упрощается процесс изготовления катушки, а также минимизируются затраты. Катушка в соответствии с настоящим изобретением идеально помещается внутри якоря магнитного сердечника. При этом отсутствуют участки обмотки, которые увеличивают осевую длину статора за пределы активной длины магнитной цепи, такие как концевые витки в классической двухмерной структуре.

Кроме того, в настоящем изобретении ротор может быть очень просто установлен с помощью небольших фланцев, которые содержат корпус подшипника. Такие небольшие фланцы могут быть изготовлены из электропроводного материала, поскольку утечка потока на концах обмоток минимальна, и могут быть легко закреплены на боковых частях. При этом устраняется проблема механической фиксации обычного набора из пластинчатых деталей с выступающими концами обмоток.

Хотя обычно для циркуляции потока и крепления катушек используют различные детали магнитной цепи, в настоящем изобретении эти части также могут использоваться для упрощения механической сборки и для крепления датчиков положения. Кроме того, размер дополнительных деталей, которые необходимы для корпусов подшипников и для механической установки ротора, может быть значительно уменьшен. Интеграция корпусов подшипников в боковые части структуры якоря в соответствии с настоящим изобретением может быть реализована непосредственно с использованием материала из металлического порошка. При использовании такой компоновки каждая боковая часть предложенной магнитной цепи, включая держатели подшипников ротора, может быть сформована путем прессования с использованием одной операции прессования. Однако при такой интеграции требуется исключить возникновение нежелательных коротких замыканий магнитного потока в воздушном зазоре машины. Это условие может быть легко выполнено при использовании немагнитного материала для интеграции корпусов подшипников в боковых частях статора. В качестве альтернативы также возможно использовать магнитный материал при выполнении определенных условий. Например, в периодической структуре два различных зуба, которые имеют одинаковый магнитный потенциал, могут быть соединены без изменения пути потока.

В предлагаемых конструкциях согласно изобретению может быть легко установлена система охлаждения с эффективной естественной конвекцией или конвекцией с принудительным нагнетанием воздуха или циркуляцией воды. Такая система может быть полностью интегрирована в детали магнитной цепи с использованием материала другого рода или без него. Например, охлаждающие ребра могут быть спрессованы одновременно с ярмом якоря за одну операцию прессования, при этом ребра охлаждения будут распределены вокруг внешней поверхности ярма. Если такие ребра будут выполнены из соответствующего магнитного материала и ориентированы вдоль осевой длины машины, в них также может циркулировать магнитный поток, т.к. они будут "магнитоактивными". При использовании такой компоновки можно дополнительно уменьшить общий размер и вес двигателя и увеличить отношение крутящего момента к весу машины. В такие структуры также может быть легко интегрирована система охлаждения с циркуляцией текучей среды. Например, можно устанавливать трубки или каналы для циркуляции охлаждающей текучей среды, которая может быть немагнитной и которая может находиться в непосредственном контакте с витками катушки и может быть установлена в плоскости, параллельной рядам зубьев. Такие трубки закрепляют механически на зубьях боковых пластин. Каналы для циркуляции охлаждающей текучей среды также могут быть сформированы непосредственно в ярме магнитной цепи, изготовленном из мягкого магнитного материала.

Когда требуется разработать различные двигатели для работы в определенном диапазоне мощности, согласно изобретению можно использовать идентичные детали для оптимизации процесса производства. В случае применения пластинчатого материала изменяют осевую длину магнитной цепи путем регулирования количества идентичных пластинчатых элементов в наборе. При этом возможно использовать этот подход в случае роторов с зубчатыми полюсами. При этом всегда можно непосредственно составлять две идентичные структуры вдоль оси вращения без разделения воздушным зазором. Такое преобразование позволяет удвоить мощность исходной машины. В результате получается очень простая компоновка, и не требуется применять дополнительные детали. Механическое крепление при этом может быть реализовано с использованием боковых деталей каждой структуры, и обмотки могут быть соединены последовательно или параллельно. Затем используют единую структуру индуктора, которая проходит по всей длине двигателя, но также возможно использовать несколько составленных вместе ярм ротора. Кроме того, также можно использовать небольшое угловое смещение между каждой структурой в направлении вращения. Благодаря этому можно минимизировать колебания момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, и может быть отфильтрована гармоническая составляющая электродвижущей силы.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1А, 1В и 1С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов известной однофазной структуры с зубчатыми полюсами с двумя секциями и центральной кольцевой катушкой;

фиг.2А, 2В и 2С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов упрощенной трехфазной магнитной цепи с зубчатыми полюсами, в которой элементы разделены на две секции и три катушки установлены на зубьях одной секции, согласно изобретению;

фиг.3А, 3В и 3С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативного варианта выполнения узла, в котором элемент магнитной цепи разделен на три секции вдоль оси ротора, причем три катушки установлены на зубьях секции центральной магнитной цепи, в которой две боковые секции магнитной цепи выполнены идентичными, согласно изобретению;

фиг.4А, 4В и 4С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов узла из двух структур, обеспечивающих повышение мощности, согласно изобретению;

фиг.5А, 5В и 5С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов пятифазной структуры, в которой воздушный зазор расположен на внешней поверхности, элементы магнитной цепи разделены на три секции и пять катушек установлены на центральной части, две боковые части магнитной цепи выполнены идентичными, согласно изобретению;

фиг.6А, 6В и 6С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативного узла конструкции, в которой зубья центральной части магнитной цепи установлены после установки катушек и зубья боковых частей увеличены для улучшения механического крепления катушек, что облегчает монтаж катушек на центральной части, согласно изобретению;

фиг.7А, 7В и 7С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов другого варианта выполнения трехфазной магнитной цепи, который предназначен для использования с ротором или внешним статором, образующим 14 или 16 магнитных полюсов в воздушном зазоре, и в котором магнитная цепь разделена на три части, три катушки установлены на центральной части, окруженные рядом зубьев, и зубья в центральной части магнитной цепи и в боковых частях распределены неравномерно, согласно изобретению;

фиг.8А, 8В и 8С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативной конструкции, в которой центральная часть модифицирована для минимизации количества меди, требуемой для намотки катушек, ряд зубьев на боковых деталях перегруппирован и зубья на боковых деталях выполнены с двумя различными значениями ширины, согласно изобретению;

фиг.9А, 9В и 9С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативной конструкции, в которой несколько зубьев на боковых блоках выполнены с прорезями для минимизации момента, создаваемого гармоническим полем зубьев, согласно изобретению;

фиг.10А, 10В и 10С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов альтернативной трехфазной структуры, предназначенной для использования с ротором или внешним статором, который образует 14 или 16 магнитных полюсов в воздушном зазоре, в которой центральная часть магнитной цепи содержит девять неравномерно распределенных зубьев, причем основания зубьев установлены в группах по три для уменьшения пространства, занимаемого тремя катушками, установленными на центральной части, и боковые части магнитной цепи выполнены идентичными, причем каждая из них состоит из шести неравномерно распределенных зубьев, согласно изобретению;

фиг.11А, 11В и 11С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов другого узла структуры, в котором центральная часть разделена на три идентичные части для упрощения установки катушек, и эти три части механически удерживаются вместе с помощью двух продольных деталей компонента магнитной цепи, согласно изобретению;

фиг.12А, 12В и 12С изображают вид спереди, общий вид в сборе и общий вид элементов трехфазной структуры, которая включает шесть катушек на центральной части, в которой внешняя поверхность магнитной цепи оборудована охлаждающими ребрами, и на каждой боковой части магнитной цепи сформированы держатели подшипников, предназначенные для механической установки ротора (не показано), согласно изобретению;

фиг.13А изображает поперечный разрез части двигателя с воздушным зазором, где радиус кривизны зуба отличается от радиуса кривизны двигателя;

фиг.13В изображает продольный вид части двигателя с воздушным зазором, где зуб с модифицированным продольным профилем прилегает к воздушному зазору, согласно изобретению;

фиг.14А изображает систему охлаждения, интегрированную в статор (вид в разрезе), согласно одному варианту воплощения изобретения;

фиг.14В изображает общий вид круглых охлаждающих трубок системы охлаждения, согласно изобретению;

фиг.15А изображает систему охлаждения, интегрированную в магнитную цепь статора (вид в разрезе), согласно одному варианту воплощения изобретения;

фиг.15В и 15С изображают общий вид статора с боковой стенкой и юбкой, интегрированного в магнитную цепь статора, согласно изобретению;

фиг.16 изображает общий вид сегментов и рядов зубьев, согласно изобретению;

фиг.17 изображает общий вид сборки сегментов, где два противоположных сегмента образуют сборку с двумя фланцами из немагнитного материала, и подложку для размещения корпуса подшипника, согласно изобретению;

фиг.18 изображает общий вид корпуса подшипника, согласно изобретению;

фиг.19А и 19В изображает общий сборки магнитной цепи в собранном и разобранном виде, включая немагнитные фланцы, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Якорь электрической машины в соответствии с настоящим изобретением содержит магнитную цепь, составленную из одной или больше частей, и многофазную обмотку с несколькими катушками.

Элементы магнитной цепи предпочтительно изготовлены из композитного магнитного материала на основе железного порошка и сформированы путем прессования, формования или механической обработки.

При этом не требуется полностью собирать магнитную цепь из пластинчатого материала. Циркуляция переменного магнитного потока в трех измерениях генерирует вихревые токи в пластинах. Однако магнитную цепь можно разделить на несколько частей. Части, в которых магнитный поток не циркулирует в плоскости (зубья, углы), следует изготовлять из композитного магнитного материала, а другие части, в которых магнитный поток циркулирует в плоскости (ярмо, основания зубьев), в случае необходимости, могут быть изготовлены из пластинчатого материала. Хотя механическая сборка магнитной цепи при этом становится более сложной, она может быть выполнена путем склеивания, свинчивания или прессования деталей вместе.

Конструкция магнитной цепи содержит множество рядов зубьев (фиг.2-12), расположенных так, что верхние поверхности зубьев обращены к воздушному зазору между статором и ротором. Эти ряды зубьев расположены параллельно друг другу, и каждый ряд расположен в направлении движения. Основание зубьев образует часть магнитной цепи, и зубья соединены с кольцевым ярмом, которое является общим для каждого ряда зубьев. Обмотка намотана вокруг основания некоторых зубьев. В общем количество зубьев, составляющих каждый ряд, представляет собой число, кратное количеству фаз электрической машины, хотя количество зубьев может различаться в разных рядах. Распределение зубьев может быть либо равномерным (фиг.2-6), или неравномерным (фиг.7-11). Верхняя поверхность каждого зуба, расположенного рядом с воздушным зазором, имеет большую площадь поверхности, чем поперечное сечение основания зуба (участок зуба, расположенный на удалении от воздушного зазора). Это обеспечивает возможность перекрытия каждым зубом большей поверхности воздушного зазора в то время, как можно уменьшить количество металла, требуемого для формирования зубчатого полюса, и обеспечить место для установки проволочной обмотки. Профиль зубьев прямо влияет на содержание гармоник электродвижущей силы (эдс) в условиях без нагрузки и амплитуды момента, создаваемого гармоническим полем зубьев. Наиболее соответствующая форма верхних поверхностей зубьев может быть прямоугольной, треугольной или трапецеидальной.

Многофазные многополюсные якоря в соответствии с настоящим изобретением можно использовать с роторами или статорами, которые образуют магнитные северный - южный полюса с переменным намагничиванием в направлении движения. Эти полюса генерируют магнитный поток, переменно циркулирующий в трех измерениях магнитной цепи, в зубьях и в катушках. Такой поток не содержит компонента постоянного тока.

Обычно зубья в двух соседних рядах расположены с чередованием или во взаимных промежутках для обеспечения минимальной общей осевой длины двигателя, при этом они перекрывают одинаковую поверхность воздушного зазора, например зубья 212, 214, 216 и 222, 224 и 226 на фиг.2В. Однако, когда расстояние между зубьями становится слишком малым, утечка магнитного потока становится существенной. Поэтому предпочтительно устанавливать зубья с чередованием только, когда такая компоновка не приводит к существенной утечке потока, с учетом конкретного варианта применения и конструктивных требований.

При реализации настоящего изобретения на практике не требуется, чтобы последовательные ряды зубьев имели одинаковую форму или одинаковую ширину, как зубья 212, 214, 216 и 222, 224 и 226 в известной конструкции на фиг.2. Однако чередующиеся ряды зубьев, т.е. два ряда зубьев, разделенные третьим рядом зубьев, всегда имеют одинаковую форму (фиг.3-12). Обычно зубья, расположенные в соседних рядах с обеих сторон одного ряда, выровнены в направлении, перпендикулярном рядам зубьев. При этом они имеют одинаковый магнитный потенциал и могут соприкасаться или могут быть разделены небольшим воздушным зазором, который не приводит к утечке магнитного потока (фиг.3-12).

Как указано выше, элемент магнитной цепи в соответствии с настоящим изобретением содержит одну или больше катушек, соединенных последовательно или параллельно, предназначенных для генерирования магнитного поля в зубьях. Каждая катушка намотана непосредственно вокруг основания одного (фиг.2-6) или нескольких зубьев (фиг.7-11). Катушки всегда расположены через равномерный интервал вдоль оси движения и установлены без чередования. Поверхность, определяемая катушками, всегда параллельна направлению движения и воздушному зазору между статором и ротором (фиг.2-12). В случае, когда используются несколько рядов зубьев, катушки установлены полностью на основаниях четных рядов или нечетных рядов, но не вперемешку.

Хотя в настоящем изобретении описаны структуры с двумя рядами зубьев (фиг.2), в большинстве случаев предпочтительно использовать по меньшей мере три ряда зубьев (фиг.3-12). На фиг.2 показано внешнее ярмо для трехфазной машины с двумя рядами зубьев (первый ряд зубьев 212, 214 и 216 на кольце 210 и второй ряд зубьев 222, 224 и 226 на кольце 220), которое можно использовать как ротор или как статор. Для получения лучших рабочих характеристик предпочтительно использовать эту структуру с соответствующим индуктором (ротор или статор), который образует четыре магнитных полюса в воздушном зазоре.

Описанные варианты выполнения имеют цилиндрическую структуру, направление по линии оси вращения описанных структур называется осевым направлением, направление, определенное точкой, вращающейся вокруг оси вращения, называется направлением окружности, и направление, нормальное к оси вращения, называется радиальным направлением.

На фиг.2 представлена сборка 20 магнитной цепи, которая содержит ярмо 200. Ряд полюсов в виде зубьев (описанных ниже) продолжается в радиальном направлении внутрь от ярма. При использовании сборки 20 верхние поверхности зубчатых полюсов расположены на некотором расстоянии от соответствующего цилиндрического электрического элемента (не показан), который установлен по их внешнему контуру так, что между этими двумя элементами образуется воздушный зазор.

Ярмо 200 (фиг.2В и 2С) разделено на две части, кольца 210, 220, в плоскости, перпендикулярной цилиндрической поверхности, образованной воздушным зазором. В показанном варианте выполнения каждое из колец 210, 220 содержит ряд из трех зубьев 212, 214, 216 и 222, 224 и 226, которые расположены через равные промежутки по окружности соответствующих колец. Размеры верхних поверхностей зубьев на каждом кольце различны. В данном варианте выполнения площадь верхних поверхностей зубьев 212, 214 и 216 выполнена большей, чем площадь верхних поверхностей зубьев 222, 224 и 226. Это связано с тем, что размер по окружности зубьев 212, 214 и 216 больше, чем зубьев 222, 224 и 226. При сборке двух колец зубья устанавливаются с чередованием (фиг.2В). Катушки 232, 234 и 236 намотаны вокруг оснований зубьев 212, 214 и 216 магнитной цепи соответственно. Ось цилиндрической поверхности, образуемой катушками, совпадает с осью воздушного зазора между ротором и статором (фиг.2С). Катушки расположены с равномерным промежутком по отношению друг к другу.

На фиг.3А, 3В и 3С представлен альтернативный вариант выполнения сборки 30 магнитной цепи, в которой используются три кольца статора, содержащие три ряда зубьев. В такой компоновке обмотки полностью закрыты, и обеспечивается минимальная осевая длина машины. При этом ни одна из частей обмоток не выступает за пределы общей длины магнитной цепи в направлении, перпендикулярном рядам зубьев. В этом варианте выполнения ярмо 300 сформировано из трех колец 310, 320 и 330 (фиг.3В и 3С). Два внешних кольца 310, 330 выполнены идентичными, и на каждом из них установлены по три полюса зубьев (фиг.3С). На центральном кольце 320 установлены обмотки 342, 344 и 346 на зубьях 322, 324 и 326. В этом варианте выполнения верхние поверхности зубьев 322, 324 и 326 центрального кольца 320 выполнены увеличенными в осевом направлении и направлении окружности.

Для изготовления сборки 30 магнитной цепи катушки вначале наматывают непосредственно на основания соответствующих зубьев. Затем следует сборка магнитной цепи с двумя внешними кольцами 310, 330 (фиг.3В). Как показано, верхние поверхности зубьев имеют форму, благодаря которой после сборки верхние поверхности зубьев устанавливаются с чередованием.

В представленных вариантах выполнения (фиг.2-12) ряд зубьев, на которых установлены обмотки, расположен либо возле одного ряда зубьев без обмоток (фиг.2), или зажат между двумя рядами зубьев без обмоток (фиг.3-12). Отличие сборки на фиг.7 по сравнению с фиг.9 заключается в том, что зубья 912, 914, 916, 932, 934, 936 (фиг.9) внешних колец 910, 930 выполнены с радиальными прорезями (разделены на две части в радиальном направлении для образования между ними воздушного зазора). Это позволяет соединить воздушный зазор через ярмо. Учитывая предыдущее описание, структуры на фиг.7 и 9 всегда имеют одинаковое количество зубьев. Обычно для этих структур характерно то, что количество катушек Nb, количество зубьев G1 и G2 и количество пар магнитных полюсов индуктора (противоположная часть по отношению к воздушному зазору) удовлетворяют следующим условиям:

Nb=k1.Mph, где k1 целое число, равное или большее 1;

G1=k2.Nb, где k2 целое число, равное или большее 1;

G2=G1+k3.Nb, где k3 равно -1 или 0 и G2>0,

где:

Mph - представляет собой количество фаз; Mph больше 1;

Р - представляет собой количество пар магнитных полюсов, образуемых индуктором (противоположной частью двигателя);

Nb - представляет собой общее количество катушек, равномерно распределенных вдоль длины ряда зубьев;