Электрическая машина (варианты)

Электрическая машина (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована при создании двигателей (генераторов) с постоянными магнитами.

В работе (см. Лифанов В.А. Расчет электрических машин малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. Учебное пособие. Челябинск. Издательский центр ЮУрГУ, 2010 г.) на рис. 1.3, 1.4 рассмотрены типовые конструкции электрических машин с постоянными магнитами. В вентильных двигателях постоянного тока и синхронных микродвигателях преимущественное применение получили магнитопроводы с внешним расположением якоря и вращающимся индуктором, но возможны варианты с внешним вращающимся индуктором и неподвижным внутренним якорем (см. рис. 1.3в). Магниты могут иметь кольцевую, цилиндрическую или призматическую форму. Индуктор может быть монолитным (см. рис. 1.4в) или составным (см. рис. 1.4г), может иметь явно выраженные полюсы или иметь кольцевую форму без явных полюсов. Такое многообразие вариантов конструкции объясняется различием технических требований, а также отсутствием единого критерия оптимизации электрических машин.

В работе (см. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. Москва Высшая школа 1990 г.) на рис. 2. 22 изображены варианты конструкции роторов синхронных машин с постоянными магнитами призматического вида. Рассмотрены две модификации роторов, с радиальным и тангенциальным намагничиванием магнитов. В первом случае ротор содержит расположенные радиально постоянные магниты призматической формы, которые намагничены по радиусу и примыкают своими внутренними торцами к магнитной втулке (внутреннему магнитопроводу). Во втором случае магниты намагничены тангенциально и примыкают к немагнитной втулке. Роль полюсов в этом случае выполняют секторы из магнитомягкой стали, которые расположены между магнитами.

Примером применения постоянных магнитов является электрическая машина в режиме вентильного двигателя.

Типовая структура вентильного двигателя с внутренним ротором (см. Овчинников И.Е. Вентильные двигатели и привод на их основе. Курс лекций. Санкт-Петербург, Корона-Век. 2012 рис. 1.5б) содержит статор с обмоткой, состоящей из двенадцати секций, образующих замкнутую систему. Точки соединения секций подключены к бесконтактным (транзисторным) переключателям. Каждый из переключателей управляется своим чувствительным элементом (датчиком), закрепленным на статоре. Датчики срабатывают от намагниченных секторов ротора. На роторе расположены также постоянные магниты системы возбуждения.

В данном устройстве совмещены преимущества коллекторного двигателя постоянного тока и синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов, таких как:

- отсутствие скользящих электрических контактов, высокая надежность и долговечность;

- благоприятные механические и регулировочные характеристики, простота управления моментом вращения и скоростью;

- высокая кратность пускового момента, малая механическая постоянная времени, хорошая динамика;

- улучшенные энергетические показатели, благодаря применению современных магнитов;

- высокие удельные показатели по развиваемому длительному моменту на единицу массы двигателя.

В другой работе (см. Захаренко А.Б. Создание высокомоментных электрических машин с постоянными магнитами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. На правах рукописи. М. 2008 г. www.vniiem.ru/ru/uploads/files/zakharenko.pdf) на рис. 1 изображена активная часть электрической машины с двумя рабочими зазорами. На рис. 2 изображена активная часть электрической машины с постоянными магнитами с одним зазором между статором и ротором. Главной отличительной особенностью рассматриваемых исполнений электрических машин является то, что обмотка их статора - катушечная (зубцовая), и каждая катушка обмотки статора расположена отдельном зубце (рис. 2). Благодаря радиальному расположению постоянных магнитов эти конструктивные исполнения обладают преимуществами над другими исполнениями высокомоментных машин:

- упрощается технология изготовления обмотки;

- повышается коэффициент заполнения паза;

- улучшается теплопроводность обмотки;

- уменьшается удельный вес высших гармонических составляющих в составе ЭДС;

- снижаются пульсации момента, увеличивается плавность движения;

- увеличивается КПД.

В режиме вентильного двигателя датчики положения ротора размещены на стороне статора, обращенной к постоянным магнитам ротора, непосредственно во внешнем воздушном зазоре.

Это дает возможность:

- упростить конструкцию за счет отказа от дополнительных магнитных систем;

- более точно обеспечить моменты переключения фаз;

- получить более высокую стабильность работы датчиков;

- упростить контрольные операции при производстве и диагностике.

В данной работе также установлено, что общепризнанного критерия оптимизации электрических машин с постоянными магнитами не существует, поэтому задачу оптимизации необходимо рассматривать как многокритериальную.

Известна синхронная машина (см. патент РФ 2069441 Н02К 21/22 1996), содержащая якорь, имеющий N полюсов и индуктор из множества постоянных магнитов. Указанные постоянные магниты, имеющие N-1 полюсов, обеспечивают магнитное поле при вращении относительно якоря. Такие машины могут производить электрическую энергию в режиме генератора или создавать крутящий момент в режиме двигателя. Поле возбуждения в них образовано постоянными магнитами, вращающимися относительно якоря с явными полюсами.

На фиг. 2 и фиг. 3 изображен конкретный пример якоря (статора) с катушечной (зубцовой) обмоткой, где каждая катушка обмотки расположена на отдельном зубце. На фиг. 6 изображена схема устройства преобразования переменного (генерируемого) напряжения в постоянное в режиме генератора, содержащая группу выпрямительных диодов и нагрузку. Данное устройство позволяет повысить КПД путем сглаживания кривой момента вращения.

Перспективным направлением в разработке электрических машин является применение магнитных сборок Халбаха (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_сборка_Халбаха).

Различают три вида магнитных сборок Халбаха (массивов Халбаха):

- линейная магнитная сборка Халбаха; - цилиндр Халбаха; - сфера Халбаха.

В линейной сборке Халбаха магнитное поле усиливается с одной стороны примерно в два раза (зона максимальной индукции) и ослабляется с противоположной стороны (зона минимальной индукции) практически до нуля, благодаря особому расположению элементов сборки. Зоной максимальной (минимальной) индукции будем называть часть пространства (физический объем с магнитным полем), расположенный по сторонам сборки. Форма этого объема вблизи сборки (в рабочем зазоре) похожа на параллелепипед, толщина которого не менее ширины рабочего зазора, а длина и ширина примерно соответствуют размерам магнитной сборки.

Конфигурация магнитного поля вокруг сборки имеет явно несимметричный характер (см. фиг. 2). Направление расположения зоны (объема) максимальной (минимальной) индукции будем определять не прямой линией, а некоторым конусом (сектором), внутри которого практически сохраняется физическое воздействие на ротор электрической машины, т.е. практически сохраняется момент вращения. Центральный угол этого сектора не превышает нескольких градусов.

В дальнейшем, для простоты, будем условно совмещать направление расположения зоны максимальной (минимальной) индукции с направлением одной из осей сборки, которые можно провести для ориентации линейной магнитной сборки в пространстве. Можно провести три взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр сборки. Большая ось будет проходить вдоль длинной стороны магнитной сборки и будет условно параллельна зоне максимальной (минимальной) индукции, первая малая ось также будет условно параллельна зоне максимальной (минимальной) индукции, а вторая малая ось будет условно перпендикулярна зоне максимальной (минимальной) индукции (с точностью до нескольких градусов).

В цилиндре Халбаха внутреннее магнитное поле имеет однородную структуру, и постоянно по величине, что можно использовать при проектировании электрических машин. Однако, линейная магнитная сборка Халбаха проще по своей конструкции. Она состоит из магнитов в форме параллелепипедов, в т.ч. и из магнитов кубической формы. Количество магнитов в сборке не менее трех. Магнитные элементы цилиндра Халбаха имеют достаточно сложную форму и индивидуальные (разные) направления намагниченности, что существенно удорожает их производство.

Сфера Халбаха имеет замкнутую поверхность (объем), поэтому ее применение в электрических машинах нецелесообразно.

В следующей статье (Исмагилов Ф.Р. и др. Исследование новых конструкций индукторов магнитоэлектрических машин. Научный журнал "Успехи современного естествознания" РАЕ №12 2007 часть 3 стр. 119-120 www.rae.ru) рассмотрены результаты моделирования программными средствами магнитной системы на основе цилиндра Халбаха. Была проанализирована конструкция магнитной системы, состоящей из восьми сегментов, объединенных в окружность, с постоянным изменением направления их намагниченности. В результате расчетов был сделан вывод, что рассмотренная магнитная система может быть использована как двухполюсный индуктор в синхронных машинах и машинах постоянного тока. Поле внутри данной магнитной системы можно приближенно определить по формуле:

где

B_r - остаточная индукция;

r1 - внутренний радиус;

r2 - внешний радиус.

Оценим величину В₀. При изменении значения отношения от 1,5 до 3 значение ln≤1,1. Отсюда следует, что значение В₀≤B_r.

Фактически не происходит усиления магнитного поля вблизи магнитов, но с другой стороны это поле очень однородное и постоянное по величине внутри всего цилиндра Халбаха.

Основные преимущества подобных конструкций - малая масса и инерция, отсутствие потерь в стали. При этом конструкция машины упрощается, появляется возможность извлечения большой пиковой мощности за короткое время.

Недостатком такой системы является сложная форма магнитных сегментов, образующих цилиндр Халбаха и трудность их намагничивания в заданных направлениях.

В дополнение к предыдущему в статье (Halbach Array Motor/Generators - A Novel Generalizet Electric Machine 1994 www.hkcm.de/download/Haibach_Array_Motor.pdf) рассмотрена обобщенная электрическая машина на основе массива Халбаха. На фиг. 1а изображен исследуемый цилиндр Халбаха (вид сверху), состоящий из восьми магнитных сегментов. Показано направление намагниченности каждого сегмента. На фигуре 1в изображены магнитные силовые линии части цилиндра. На фигуре 2 изображены магнитные силовые линии внутри цилиндра и измеренные значения магнитной индукции в разных точках цилиндра. Магнитное поле вне цилиндра значительно ослаблено, а поле внутри цилиндра постоянно по величине и по направлению. Такие массивы Халбаха перспективны для создания двигателей - генераторов, хотя имеют недостатки, связанные со сложностью изготовления самого массива.

Известен двигатель на основе цилиндра Халбаха (High Efficiency Permanent Magnet Motor www.ata.org.au/wp-content/uploads/marand_high_efficiency_motor.pdf), содержащий распределенную обмотку статора, датчики положения и два кольцеобразных ротора с постоянными магнитами. Данный двигатель имеет повышенный КПД, повышенную мощность и уменьшенную массу.

Известно использование линейных магнитных сборок Халбаха для транспортных средств на магнитной подушке (Toward More Efficient Transport: The Inductrack Maglev System 10 oktober 2005 http:/gcep.Stanford.edu/pdfs/ChEHeXOTnf3dHH5gjYRXMA/09_Post_10_11_trans.pdf).

Ha GCEP_16 изображена схема магнитной подвески для скоростного поезда на магнитной подушке. Элемент магнитной подвески состоит из двух линейных магнитных сборок Халбаха, каждая из которых содержит по пять постоянных прямоугольных магнитов, намагниченных под углом 90° друг к другу. Первая (верхняя) сборка находится выше полотна (трассы), а вторая (нижняя) сборка находится ниже трассы (стального полотна). Зоны максимальной индукции каждой сборки находятся в рабочих зазорах между полотном и плоскостью магнитной сборки. Благодаря увеличенной магнитной индукции в рабочем зазоре возникает большая подъемная сила. Транспортное средство не касается полотна, а парит над ним. Такой процесс называется левитацией.

На GCEP - 05, 06, 17 изображены поезда на магнитной подушке, реализованной на линейных магнитных сборках Халбаха. Такие поезда достигают скорости имеют плавный ход, низкий уровень шума и высокую энергоэффективность.

Известна электрическая машина (патент РФ 2141716 Н02К 29/00 1999). содержащая статор с системой проводников и ротор с системой возбуждения из постоянных магнитов. В режиме двигателя электрическая машина имеет также сенсорное устройство, укрепленное на наружном периметре статора и управляющее устройство, которое осуществляет переполюсовку (переключение) постоянного питания проводниковой системы. В режиме генератора электрическая машина содержит устройство выпрямления (преобразования) получаемого в генераторе тока.

Постоянные магниты имеют треугольную форму и расположены по кольцу. Кроме того постоянные магниты с обеих сторон имеют выступы, с помощью которых они входят в зацепление в соответствующие пазы зон материала, который заполняет пространство между магнитами (прототип).

Данная электрическая машина имеет повышенный вращающий момент и мощность относительно своего веса или занимаемого объема.

Недостатками данного устройства являются сложная форма постоянных магнитов, что повышает трудоемкость изготовления, а также недостаточная величина момента вращения, ввиду применения одиночных постоянных магнитов.

Сущность группы изобретений заключается в следующем.

Единая задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений заключается в использовании линейных магнитных сборок Халбаха в электрических машинах.

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении данной группы изобретений заключается в повышении вращающего момента (мощности) в режиме двигателя и отдаваемой мощности в режиме генератора.

Технический результат заключается также в упрощении конструкции по сравнению с машинами, использующими цилиндр Халбаха.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор, ротор, устройство переключения в режиме двигателя и устройство преобразования напряжения в режиме генератора, ротор содержит группу линейных магнитных сборок Халбаха, зоны максимальной индукции которых расположены перпендикулярно к плоскости движения ротора.

Группа линейных магнитных сборок Халбаха с магнитопроводом расположены во внутреннем роторе, а внешний статор содержит магнитопровод с обмоткой.

Группа линейных магнитных сборок Халбаха с магнитопроводом расположены во внешнем роторе, а внутренний статор содержит магнитопровод с обмоткой.

В частном случае, при стремлении значения радиуса вращения ротора к бесконечности, данное устройство преобразуется в линейную электрическую машину, в которой функции ротора или статора может выполнять как группа линейных магнитных сборок Халбаха с магнитопроводом, так и, соответственно, магнитопровод с обмоткой.

Использование линейных магнитных сборок Халбаха в роторе электрической машины приводит к усилению магнитной индукции в рабочем зазоре, увеличению силы взаимодействия и увеличению вращающего момента и мощности электрической машины.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор, ротор, устройство переключения в режиме двигателя и устройство преобразования напряжения в режиме генератора, ротор содержит группу линейных магнитных сборок Халбаха, зоны максимальной индукции которых расположены параллельно к плоскости движения ротора.

Вторая группа линейных магнитных сборок Халбаха расположена во втором роторе, который совместно со вторым статором является зеркальным отображением относительно плоскости основания магнитопровода ротора.

В частном случае, при стремлении значения радиуса вращения ротора к бесконечности, данное устройство преобразуется в линейную электрическую машину, в которой функции ротора или статора может выполнять как группа линейных магнитных сборок Халбаха с магнитопроводом, так и, соответственно, магнитопровод с обмоткой.

Использование линейных магнитных сборок Халбаха в электрических машинах позволит улучшить их энергетические показатели, в частности, увеличить момент вращения и отдаваемую мощность.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа однообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги, характеризующиеся признаками тождественными всем существенным признакам для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию "новизна". Каждый объект заявляемой группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку в каждом объекте не происходит простая замена постоянных магнитов на линейные магнитные сборки Халбаха.

Линейные магнитные сборки Халбаха характеризуются совершенно другой конфигурацией магнитного поля по сравнению с одиночными магнитами. Она имеет явно несимметричную форму распределения магнитных силовых линий. Коэффициент несимметрии, т.е. отношение величин магнитных индукций с разных сторон сборки, может достигать десятков единиц. Сборка имеет также другую геометрическую форму и размеры по сравнению с одиночными магнитами. Все это приводит к совершенно другой конфигурации результирующего поля ротора и статора, что в свою очередь, влияет на конструкцию элементов устройства и их взаимное расположение. Решение такой задачи требует больших творческих усилий и интеллектуального труда.

Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условию "изобретательский уровень ".

На чертежах и рисунках представлены варианты выполнения электрической машины, а также варианты выполнения ее отдельных блоков и узлов.

На фиг. 1 изображены магнитные силовые линии постоянного магнита;

На фиг. 2 изображены магнитные силовые линии линейной магнитной сборки Халбаха, состоящей из трех постоянных магнитов;

На фиг. 3 изображен вариант выполнения электрической машины с внутренним ротором, вид сверху. Большие оси сборок перпендикулярны к плоскости движения ротора.

На фиг. 4 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.

На фиг. 5 изображен вариант выполнения электрической машины с внешним ротором, вид сверху. Большие оси сборок перпендикулярны к плоскости движения ротора.

На фиг. 6 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.

На фиг. 7 изображен вариант выполнения электрической машины с внешним ротором, вид сверху. Первые малые оси сборок перпендикулярны к плоскости движения ротора.

На фиг. 8 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.

На фиг. 9 изображен вариант выполнения линейной электрической машины, вид сверху.

На фиг. 10 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.

На фиг. 11 изображен вариант выполнения электрической машины с параллельным расположением зон максимальной индукции сборок к плоскости движения ротора, вид сверху. Большие оси сборок направлены перпендикулярно к радиусам вращения ротора.

На фиг. 12 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.

На фиг. 13 изображен вариант выполнения электрической машины с параллельным расположением зон максимальной индукции сборок к плоскости движения ротора, вид сверху. Большие оси сборок направлены параллельно к радиусам вращения ротора.

На фиг. 14 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.

На фиг. 15 изображен вариант выполнения электрической машины в аксонометрической проекции со вторым ротором и статором, зеркально отображенными относительно плоскости основания магнитопровода первого ротора.

На фиг. 16 изображен вариант выполнения линейной электрической машины, вид сверху.

На фиг. 17 изображен предыдущий вариант в аксонометрической проекции.

На фиг. 18, 19, 20, 21 изображены варианты выполнения электрической машины с количеством катушек статора равным 24.

На фиг. 22 изображен вариант выполнения электрической машины с количеством катушек статора равным 32.

На фиг. 23 изображен вариант расположения датчиков положения ротора.

На фиг. 24 изображен другой вариант расположения датчиков положения ротора.

На фиг. 25 изображена структурная схема варианта устройства переключения электрической машины в режиме двигателя.

На фиг. 26 изображена структурная схема другого варианта устройства переключения электрической машины в режиме двигателя.

На фиг. 27 изображена функциональная схема варианта устройства преобразования напряжения электрической машины в режиме генератора.

На фиг. 28 изображена блок-схема алгоритма работы устройства переключения.

На табл. 1 отображены состояния датчиков положения ротора в зависимости от угла поворота ротора для первого варианта расположения датчиков.

На табл. 2 отображены состояния датчиков положения ротора в зависимости от угла поворота ротора для второго варианта расположения датчиков.

На табл. 3 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора для варианта с количеством катушек равным 16.

На табл. 4 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора для варианта с количеством катушек равным 24.

На табл. 5 изображена таблица переключений катушек статора в зависимости от угла поворота ротора для варианта с количеством катушек равным 32.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с получением указанного технического результата заключаются в следующем.

Постоянный магнит 1 прямоугольной формы, изображенный на фиг. 1 является базовым элементом для построения линейной магнитной сборки Халбаха. Магнитные силовые линии 2 выходят из северного N полюса магнита и входят в его южный полюс S. Картина поля строго симметрична. Условная граница 3 поля необходима для расчета его параметров с помощью компьютерной программы. Вектор намагниченности постоянного магнита направлен от его южного полюса S к его северному полюсу N вертикально вверх (на чертеже не изображен).

Линейная магнитная сборка Халбаха, изображенная на фиг. 2 состоит из трех постоянных магнитов 1. Магниты 1 соприкасаются друг с другом своими гранями и имеют взаимно перпендикулярные векторы намагниченности. Магнитные силовые линии 2 не симметричны относительно большой оси магнитной сборки. Условная граница 3 поля также необходима для расчета его параметров с помощью компьютерной программы. Векторы намагниченности двух крайних магнитов горизонтальны и могут быть направлены как встречно, так и в разные стороны. Вектор намагниченности среднего магнита расположен вертикально и может быть направлен в обе стороны. Так, например, если направить векторы намагниченности крайних магнитов в разные стороны, а вектор среднего магнита направить сверху вниз, то получим картину поля, изображенную на фиг. 2.

Зона максимальной индукции сборки будет расположена сверху, со стороны южного полюса среднего магнита и условно параллельно большой оси магнитной сборки. Если изменить направление вектора среднего магнита на противоположное, то картина поля будет зеркальным изображением относительно большой оси сборки и зона максимальной индукции будет расположена снизу, но также со стороны южного полюса среднего магнита.

Похожая картина поля будет и при изменении направления векторов крайних магнитов на встречное, но зона максимальной индукции будет уже со стороны северного полюса среднего магнита.

Вариант электрической машины с внутренним ротором изображен на фиг. 3, 4. Внешний статор электрической машины содержит магнитопровод 4 с обмоткой катушечного типа. Группа катушек 5 обмотки расположена с внутренней стороны магнитопровода 4. Каждая катушка 5 обмотки расположена на своем сердечнике (зубце), который является также частью магнитопровода 4.

Катушки 5 со своими сердечниками изображены на фиг. 3 общими прямоугольниками. Количество катушек 5 в группе составляет 16 единиц. Центральный угол между двумя соседними катушками 5 составляет 22,5 градусов. Возможен также вариант размещения катушек обмотки статора в пазах магнитопровода 4. Зубцы магнитопровода 4 будут границами, между которыми будут расположены витки катушек. Количество катушек и центральные углы сохраняются. Сохраняется также и внешний вид чертежей на фиг. 3, 4. Пространство, занимаемое пазами и зубцами, называется зубцовой зоной.

Внутренний ротор данной электрической машины содержит группу линейных магнитных сборок 6 Халбаха, каждая из которых содержит по три (минимально возможных) постоянных магнита. Большие оси магнитных сборок 6 и зоны их максимальной индукции расположены перпендикулярно к плоскости движения ротора (плоскости чертежа на фиг. 3).

Магнитопровод 7 ротора соприкасается с группой линейных магнитных сборок 6 с помощью пластин 8, которые аналогично зубцам 5 являются частью внутреннего магнитопровода 7. Пластины 8 выполнены из ферромагнитного материала, а их габаритные размеры соответствуют габаритным размерам сборок 6. Пластины 8 расположены в зонах минимальной индукции.

Через внутреннее отверстие магнитопровода 7 проходит центральный вал вращения (на чертеже не изображено).

Количество сборок 5 в группе составляет восемь единиц.

Центральный угол между двумя соседними сборками 6 составляет сорок пять градусов.

Вариант электрической машины с внешним ротором изображен на фиг. 5, 6. Внутренний статор данной электрической машины содержит магнитопровод 7 с обмоткой катушечного типа. Группа катушек 5 обмотки расположена с внешней стороны магнитопровода 7. Каждая катушка обмотки расположена на своем сердечнике (зубце), который также является частью магнитопровода 7. Количество катушек в группе и величина центрального угла не изменились. Возможно также размещение катушек обмотки статора в пазах магнитопровода 7.

Внешний ротор содержит группу линейных магнитных сборок 6 Халбаха с магнитопроводом 4, который соприкасается со сборками 6 с помощью пластин 8, которые являются составной частью внешнего магнитопровода 4. Положение больших осей сборок 6 не изменилось.

Количество сборок 6 в группе и величина центрального угла не изменились. Зоны максимальной индукции сборок 6 расположены перпендикулярно к плоскости движения ротора.

Другой вариант электрической машины с внешним ротором изображен на фиг. 7, 8. Конструкция внутреннего статора данной электрической машины аналогична предыдущему варианту. Внешний ротор содержит группу линейных магнитных сборок 6 Халбаха в количестве восьми единиц. Большие оси сборок 6 расположены горизонтально к плоскости движения ротора. Величина центральных углов не изменилась. Зоны максимальной индукции сборок 6 расположены перпендикулярно к плоскости движения ротора. Внешний магнитопровод 4 соприкасается со сборками 6 в зонах минимальной индукции с помощью пластин 8. Количество катушек 5 не изменилось.

Линейный вариант электрической машины, изображенный на фиг. 9, 10, может быть представлен как частный случай вариантов, изображенных на фиг. 3, 4, 5, 6 при стремлении радиуса вращения ротора к бесконечности. При этом магнитопровод 4 становится линейной фигурой и при ограничении его длины и количества катушек 5 с количеством сборок 6 получаем искомый результат.

Большие оси сборок направлены перпендикулярно к вектору движения ротора, функцию которого могут выполнять как сборки 6 с магнитопроводом 7, так и магнитопровод 4 с обмоткой 5. Магнитопровод 7 также является плоской фигурой, поэтому он одновременно выполняет роль и пластины 8.

Конструкция электрической машины, изображенной на фиг. 11, 12 содержит нижний магнитопровод 4 с катушками 5 и верхний магнитопровод 7 с группой линейных магнитных сборок 6.

Зоны максимальной индукции сборок 6 расположены параллельно к плоскости движения ротора. Большие оси магнитных сборок 6 расположены параллельно к плоскости движения ротора и перпендикулярно к радиусу вращения ротора. Количество элементов конструкции и величина центральных углов не изменились. Сборки 6 соприкасаются с плоской поверхностью магнитопровода 7, поэтому он одновременно выполняет роль и пластины 8.

По аналогии с предыдущей, конструкция электрической машины, изображенной на фиг. 13, 14, также имеет нижний магнитопровод 4 с катушками (обмоткой) 5 и верхний магнитопровод 7 с группой линейных сборок 6. Большие оси магнитных сборок 6 расположены вдоль (параллельно) радиусов вращения ротора. В остальном конструкция аналогична предыдущей.

Вариант электрической машины, изображенной на фиг. 15 состоит из двух электрических машин, изображенных на фиг. 12, причем вторая является зеркальным отображением первой. Данный вариант конструкции содержит нижний магнитопровод 4 с катушками 5, средний магнитопровод 7 с первой группой сборок 6 и со второй группой сборок 11 и верхний магнитопровод 9 с катушками 10. Зоны максимальной индукции сборок 6 и 11 расположены параллельно к плоскости движения ротора. В остальном конструкция аналогична исходной.

Линейный вариант электрической машины, изображенной на фиг. 16, 17 есть частный случай вариантов на фиг. 7, 8, 11, 12 при условии стремления значения радиуса вращения к бесконечности и ограничения длины магнитопровода и количества линейных сборок. Большие оси сборок в этом варианте направлены вдоль вектора движения ротора. Устройство содержит плоский магнитопровод 4 с катушками 5 и плоский магнитопровод 7 с группой сборок 6. Функции ротора или статора могут выполнять обе части данного устройства.

На фиг. 18, 19, 20, 21 изображены варианты электрической машины с количеством катушек 5 в магнитопроводах 4 или 7 равным двадцать четыре.

На фиг. 18 изображен вариант с внешним статором, аналогичный варианту на фиг. 4.

На фиг. 19 изображен вариант с внешним ротором, аналогичный варианту на фиг. 8.

На фиг. 20 изображен вариант конструкции, аналогичный варианту на фиг. 12.

На фиг. 21 изображен вариант конструкции, аналогичный варианту на фиг. 7.

На фиг. 22 изображен вариант конструкции, аналогичный варианту на фиг. 21, но с количеством катушек равным тридцать два.

На фиг. 23 и 24 изображены варианты расположения групп датчиков (сенсоров) 12 относительно положения элементов 13 ротора. Датчики могут быть оптическими, гальваномагнитными и индукционными. К датчикам гальваномагнитного типа относятся элементы Холла, магниторезисторы и магнитодиоды. При их использовании элементами 13 ротора могут служить постоянные магниты, от взаимодействия с которыми будут срабатывать сенсоры 12.

Количество датчиков на фиг. 23 составляет 17 единиц. Они расположены относительно четырех элементов 13 ротора, которые соответствуют четырем магнитным сборкам Халбаха, имеющим одинаковые направления намагниченности. Остальные четыре сборки имеют противоположные направления намагниченности относительно центра движения.

Количество датчиков на фиг. 24 составляет 9 единиц и они расположены по отношению к восьми элементам 13 ротора, которые соответствуют восьми сборкам, имеющим одинаковые направления намагниченности относительно центра вращения ротора.

Датчики 12 расположены по дуге окружности неподвижно по отношению к статору. Центральный угол между двумя соседними сенсорами составляет десять градусов. В исходном (нулевом) состоянии центр первого сенсора совпадает с центром элемента 13 ротора.

В таком положении данный датчик будет находиться в активном (включенном) состоянии, которое должно сохраняться при изменении угла поворота ротора менее пяти градусов в обе стороны.

При угле поворота равным пяти градусов и более данный сенсор отключается (переходит в пассивное состояние). В исходном состоянии фиг. 24 центр следующего элемента 13 ротора смещен по отношению к центрам пятого и шестого датчиков на угол равный пяти градусам, значит эти датчики находятся в пассивном состоянии. Включен только первый датчик. Если случайно одновременно, все-таки в этот момент сработают пятый и шестой датчики, то микроконтроллер исправит эту ситуацию, как запрещенную. Срабатывание только шестого и первого датчиков означает небольшой поворот ротора против часовой стрелки, а срабатывание пятого и первого датчиков означает поворот ротора по часовой стрелке.

На фиг. 23 центральный угол между двумя соседними сенсорами составляет 10,6 градусов (округленно). В исходном состоянии включен первый (верхний) датчик. Его состояние будет сохраняться при изменении угла поворота ротора менее 5,3 градусов в обе стороны. Центры девятого и десятого датчиков смещены по отношению к центру элемента ротора на угол равный 5,3 градуса, поэтому они будут выключены. Одновременное срабатывание двух соседних датчиков также является запрещенной ситуацией и микроконтроллер, учитывая предварительное состояние датчиков и направление движения, должен будет внести коррекцию.

Позиция 14 обозначает условную границу между элементами 13 датчика и сенсорами 12.

На фиг. 25 изображена структурная схема варианта устройства переключения электрической машины в режиме двигателя. Устройство содержит микроконтроллер 15, блок датчиков 16 положения ротора, группу регистров 17, блок драйверов 18 (преобразователей) ключей нижнего и верхнего уровней, блок ключей 19 нижнего уровня, блок ключей 20 верхнего уровня, группу катушек 21 обмотки магнитопровода и блок 22 внешнего управления (пульт управления).

Первая группа цифровых входов-выходов (порты ввода - вывода) микроконтроллера 15 подключена к блоку 22 внешнего управления, вторая группа цифровых входов - выходов микроконтроллера 15 подключена к блоку датчиков 16 положения ротора, третья группа цифровых входов - выходов микроконтроллера 15 подключена к объединенным одноименным информационным входам группы регистров 17, управляющие входы которых подключены к четвертой группе цифровых входов - выходов микроконтроллера 15. Выходы группы регистров 17 подключены к соответствующим входам блока драйверов 18 ключей нижнего и верхнего уровней, выходы которых соединены со входами блока ключей 18 нижнего уровня и входами блока ключей 20 верхнего уровня. Выходы одноименных ключей блока 19 и блока 20 объединены между собой и подключены к точкам последовательного соединения группы катушек 21, которая соединена в последовательную цепь и образует замкнутую кольцевую структуру.

В качестве микроконтроллера 15 можно применить один из микроконтроллеров серии AVR. Так, например, микросхема ATmega 8515 имеет 35 цифровых входов-выходов, а микросхема ATmega 64 имеет 53 цифровых входа - выхода, поэтому оптимальный выбор зависит от многих факторов. В качестве регистров 17 можно использовать микросхему КР1554ИР35, которая является восьмиразрядным регистром с параллельным вводом - выводом данных.

В качестве ключей нижнего 19 и верхнего 20 уровней используют МОП (МДП, MOSFET) или IGBT транзисторы, способные работать с напряжением до 1000 В и мощностью свыше 5 кВт. Для управления ими можно применить драйверы 1R2110, 1R2113, логический вход которых совместим со стандартным КМОП выходом, а выходной канал можно использовать для управления силовым транзистором с напряжением питания верхнего уровня до 500 В, или до 600 В (драйверы 18). При использовании низковольтного питания (до 50 В) и средней мощности можно использовать микросхему L 298, которая содержит два МОП-моста со схемой управления, т.е. содержит и драйверы и ключи. Данная микросхема позволяет независимо управ