ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H02K19/10 

Область техники

Изобретение относится к электротехнике и касается выполнения электромеханического преобразователя (ЭМП) для преимущественно низкооборотных устройств, который может быть использован, например, в качестве электродвигателя в барабанных лебедках или в мотор-колесах легких транспортных средств, в частности электротележках и электромобилях, а также в качестве электрогенератора в ветроэнергоустановках или в качестве стартер-генератора в бензо- или дизельгенераторных станциях. Он может быть также использован в электромобилях с комбинированной энергоустановкой, в качестве синхронного компенсатора, а также в других устройствах, где требуются высокие удельные характеристики или расширенные функциональные возможности.

Уровень техники

Известен электромагнитный преобразователь [патент RU 2076431], содержащий статор с многофазной обмоткой, ротор, одна часть которого выполнена в виде магнитопровода с короткозамкнутой обмоткой, а другая часть - в виде магнитопровода из магнитотвердого материала, при этом статор состоит из двух частей, на которых расположены многофазные обмотки с неодинаковым числом пар полюсов. Ротор выполнен в виде стакана, на одной части которого нанесен слой токопроводящего материала, а на другой - слой из магнитотвердого материала, а статор состоит из внешней и внутренней частей. Недостатком известного преобразователя является недостаточные получаемые величины вращающего момента и удельного момента.

Известен электромагнитный преобразователь [патент RU 2083051], содержащий ротор с магнитопроводом и источником магнитного потока и статор с обмоткой и магнитопроводом, при этом обмотка статора состоит из секций, образованных проводниками, а магнитопровод статора выполнен в виде отдельных элементов из материала с высокой магнитной проницаемостью, которые размещены между секциями обмотки якоря, а элементы магнитопровода и секции обмотки якоря скреплены между собой с помощью связующего вещества. Индуктор и якорь выполнены цилиндрическими и имеют возможность вращения относительно друг друга. Индуктор установлен с возможностью вращения относительно якоря, а якорь выполнен в виде полого тонкостенного цилиндра. Электромагнитный преобразователь содержит корпус, при этом магнитопровод индуктора выполнен цилиндрическим и установлен на валу коаксиально с ним, а проводники секций обмотки якоря образуют катушки. Магнитопровод индуктора содержит установленные на крепежном диске коаксиально друг другу две кольцевые части, каждая из которых выполнена с внутренней и внешней кольцевой стенками, по крайней мере, на одной из которых размещены источники магнитного потока, а якорь размещен в зазоре между кольцевыми частями магнитопровода индуктора. Хотя известный электромагнитный преобразователь предназначен для преобразования большой мощности, однако при работе на пониженных частотах вращения не обеспечивает получения требуемой величины вращающего момента и удельного момента, а также не обеспечивает требуемой надежности, так как конструкция статора предусматривает крепление элементов магнитопровода и секций обмотки якоря с помощью связующего, она не обладает требуемой жесткостью и не способна длительно выдерживать импульсные нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению (его прототипом) является приводное устройство для передвижных средств [патент RU 2074761], содержащее статорно-роторную пару, в которой статор выполнен из сердечников, торцами прикрепляемых к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно магнитному потоку, и между которыми расположены активные проводники многофазной, например двух или более, сосредоточенной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов - магнитопроводов в форме полых цилиндров с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность магнитов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная.

В формуле изобретения-прототипа указано, что катушки расположены с шагом, отличным от шага размещения постоянных магнитов на величину α(n-1)...α/n, где α - угловая ширина зазора между магнитами, n - число катушек в группе.

Проведенные патентообладателем (он же заявитель данной заявки) исследования показали, что указанное соотношение не является универсальным. По существу оно было адекватным конкретной модификации приводного устройства (электродвигателя) и попытки следовать ему при проектировании электрических машин с иными конструктивными параметрами показали, что при проектировании машин как большего диаметра, так и меньшего диаметра угловая ширина зазора между постоянными магнитами чрезмерно увеличивается, в результате чего снижается величина магнитного потока, проникающего из ротора в статор, а значит, и величина действующего значения ЭДС и, как следствие, ухудшаются потребительские характеристики изделия, в первую очередь КПД.

Сущность изобретения

Задачей данного изобретения является создание электромеханического преобразователя с повышенной удельной мощностью и вращающим моментом при низких угловых частотах вращения.

Другой задачей изобретения является создание ЭМП компактного исполнения и уменьшенного веса.

Еще одной задачей изобретения является повышение экономичности и КПД ЭМП, расширение области его применения.

Указанные задачи решаются в соответствии с настоящим изобретением благодаря созданию электромеханического преобразователя в конструктивном выполнении, подобном выполнению указанного прототипа, но в котором соблюдены следующие соотношения между числом сердечников статора z, числом полюсов 2·р, числом пар полюсов р и числом катушечных групп в фазе d:

где k - целое положительное число или число, отличающееся от целого на 0,5, то есть 1, 1.5, 2, 2.5, 3,....

и

при этом z/2·р не равно 1.

В случае, если k в соотношении (1) целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно. При соблюдении этого соотношения наведенные в каждой из катушечных групп ЭДС геометрически складываются, при отступлении от него вычитаются, что приводит к потере полезной мощности машины.

Соотношение (1) позволяет получить

в генераторном режиме работы преобразователя - одинаковые по фазе напряжение и ток во всех катушечных группах одной и той же фазы,

в двигательном режиме - одинаковое положение сердечников каждой группы одной и той же фазы, относительно полюсов индукторов.

Выражение (2) определяет оптимальные границы соотношения числа сердечников и числа полюсов (от 0,5 до 2) при условии, что оно не равно 1. В то же время наиболее оптимальным вариантом является выполнение преобразователя с указанным соотношением, близким к единице, в частности, исходя из соотношения (3)

где b - число сердечников статора, приходящихся на одну фазу, и

m - число фаз.

Приведенные соотношения могут быть использованы при проектировании и изготовлении электромеханических преобразователей с различными структурными компоновками и режимами использования (генераторный, двигательный, компенсаторный).

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен вариант выполнения статорно-роторной пары в соответствии с настоящим изобретением

На фиг.2 изображен вариант выполнения преобразователя в соответствии с настоящим изобретением с четырьмя статорно-роторными парами.

Примеры осуществления изобретения.

Обратимся к фиг.1, на которой представлен вариант статорно-роторной пары ЭМП с числом z=18 сердечников (зубцов) 6, числом m=3 фаз, числом d=2 групп 20 и 21 сердечников 6, числом b=3 сердечников 6 в группах 20 и 21.

Соотношение между числом 2·р полюсов, числом d групп, числом b сердечников 6 (зубцов) в группах 20 и 21 и числом m фаз в статорно-роторной паре 1 указывает, когда достигается максимальное взаимодействие магнитного потока индукторов 9 и 10 статорно-роторной пары и магнитного потока, создаваемого обмоткой 7 статора 4. На фиг.1 представлен вариант статорно-роторной пары ЭМП, удовлетворяющий соотношению (3) для определения числа 2·р полюсов:

а соотношение (2)

то есть близко к единице.

Фазная обмотка 7 ЭМП может быть выполнена с использованием параллельных ветвей, содержащих, в свою очередь, одну или более групп 20 и 21 сердечников 6. Соединения катушек одной группы 20 и 21 может быть выполнено без разрыва обмоточного провода, получаемого за счет сквозной намотки на намоточном станке за одну технологическую операцию. Это позволяет уменьшить количество соединений, уменьшить трудоемкость при сборке, упростить конструкцию, снизить стоимость статора, повысить надежность.

Выполнение соединений выводов параллельных ветвей фазных обмоток 7 статоров 4 может быть выполнено с помощью кольцеобразных проводников в виде шин, которые могут быть расположены с внешней стороны опорного статорного 5 и(или) прижимного 30 колец и(или) во внутренней полости внутреннего индуктора 10.

Сердечники 6 и(или) наружный 11 и(или) внутренний 12 магнитопроводы статорно-роторных пар могут быть выполнены из ферромагнитного порошка, например путем прессования, что позволяет уменьшить стоимость ЭМП. Кроме того, сердечники 6 могут быть шихтованы из листовой электротехнической стали, что позволяет достичь максимальных значений магнитной индукции и, в конечном счете, наибольших значений вращающего момента и удельной мощности. Направление шихтовки параллельно оси вращения ЭМП с целью увеличения электрического сопротивления для протекания наведенных токов, создающих дополнительные потери. Скрепление пластин сердечников 6 выполняется путем склеивания, стягивания шпильками или сварки, причем только по линиям симметрии на поверхностях, обращенных к рабочим зазорам 2 и 3.

Принцип действия ЭМП в целом соответствует принципу работы синхронных электрических машин переменного тока. При неподвижном роторе 8 магнитный поток каждого наружного полюса 13 внешнего индуктора 9 проходит через наружный основной рабочий зазор 2, через ближайшие сердечники 6 статора 4, через внутренний основной рабочий зазор 3, достигает внутреннего полюса 14 внутреннего индуктора 10, проходит сквозь внутренний полюс 14, затем разветвляется по внутреннему магнитопроводу 12 (ярму).

В двигательном режиме на зажимы обмотки статора ЭМП каждой статорно-роторной пары подается переменное напряжение, по обмотке протекает ток, вызывая вращающуюся МДС статора. При протекании электрического тока в обмотке 7 статора 4 происходит силовое взаимодействие магнитного потока обмотки 7 с основным магнитным потоком полюсов 13 и 14 ЭМП. Перемещаясь, волна МДС статора вращает ротор 8, магнитный поток полюсов 13 и 14 перемещается от одного сердечника 6 к следующему сердечнику 6, при этом наводит электродвижущую силу (ЭДС) в активных проводниках 22, находящихся в пазах между сердечниками 6. Величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, обусловленная величиной суммарного магнитного потока всех полюсов 13 и 14 обоих индукторов 9 и 10 и частотой вращения ротора 8. При вращении ротора с некоторой частотой вращения, ЭМП будет отдавать механическую мощность в нагрузку.

В режиме генератора ротор 8 ЭМП приводится во вращение сторонним источником механической энергии, например ветродвигателем, при этом вращающий момент прикладывают к ротору 8, например, с помощью шкива с ременной передачей. Получаемая при этом электрическая энергия используется во внешней цепи.

При работе в режиме синхронного компенсатора ЭМП подключен к сети, но вал его необходим лишь для вращения в подшипниках и не приспособлен для стыковки с другими устройствами. При этом число витков 22 обмотки статора 7 должно быть так согласовано с потоком полюсов 13 и 14, чтобы ЭМП потреблял из сети активную мощность, а отдавал в нее реактивную. При этом ЭМП, фактически играя роль конденсатора большой емкости, повышает коэффициент мощности сети. Реактивная мощность обычно расходуется в сети для создания электромагнитного поля в многочисленных асинхронных двигателях.

В общем случае количество статорно-роторных пар в одном ЭМП может быть различно - от одной до 10 и даже более. Их количество определяется конструкцией изделия и удобством размещения компонентов ЭМП внутри изделия. Роторы статорно-роторных пар могут быть не скреплены друг с другом и вращаться самостоятельно или быть объединены в отдельные роторные группы или объединены все вместе, что определяется конкретным назначением ЭМП. На фиг.2 показан ЭМП с четырьмя статорно-роторными парами, в котором роторы объединены (скреплены) в две роторные группы. В каждой из статорно-роторных пар имеются наружный 2 и внутренний 3 рабочие зазоры, статор 4, содержащий опорное статорное кольцо 5 и сердечники 6, между которыми проложены активные проводники обмотки 7, ротор 8, содержащий наружный 9 и внутренний 10 индукторы с наружными 11 и внутренними 12 магнитопроводами (ярмами) с наружными 13 и внутренними 14 полюсами и роторное кольцо 15. Опорные статорные кольца 5 статоров 4 всех статорно-роторных пар жестко связаны с неподвижным полым валом 16. Левые роторы 8 скреплены между собой и их результирующий вращающий момент от их роторных колец 15 передается через первое болтовое соединение 17, правые роторы 8 также скреплены и их результирующий вращающий момент от их роторных колец 15 передается через второе болтовое соединение 18, а результирующий реактивный момент всех статорно-роторных пар - через опорные статорные кольца 5, неподвижный полый вал 16 и шпоночный паз 19. Одна из нескольких статорно-роторных пар может выполнять информационную функцию, например, m-фазного датчика положения ротора.

Одна или несколько статорно-роторных пар 1 ЭМП могут иметь число пар полюсов и(или) число фаз и(или) число сердечников (зубцов или пазов), не совпадающее с соответствующими числами других статорно-роторных пар. Это позволяет получить одну или несколько генераторных многофазных систем со своим номинальным напряжением и номинальной частотой, например 50 и 400 Гц одновременно. Например, на фиг.2 ЭМП приводится во вращение извне, и все статорно-роторные пары 1 работают в генераторном режиме. Возможен второй вариант ЭМП, когда к обмотке 7 одной статорно-роторной пары 1, работающей в качестве двигателя, подводится напряжение U₀ с частотой f₀ и числом m₀ фаз. Создаваемый ею вращающий момент приводит во вращение остальные статорно-роторные пары 1, которые работают в генераторном режиме, формируя две электрические системы U₁, m₁, f₁, U₂, m₂, f₂. Такой ЭМП может быть применен в качестве основы для умформера с целью получения нескольких уровней постоянного напряжения. Возможен третий вариант ЭМП, выполненный по схеме "генератор-двигатель", когда при несвязанных роторах 8 двух статорно-роторных пар можно получить электрический редуктор. Ротор 8 первой статорно-роторной пары приводят во вращение извне с угловой частотой n_г. Получаемое напряжение с обмотки 7 подают на обмотку 7 второй статорно-роторной пары 1, и ее ротор 8 самостоятельно и синхронно с первым приводится во вращение, но с угловой частотой n_д=i·n_г, где i есть коэффициент редукции. Для этого необходимо выполнить условия равенства напряжения U_г=U_д и числа фаз m_г=m_д, а также условие редукции по числу пар полюсов p_г=i·p_д.

Возможно использование одной из нескольких статорно-роторных пар для информационных целей, например, в качестве m-фазного датчика положения ротора. Такой датчик может быть применен в качестве абсолютного в высокоточных системах автоматического управления с замкнутым контуром по положению. Наличие датчика упрощает построение системы управления ЭМП.

Промышленная применимость

Для мотор-колеса электромобиля при осуществлении изобретения в соответствии с вариантом, представленным на фиг.1, получены следующие параметры: номинальная мощность 3 кВт при частоте вращения 700 об/мин без принудительного охлаждения, масса мотор-колеса вместе с шиной и встроенным тормозом - 25 кг, из них чисто электродвигатель - 13 кг. Величина удельного момента - 1,7 Н·м/кг на мотор-колесо в целом, в пересчете на массу электродвигателя - 3,3 Н·м/кг. В пиковом режиме - при разгоне и торможении - пиковый вращающий момент в 5...6 раз больше, при этом удельный момент достигает значений порядка 16...20 Н·м/кг.

Для электрогенератора при осуществлении изобретения получены следующие параметры: номинальная мощность 5 кВт при частоте вращения 500 об/мин без принудительного охлаждения, масса 32 кг. Номинальная величина вращающего момента - 100 Н·м, величина удельного момента - 3 Н·м/кг.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в тихоходных приводах, мотор-колесах транспортных средств, двигателях для привода лифтов, электрических генераторах, в частности ветро- и гидрогенераторах малой и средней мощности, синхронных компенсаторах и др. Технический результат состоит в улучшении энергетическимх показателей и повышении удельной мощности. Электромеханический преобразователь содержит, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку. Между сердечниками расположены проводники многофазной обмотки. Ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов-магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора и несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его. Полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная. Число сердечников статора z и число катушечных групп в фазе d связаны соотношениями: p/d=k, (1) где р - число пар полюсов, k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5... - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5. При этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно. При k, отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно и При этом z/(2·p)≠1. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электромеханический преобразователь, содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов-магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная, отличающийся тем, что число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число сердечников статора z и число катушечных групп в фазе d связаны соотношениями

где k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 ... - целое положительное число или число, отличающееся от него на 0.5, при этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно и

и при этом z/(2·p)≠1.

3. Электромеханический преобразователь по п.2, отличающийся тем, что соотношение z/(2·p) устанавливают исходя из соотношения

где b - число сердечников статора, приходящихся на одну фазу, и m - число фаз.