СИНХРОННАЯ ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2008 года по МПК H02K21/14 H02K1/16 

Изобретение относится к синхронным электрическим машинам и может быть использовано, например, в регулируемых электроприводах, а также в автономном электрооборудовании в качестве источника переменного тока.

Известны электрические машины, содержащие статор с m-фазной обмоткой, каждая катушка которой охватывает один зубец, и ротор с полюсами чередующейся полярности.

Например, известен синхронный электродвигатель согласно патенту RU №2059994, МПК 6 Н02К 19/12, приоритет от 17.03.86, содержащий статор с явно выраженными полюсами, на которых расположена m-фазная обмотка, выполненная в виде катушек, по одной на полюс. Катушки расположены на каждом полюсе статора (полюса являются зубцами статора). Синхронный электродвигатель содержит также ротор с чередующейся полярностью полюсов, причем число зубцов статора и число полюсов ротора отличаются на 2к, где к=1, 2, 3...

Недостаток такого электродвигателя заключается в том, что катушки статора расположены на каждом зубце, при этом обеспечивается невысокий коэффициент заполнения активной зоны статора обмоточным проводом, вследствие чего невысок также коэффициент использования электрической машины, равный отношению момента, развиваемого электрической машиной, к объему ее активной части [Проектирование электрических машин. Под ред. И.П.Копылова. "Энергия", 1980, с.11]. Кроме того, такой синхронный электродвигатель имеет различное число полюсов статора и ротора, что противоречит общей теории электрических машин: в синхронных машинах числа полюсов статора и ротора должны быть равными [А.И.Вольдек. Электрические машины. "Энергия", 1974, с.367].

Известен синхронный электродвигатель согласно патенту RU №2047936, МПК 6 Н02К 21/00, приоритет от 02.01.86. Синхронный электродвигатель согласно патенту RU 2047936 содержит статор с m-фазной обмоткой, каждая катушка которой охватывает один зубец; число зубцов статора Z_c=M·Q·Z_гр; и ротор с 2р чередующимися по полярности полюсами, причем Z_c=2p±Q. В обмотке электродвигателя катушки охватывают каждый зубец статора, при этом в каждом пазу расположены две стороны катушек, охватывающих соседние зубцы. Известна также бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа согласно патенту RU 2143777, МПК 6 Н02К 21/12, приоритет от 06.10.98, которая содержит статор с Z равномерно расположенными зубцами и ротор с 2р чередующимися полюсами, причем Z-2р=±1, где 1 - минимальное целое число. Катушки охватывают каждый зубец статора, при этом в каждом пазу расположены две стороны катушек, охватывающих соседние зубцы.

Обе описанные выше электрические машины имеют ряд недостатков. Во-первых, катушки обмоток охватывают каждый зубец статора, следовательно, в каждом пазу статора расположены две стороны соседних катушек. Между сторонами двух катушек в пазу неизбежны технологические зазоры, из-за чего коэффициент заполнения паза обмоточным проводом низок. Это приводит к необходимости увеличивать размеры пазов, вследствие чего снижается коэффициент использования электрической машины. Кроме того, количество катушек равно числу зубцов, что приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления. Во-вторых, велики зубцовые пульсации момента, что вызвано наличием пазов относительно большой ширины в статоре и обусловленной ими неравномерностью магнитного потока в воздушном зазоре. Высокие зубцовые пульсации момента приводят к снижению минимального вращающего момента электрической машины, неравномерности вращения ротора, что ухудшает эксплуатационные характеристики электрической машины.

Проведенные расчеты и экспериментальные исследования показывают, что минимальная величина зубцовых пульсаций момента достигается, если соотношение b_П/t_Z между шириной паза b_П в воздушном зазоре и зубцовым делением t_Z находится в диапазоне от 0,3 до 0,35. В этом диапазоне величина зубцовых пульсаций момента меняется незначительно, сохраняя минимальное значение, но существенно возрастает при отклонении b_П/t_Z от диапазона (0,3÷0,35).

Из-за низкого значения коэффициента заполнения пазов обмоточным проводом в вышеописанных электрических машинах ширину пазов приходится увеличивать, в результате соотношение b_П/t_Z в них значительно и приближается к 0,5, что приводит к возрастанию зубцовых пульсаций момента. Например, в синхронном электродвигателе по патенту RU №2047936, несмотря на принятые меры для снижения зубцовых пульсаций момента (в терминологии описания к патенту - момент фиксации ротора при отключенной обмотке статора), величина их составляет 3÷5% от полезного вращающего момента, что является довольно большой величиной. Для снижения зубцовых пульсаций момента во многих электрических машинах уменьшают раскрытие пазов в воздушном зазоре, т.е. выполняют полузакрытые пазы. Однако в этом случае обмотку необходимо выполнять из провода малого диаметра, разделяя активный виток катушки на несколько параллельных проводников. При укладке в полузакрытые пазы проводники приходится вводить по отдельности, в результате чего они располагаются в пазах беспорядочно, что приводит к снижению коэффициента заполнения пазов. Таким образом, электрические машины с полузакрытыми пазами имеют низкий коэффициент использования и сложную технологию изготовления.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является синхронный электрический двигатель с постоянными магнитами согласно патенту RU 2141156, МПК 6 Н02К 1/14, Н02К 3/18, Н02К 21/14, Н02К 41/03, Н02К 3/24, приоритет от 06.11.95, который может быть выполнен как линейным, так и вращающимся. В данном синхронном двигателе предпринята попытка снизить эффект магнитного сопротивления (зубцовые пульсации момента) и одновременно упростить конструкцию и сборку двигателя. Для решения поставленных задач зубцы статора выполнены с постоянным поперечным сечением (шириной) по всей высоте, а отношение ширины паза к зубцовому делению b_П/t_Z имеет величину от 0,4 до 0,5.

Однако такой синхронный электрический двигатель имеет ряд недостатков. Во-первых, предлагаемое соотношение (от 0,4 до 0,5) между шириной паза и величиной зубцового деления не позволяет уменьшить зубцовые пульсации момента до величины не более 0,5% от номинального вращающего момента, поскольку такая минимальная величина обеспечивается только при соотношении b_П/t_Z в пределах от 0,3 до 0,35, а выполнение зубцов с постоянным поперечным сечением (шириной) по всей высоте не оказывает заметного влияния на величину зубцовых пульсаций момента.

Во-вторых, выполнение зубцов с постоянным поперечным сечением может дать удовлетворительные результаты при высоком значении коэффициента заполнения паза обмоткой только в линейных двигателях. Применительно к вращающимся электродвигателям выполнение зубцов с постоянным поперечным сечением приводит к тому, что пазы имеют трапецеидальную форму. Для заполнения трапецеидальных пазов обмоткой предлагается выполнять катушки прямоугольного и трапецеидального сечения и охватывать ими каждый зубец. При этом в пазу остается незаполненное пространство, т.е. коэффициент заполнения паза обмоточным проводом понижается, из-за чего коэффициент использования вращающегося электродвигателя также снижается. Выполнение обмотки из катушек разного поперечного сечения значительно усложняет конструкцию и технологию изготовления рассматриваемого электродвигателя.

Задачей изобретения является повышение коэффициента использования электрической машины и снижение зубцовых пульсаций момента при одновременном упрощении ее конструкции и технологии изготовления.

Сущность изобретения заключается в том, что в синхронной вращающейся электрической машине, содержащей ротор с чередующимися по полярности полюсами и статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка из n катушек в каждой фазе так, что каждая из катушек охватывает один зубец, но только один из двух соседних зубцов оказывается охваченным одной из катушек, при этом каждая из катушек повторяет форму паза и занимает, по существу, весь объем двух пазов, примыкающих к данному зубцу, который эта катушка охватывает, предлагается зубцы выполнить так, что их поперечное сечение имеет трапецеидальную форму, а каждый из пазов имеет две практически параллельных боковых стороны таким образом, чтобы поперечное сечение этих пазов было практически постоянным по всей их высоте, при этом отношение ширины паза b_П в воздушном зазоре к зубцовому делению t_Z имеет величину приблизительно от 0,3 до 0,35.

При размещении на зубцах статора m-фазной обмотки из n катушек в каждой фазе так, что только один из двух соседних зубцов оказывается охваченным одной из катушек, число Z зубцов статора может быть выбрано равным 2mn, где при нечетном числе m фаз число n катушек в каждой фазе выбирают равным любому целому числу, а при четном числе m фаз число n катушек в каждой фазе выбирают равным любому четному числу.

В предлагаемой электрической машине выполнение зубцов так, что их поперечное сечение имеет трапецеидальную форму, а каждый из пазов имеет две практически параллельных боковых стороны таким образом, чтобы поперечное сечение этих пазов было практически постоянным по всей их высоте, дает возможность заранее изготовить катушки прямоугольной формы, одинакового размера, с максимально возможной плотностью расположения отдельных проводников. Каждая сторона катушки укладывается в паз соответствующей прямоугольной формы, полностью заполняя его объем. При этом обеспечивается максимальный коэффициент заполнения пазов обмоточным проводом благодаря плотной предварительной намотке и отсутствию технологических зазоров в пазах; кроме того, повышается теплопередача от катушек к стенкам пазов, что позволяет повысить плотность тока в обмотке при сохранении допустимой температуры.

В предлагаемой машине отношение ширины паза b_П в воздушном зазоре к зубцовому делению t_Z имеет величину приблизительно от 0,3 до 0,35, что обеспечивает минимальную величину зубцовых пульсаций момента. Это соотношение в предлагаемой электрической машине существенно меньше, чем в известных, где оно составляет 0,5÷0,65, т.е. пазы в предлагаемой машине имеют значительно меньшую ширину, чем в известных электрических машинах, что может быть обеспечено благодаря высокому коэффициенту заполнения пазов обмоточным проводом, позволяющему в относительно узких пазах разместить необходимое количество обмоточного провода. Выполнение пазов относительно малой ширины обеспечивает относительно большую ширину зубцов, составляющую 0,65÷0,7 от зубцового деления в воздушном зазоре. Зубцы в поперечном сечении имеют трапецеидальную форму, ширина их увеличивается по высоте. Так как зубцы являются частью магнитной системы электрической машины, большая их ширина дает возможность повысить магнитный поток, соответственно увеличить вращающий момент предлагаемой синхронной вращающейся электрической машины.

Предлагаемое изобретение позволяет, во-первых, повысить, по сравнению с известными синхронными машинами, плотность тока в обмотке на 15÷20% благодаря хорошей теплопередаче от обмотки к зубцам. Во-вторых, позволяет повысить магнитный поток на 20÷25% при одинаковой намагничивающей силе полюсов благодаря относительно широким зубцам статора, что дает возможность значительно повысить вращающий момент при тех же габаритах и массе и, соответственно, повысить коэффициент использования предлагаемой синхронной вращающейся электрической машины (в 1,5 раза по сравнению с известными). При этом количество катушек обмотки в предлагаемой синхронной вращающейся электрической машине вдвое меньше, чем число зубцов, в то время как во всех известных вращающихся синхронных электрических машинах количество катушек равно числу зубцов (представленный в патенте RU 2141156 вариант машины, в котором катушки охватывают зубцы прямоугольной формы через один, может быть реализован только в линейных, а не вращающихся электрических машинах). Следовательно, в предлагаемом изобретении количество катушек в два раза меньше, чем в известных, что упрощает конструкцию и технологию изготовления. Расположение в пазах по одной стороне катушек облегчает технологию укладки обмотки в пазы.

Поскольку в предлагаемой синхронной вращающейся электрической машине число катушек меньше, чем в известных с таким же числом зубцов статора, количество возможных вариантов выполнения предлагаемых машин также меньше. Однако для всех встречающихся на практике случаев может быть выбран вариант выполнения предлагаемой синхронной вращающейся электрической машины. Обмотка предлагаемой машины может быть выполнена при соблюдении следующих соотношений: число зубцов статора Z выбирают равным 2mn, где m - число фаз, n - количество катушек в каждой фазе; причем при m нечетном n - любое целое число, соответственно Z кратно 2m; при m четном число катушек каждой фазы должно быть кратно 2, т.е. n - четное число, соответственно Z кратно 4m. Например, при m, равном 3, число зубцов статора Z кратно 6, при m, равном 2, Z кратно 8.

В качестве примера реализации на фиг.1 представлена синхронная электрическая машина с числом фаз m, равным 3, числом зубцов Z, равным 18. Обмотка содержит 9 катушек, по 3 катушки в каждой фазе; в каждом из пазов 1-18 расположена соответствующая сторона катушки. Ротор синхронной машины содержит число полюсов 2р, равное 20. На фиг.2 представлена схема обмотки статора данной машины. На фиг.1 цифрами 1...18 пронумерованы пазы статора, а на фиг.2 - расположенные в соответствующих пазах 1-18 стороны катушек. На фиг.3 представлена звезда пазовых э.д.с. - т.е. векторы э.д.с., наводимых в сторонах катушек, расположенных в соответствующих пазах 1-18, с учетом фазового сдвига между ними. Число Z' лучей звезды пазовых э.д.с. составляет Z/НОД, где НОД - наибольший общий делитель отношения Z/p. Угол α между соседними векторами (лучами) звезды пазовых э.д.с. составляет 360/Z' (эл. градусов). Угол β сдвига фаз между э.д.с. соседних пазов, в которых расположены стороны одной катушки, составляет 360·p/Z (эл. градусов).

В машине, приведенной на фиг.1, значение НОД составляет 2; значение Z' составляет 9; угол α составляет 40 эл. градусов; угол β составляет 200 эл. градусов.

Работа синхронной электрической машины рассмотрена на примере генераторного режима и пояснена с помощью векторной диаграммы э.д.с., наводимой в катушках каждой фазы обмотки. На фиг.4 представлена векторная диаграмма э.д.с., наводимая в катушках фазы "А" синхронной машины, соответствующей фиг.1. При вращении ротора рассматриваемой машины в сторонах катушек, расположенных в пазах 1-18, наводятся э.д.с., соответствующие звезде пазовых э.д.с., представленной на фиг.3. Катушки обмотки должны быть соединены по схеме, приведенной на фиг.2. В этом случае э.д.с., наводимые в сторонах катушек, принадлежащих одной фазе обмотки, например, фазе "А", складываются в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фиг.4, где вектор ОЕ_A изображает суммарную э.д.с. фазы "А", которая складывается из единичных векторов 1, - 2, - 11, 3, 12, - 4, изображающих э.д.с., наводимые в сторонах катушек, расположенных в соответствующих пазах 1, 2, 11, 3, 12, 4 с учетом условно выбранного положительного направления (в пазах 1, 3, 12 направление принято положительным; соответственно в пазах 2, 11, 4 направление отрицательное). Отношение длины вектора ОЕ_A, соответствующего э.д.с. фазы "А", к арифметической сумме единичных векторов, соответствующих э.д.с., наводимых в отдельных сторонах катушек данной фазы, равно обмоточному коэффициенту K_oб1 первой гармоники э.д.с. В рассматриваемой синхронной вращающейся электрической машине значение К_об1 составляет 0,945 в соответствии с векторной диаграммой фиг.4.

Обмоточный коэффициент K_oб1 первой гармоники э.д.с., рассчитанный аналогичным способом для известной машины согласно патенту RU 2143777 с таким же числом зубцов статора и полюсов ротора, равен обмоточному коэффициенту рассматриваемой синхронной машины - 0,945. Анализ любых возможных вариантов электрических машин с различными соотношениями чисел зубцов статора и полюсов ротора показывает, что во всех случаях в предлагаемой синхронной вращающейся электрической машине обмоточный коэффициент первой гармоники э.д.с., а значит напряжение в генераторном режиме и мощность не ниже, чем в прототипах. При этом, учитывая отмеченные выше преимущества предлагаемой синхронной вращающейся электрической машины - в частности, возможность повышения плотности тока в обмотке и магнитного потока, величины тока, напряжения и, следовательно, мощность предлагаемой машины выше, чем у известных электрических машин при тех же габаритах и массе.

Согласно свойству обратимости электрических машин [А.И.Вольдек. Электрические машины. "Энергия", 1974, с.7] предлагаемая синхронная электрическая машина может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. При работе в качестве двигателя, также как и в качестве генератора, предлагаемая машина имеет, по сравнению с известными, более высокую мощность и, следовательно, более высокий вращающий момент при тех же габаритах и массе, соответственно, и более высокий коэффициент использования.

Для проверки достижения заявленного технического результата предлагаемого изобретения были изготовлены два макетных образца синхронных электрических машин, имеющих одинаковые размеры: первый - с обмоткой статора, соответствующей схеме известной машины согласно патенту RU 2143777, а второй - в соответствии с предлагаемым изобретением. Сравнительные испытания двух макетных образцов показали, что электрическая машина, выполненная в соответствии с предлагаемым изобретением, при работе в качестве двигателя обладает вращающим моментом, который в 1,5 раза выше, чем известная, а также обладает меньшими зубцовыми пульсациями момента, величина которых составляет не более 0,5% от номинального вращающего момента вместо 3-5% у известной машины.

Изобретение относится к области электротехники и касается выполнения синхронных электрических машин, которые могут быть использованы, например, в регулируемых электроприводах, а также в автономном электрооборудовании в качестве источника переменного тока. Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, состоит в повышении коэффициента использования и снижении зубцовых пульсаций момента синхронной электрической машины при одновременном упрощении ее конструкции и технологии изготовления. Сущность изобретения состоит в том, что в синхронной вращающейся электрической машине, содержащей ротор с чередующимися по полярности полюсами и статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка из n катушек в каждой фазе, согласно изобретению каждая из катушек охватывает один зубец, но только один из двух соседних зубцов оказывается охваченным одной из катушек, при этом каждая из катушек повторяет форму паза и занимает, по существу, весь объем двух пазов, примыкающих к данному зубцу, который эта катушка охватывает. При этом зубцы статора выполнены так, что их поперечное сечение имеет трапецеидальную форму, а каждый из пазов имеет две практически параллельных боковых стороны таким образом, чтобы поперечное сечение этих пазов было практически постоянным по всей их высоте, причем отношение ширины паза b_п к зубцовому делению t_z имеет величину приблизительно от 0,3 до 0,35. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Синхронная вращающаяся электрическая машина, содержащая ротор с чередующимися по полярности полюсами и статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка из n катушек в каждой фазе так, что каждая из катушек охватывает один зубец, но только один из двух соседних зубцов оказывается охваченным одной из катушек, при этом каждая из катушек повторяет форму паза и занимает, по существу, весь объем двух пазов, примыкающих к данному зубцу, который эта катушка охватывает, отличающаяся тем, что зубцы выполнены так, что их поперечное сечение имеет трапецеидальную форму, а каждый из пазов имеет две практически параллельных боковых стороны таким образом, чтобы поперечное сечение этих пазов было практически постоянным по всей их высоте, при этом отношение ширины паза b_п к зубцовому делению t_z имеет величину приблизительно от 0,3 до 0,35.2. Синхронная вращающаяся электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что при размещении на зубцах статора m-фазной обмотки из n катушек в каждой фазе так, что только один из двух соседних зубцов оказывается охваченным одной из катушек, число Z зубцов статора выбирают равным 2mn, где при нечетном числе m фаз число n катушек в каждой фазе выбирают равным любому целому числу, а при четном числе m фаз число n катушек в каждой фазе выбирают равным любому четному числу.