ВЕНТИЛЬНЫЙ ИНДУКТОРНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК H02K19/06 H02K19/10 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам индукторно-реактивного типа, и может быть использовано для электроприводов при повышенных требованиях к уровню пульсаций момента, вибраций, шумов и обеспечивает возможность питания двигателей от типовых мостовых преобразователей, которые выпускаются серийно.

Известен m-фазный индукторный реактивный двигатель с четным числом фаз, который с помощью диодов может питаться от мостового инвертора (патент РФ №2279173. Индукторный двигатель от 27.09.2004, МПК 8 Н02К 19/36, Н02Р 6/16, ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», ФГУП «ПКП «ИРИС»). Недостатком двигателя с четным числом фаз является невозможность на одном пакете обеспечить во всех пазах одноименное направление тока в проводниках, лежащих в одном пазу при соблюдении условия независимой работы фаз (направления магнитодвижущей силы одноименных фаз должны чередоваться). Это приводит к локальной несимметрии распределения магнитного поля и повышению пульсаций момента. Для устранения этого недостатка там же предложен двухпакетный вариант конструкции, в котором на каждом пакете статора размещается трехфазная обмотка, т.е. с нечетным m. В каждую фазу включаются диоды, одноименные фазы соединяются параллельно, а затем, используя соединение «треугольник», фазы обмоток подключаются к мостовому инвертору. Для снижения пульсаций момента, вибраций и шума пакеты роторов смещают на половину зубцового деления, что обеспечивает смещение одноименных фаз обмоток, размещенных на разных пакетах, на 180 эл. град. Недостатком данного варианта конструкции является повышенные массогабаритные показатели и дополнительные потери в лобовых частях, т.к. их число увеличивается.

Известны конструкции разноименно-полюсных индукторных машин с радиальным электромагнитным возбуждением, у которых для уменьшения пульсаций магнитного потока возбуждения и электромагнитного момента применяется смещение фазных зон обмоток статора на 180 эл. град. на одном пакете (Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1982. - С.236; Птах Г.К., Рожков В.И., Линев А.И. Расчет электромагнитных процессов в системе тягового электропривода электроподвижного состава с разноименно-полюсным индукторным двигателем. / Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2003. - №4. - С.57-6). Недостатком данной конструкции является наличие больших пазов на статоре, которые необходимы для обеспечения смещения фазных зон на 180 эл. град. и размещения обмотки возбуждения при ее наличии. Это приводит к несимметрии фаз и уменьшению удельной силы тяги.

Известен синхронный двигатель с электромагнитной редукцией (патент РФ №2066912. Синхронный двигатель с электромагнитной редукцией от 20.09.96, МПК 7 H02K 19/06, Лузин Михаил Иванович).

Недостатками данной конструкции являются: небольшой пусковой момент двигателя и ограниченная область применения: в качестве тихоходных двигателей, определяемая тем, число зубцов ротора этого двигателя равно или больше числа зубцов статора.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому решению является трехфазный реактивный индукторный двигатель с малыми пульсациями момента (патент РФ №2153218. Трехфазный реактивный индукторный двигатель с малыми пульсациями момента от 06.01.1999, МПК 7 H02K 19/06, H02K 37/04, ООО «Научно-производственное предприятие «Эметрон»).

Недостатками данного двигателя является: сложность конструкции и изготовления (взаимный скос зубцов ротора относительно зубцов статора и сложная конфигурация профиля зубцов статора).

Задачами изобретения являются:

- снижение пульсаций момента;

- упрощение конструкции и технологии изготовления двигателя;

- упрощение схемы подключения (уменьшение количества проводов подключения двигателя к системе питания);

- снижение потерь в лобовых частях обмотки (для двухпакетной конструкции фазных обмоток двигателя);

- улучшение массогабаритных показателей;

- снижение потерь в стали за счет конструктивного чередования направления магнитодвижущей силы (МДС) в фазных обмотках двигателя.

Решение поставленных задач обеспечивается конструкцией вентильного индукторно-реактивного двигателя (ВИРД), содержащего безобмоточный ротор с зубцами и статор, зубцы (полюса) которого охвачены катушками и размещены так, что образуется m-фазная магнитная система, в которой число зубцов на статоре Z₁=k×2m выбирается кратным 2m, число зубцов ротора Z₂=Z₁±k, где k=2, 3, 4, …, а катушки двух m-фазных сосредоточенных обмоток статора размещены на зубцах (полюсах) таким образом, чтобы все магнитодвижущие силы в одноименных фазах одной и той же обмотки были направлены одинаково или от статора к ротору, или от ротора к статору.

Кроме этого, в вентильном индукторно-реактивном двигателе:

- при четном m магнитодвижущие силы катушек одноименных фаз разных обмоток направлены одинаково или от статора к ротору, или от ротора к статору;

- при нечетном m магнитодвижущие силы катушек одноименных фаз разных обмоток направлены в противоположные стороны (например, если магнитодвижущие силы катушки первой фазы одной обмотки направлены от статора к ротору, то магнитодвижущие силы катушки первой фазы другой обмотки от ротора к статору);

- катушки фаз разных обмоток, надетых на зубцы (полюсы) статора, чередуются.

Предлагаемое изобретение направлено на применение такой конфигурации зубцовой зоны, которая позволила бы разместить на статоре две m-фазные сосредоточенные обмотки, имеющие пространственный угол сдвига между одноименными фазами 180 эл. град., сохранить при этом равномерность зубцового слоя с числом зубцов ротора меньшим числа зубцов статора. Решение указанной задачи достигается выбором соотношений между числами зубцов статора и ротора и способом размещения на зубцах статора катушек двух m-фазных сосредоточенных обмоток.

Число зубцов на статоре выбирается кратным 2m (Z₁=k·2m, k=2, 3, 4 …), а число зубцов ротора - Число k определяет также порядок деформации статора, т.е. количество одновременно возбужденных полюсов, к которым приложены радиальные силы, действующие на статор и влияющие на уровень вибраций и шума.

Отличительной особенностью предлагаемого способа размещения катушек и выбора направления их намотки состоит в том, что направления МДС одноименных фаз одной и той же обмотки одинаковы и имеют направления от статора к ротору или от ротора к статору. Такой способ размещения катушек лишает индукторный реактивный двигатель его основной отличительной особенности - независимой работы фаз, но обеспечивает возможность в однопакетном варианте исполнения существенно уменьшить пульсации момента, применить мостовые инверторы для его питания, которые выпускаются серийно, и соответственно снизить себестоимость электропривода, создаваемого на базе данного двигателя.

Для четного значения числа фаз m фазные катушки разных фаз одной обмотки надеваются на зубцы подряд с пространственным углом сдвига 360/2m с чередованием направления их МДС, образуя фазную зону обмотки. Фазные катушки одноименных фаз разных обмоток надеваются на зубцы с пространственным углом сдвига 180 эл. град. При этом обеспечивается такой же пространственный угол сдвига между фазными зонами разных обмоток. МДС катушек нечетных номеров фаз одной обмотки имеют одинаковое направление, например, от статора к ротору, а МДС катушек четных фаз этой же обмотки - противоположное направление. МДС фазных катушек одноименных фаз разных обмоток направлены одинаково. В каждом пазу токи соседних катушек имеют одинаковое направление и меняют его на противоположное в соседнем пазу, что обеспечивает замыкание магнитного потока по кратчайшему пути.

Для нечетного значения числа фаз m фазные катушки разных фаз одной обмотки надеваются на зубцы статора с чередованием на один зубец таким образом, чтобы обеспечить пространственный угол сдвига между фазами одной обмотки 360/т эл. град. и 180 эл. град. между одноименными фазами разных обмоток. В этом случае все МДС фазных катушек одной обмотки имеют одинаковое направление, например, от статора к ротору, а все МДС фазных катушек другой обмотки также направлены одинаково, но противоположно, т.е. от ротора к статору.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами выполнения со ссылкой на чертежи, схему и диаграмму, на которых показаны:

- фиг.1 - поперечное сечение магнитной системы ВИРД:

а) m=2 с соотношением зубцов Z₁/Z₂=12/9;

б) m=3 с соотношением зубцов Z₁/Z₂=18/15;

- фиг.2 - функциональная блок-схема питания ВИРД;

- фиг.3 - диаграммы фазных напряжений (отмечены «заливкой»), фазных токов обмоток и суммарных токов фаз, фазного (одной обмотки) и суммарного моментов при питании трехфазного ВИРД от трехфазного мостового инвертора при соединении обмоток двигателя в «звезду» с нейтралью;

- фиг.4 - качественная картина распределения магнитного поля в ВИРД, соответствующая распределению токов в катушках (затененные) для начального момента времени (см. фиг.3).

Двухфазный индукторный двигатель, показанный на фиг.1,а, имеет зубчатый (явнополюсный) статор 1 с равномерно распределенными по окружности открытыми пазами, на полюсах которого размещаются фазные катушки двух двухфазных сосредоточенных обмоток 2 и 2', а также безобмоточный зубчатый ротор 3. Фазные катушки А и В одной обмотки надеваются на соседние зубцы статора с пространственным углом сдвига 90 эл. град. и таким образом, чтобы их МДС имели противоположное направление. Фазные катушки А′ и B' другой обмотки надеваются на соседние зубцы статора аналогичным образом с учетом того, что фазные катушки одноименных фаз, например, А и А' должны иметь пространственный угол сдвига 180 эл. град., т.е., если соосно с зубцом фазы А находится зубец ротора, то соосно с зубцом фазы А' - паз ротора. Таким образом, катушки фазных обмоток включаются так, что половина зубцов статора намагничена в направлении от статора к ротору, другая половина зубцов намагничена от ротора к статору, и зубцы с разным направлением намагниченности чередуются. Такое распределение магнитного поля обеспечивает снижение потерь в стали.

Трехфазный индукторный двигатель, показанный на фиг.1,б, имеет зубчатый (явнополюсный) статор 1 с равномерно распределенными по окружности открытыми пазами, на полюсах которого размещаются фазные катушки двух трехфазных сосредоточенных обмоток 2 и 2', а также безобмоточный зубчатый ротор 3. Фазные катушки А, В, и С одной обмотки надеваются на нечетные зубцы с просранственным углом сдвига 120 эл. град., а фазные катушки другой обмотки А', В' и С' - на четные зубцы. При этом фазные катушки одноименных фаз, например, А и А', имеют пространственный угол сдвига 180 эл. град. Распределение намагниченности зубцов будет таким же, как и в предыдущем случае (фиг.1,а).

Согласно фиг.2 питание обмоток индукторного двигателя может осуществляться с помощью типового m-фазного мостового инвертора напряжения, который включает: микропроцессорную систему управления 4, датчик положения ротора 5, выпрямитель 6, конденсаторный фильтр 7-8, трехфазный мостовой инвертор 9. Выходы инвертора 9 через диоды подключены к двум трехфазным обмоткам ВИРД 10, соединенным в «звезду» с нейтралью. Причем первая трехфазная обмотка А-В-С соединена с выходами инвертора 9 через диоды, включенные в прямом направлении, а вторая трехфазная обмотка А′-В′-С′ - через диоды, включенные в обратном направлении.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

Для пояснения работы предложенного ВИРД на фиг.3 представлены диаграммы фазных напряжений, фазных токов каждой обмотки и суммарных фазных токов, фазного (одной обмотки) и суммарного моментов при питании ВИРД с двумя трехфазными обмотками (соединение «звезда» с нейтралью) от трехфазного мостового инвертора. Распределение магнитного поля в области возбужденных полюсов статора, соответствующее распределению токов в катушках (затененные) для начального момента времени (см. фиг.3), приведено на фиг.4. На зубцы ротора (на фиг.4 промаркированы: 11-16), набегающие в область соответствующих возбужденных полюсов статора (на фиг.4 промаркированы: 17-22), действует тангенциальная сила, создающая вращающий момент и втягивающая зубцы ротора (на фиг.4 промаркированы: 11-16) в область поля. Для того чтобы не возникал тормозной момент при сбегании зубцов ротора (на фиг.4 промаркированы: 23-25) из-под зубцов статора (на фиг.4 промаркированы: 26-28), ток в катушках, надетых на эти зубцы, должен быть к этому моменту времени снижен до нуля. Таким образом, за счет последовательной коммутации ключей и подаче в соответствующие катушки двигателя импульсов тока обеспечивается вращение ротора, как и в реактивном двигателе с независимой работой фаз.

Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый двигатель может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием, чертежами (см. фиг.1) на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.

Таким образом, предлагаемый двигатель может быть использован в различных областях (военная техника, энергетика, горнодобывающая и нефтеперерабатывающая промышленности, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.) - везде, где требуется использование электроприводов при повышенных требованиях к уровню пульсаций момента, вибраций, шумов и экономии электроэнергии.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый двигатель отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и может быть защищена патентом Российской Федерации на изобретение.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам индукторно-реактивного типа и может быть использовано для электроприводов при повышенных требованиях к уровню пульсаций момента, вибраций, шумов и обеспечивает возможность питания двигателей от типовых мостовых преобразователей, которые выпускаются серийно. Вентильный индукторный реактивный двигатель содержит зубчатый статор с равномерно распределенными по окружности зубцами, число которых Z₁ выполняется кратным 2m (Z₁=k×2m, где k=2, 3, 4, …), а зубчатый безобмоточный ротор выполняется с числом зубцов Z₂=Z₁±k. На зубцах статора размещаются две сосредоточенные m-фазные обмотки, фазные катушки которых размещены и намотаны на зубцах так, что направления МДС одноименных фаз одной и той же обмотки одинаковы (от статора к ротору или от ротора к статору). Положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в снижении пульсаций момента за счет использования двух m-фазных обмоток, и достигается путем пространственного сдвига одноименных фаз каждой обмотки на 180 эл. град. относительно друг друга и питания каждой обмотки импульсами напряжения одинаковой величины и длительности с временными углами сдвига 180 эл. град. между одноименными фазами разных обмоток. Обмотки могут соединяться в m-лучевую «звезду» (с нейтралью или при m>1 без нее) или при m>1 в m-сторонний «многоугольник» и питаться от m-фазного мостового инвертора с использованием диодов в фазах обмоток для распределения положительных и отрицательных импульсов напряжения между одноименными параллельно соединенными фазами двух обмоток. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вентильный индукторно-реактивный двигатель, содержащий безобмоточный ротор с зубцами и статор, зубцы (полюса) которого охвачены катушками и размещены так, что образуется m-фазная магнитная система, отличающийся тем, что число зубцов на статоре Z₁=k×2m выбирается кратным 2m, число зубцов ротора Z₂=Z₁±k, где k=2, 3, 4, …, а катушки двух m-фазных сосредоточенных обмоток статора размещены на зубцах (полюсах) таким образом, чтобы все магнитодвижущие силы в одноименных фазах одной и той же обмотки были направлены одинаково или от статора к ротору, или от ротора к статору.

2. Вентильный индукторно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что при четном m магнитодвижущие силы катушек одноименных фаз разных обмоток направлены одинаково или от статора к ротору, или от ротора к статору.

3. Вентильный индукторно-реактивный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что при нечетном m магнитодвижущие силы катушек одноименных фаз разных обмоток направлены в противоположные стороны (например, если магнитодвижущие силы катушки первой фазы одной обмотки направлены от статора к ротору, то магнитодвижущие силы катушки первой фазы другой обмотки - от ротора к статору).

4. Вентильный индукторно-реактивный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что катушки фаз разных обмоток, надетых на зубцы (полюсы) статора, чередуются.