БЕСКОНТАКТНАЯ СИНХРОННАЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С МОДУЛИРОВАННОЙ МДС ЯКОРЯ Российский патент 2011 года по МПК H02K21/12 H02K19/10 H02K19/16 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным синхронным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных синхронных магнитоэлектрических машин и может быть использовано в системах автоматики, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, многофазных синхронных электрических двигателей и генераторов преобразователей частоты и многофазных источников питания электрическим током.

Известна индукторная электрическая машина (Патент RU 2009599 С1, МПК 5 Н02К 19/06, Н02К 19/24, авторы: Жуловян В.В., Новокрещенов О.И., Шаншуров Г.А.), содержащая явнополюсный с числом полюсов Z₀ зубчатый статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой размещена на одном полюсе статора, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор и преобразователь, к которому подключена обмотка статора, статор и ротор выполнены с четными и не равными друг другу числами зубцов и каждая фаза обмотки выполнена из р встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2·τ, где р - число четное, 2·τ=Z₀/p. Недостатком описанной индукторной электрической машины принято считать невысокие энергетические показатели. Кроме этого указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что усложняет технологию и затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.

Известен принятый за прототип синхронный электродвигатель (А.с. СССР SU №1345291 А1, МПК Н02К 19/02, бюл. №38, 1987 г., автор А.Ф.Шевченко), содержащий статор с трехфазной обмоткой и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, статор выполнен с явно выраженными полюсами, причем числа полюсов статора Z_S и ротора Z_R выполнены в соотношении Z_R=Z_S±k, где Z_S=3·k, a k=1, 2, 3, …, катушки обмотки статора, принадлежащие одной фазе и расположенные на полюсах, сдвинутых на 360 эл. град., включены встречно. Недостатком описанного синхронного электродвигателя является наличие статора только с трехфазной обмоткой якоря, что уменьшает возможные применения данного устройства.

Целью настоящего изобретения является достижение высоких энергетических показателей, увеличение удельного (отнесенного к массе активных материалов) момента на валу, снижение пульсаций вращающего момента, вибрации и шума бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины за счет выполнения ее многофазной и с модулированной магнитодвижущей силой (далее - МДС) якоря.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа явно выраженных полюсов якоря и числа явно выраженных полюсов индуктора, возбуждаемых постоянными магнитами, при выполнении сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение высоких энергетических показателей, большого удельного вращающего момента на валу в режиме электрического двигателя и большой удельной мощности в режиме электрического генератора бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря.

С целью достижения задачи и технического результата изобретения статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, катушечную m-фазную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, ротор содержит индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности явно выраженными полюсами, создающими магнитный поток возбуждения при помощи постоянных магнитов и образующими в воздушном зазоре чередующуюся полярность «N - S» магнитных полюсов. Индуктор крепится к немагнитной втулке или немагнитному валу (при малых диаметрах ротора). В настоящем изобретении индуктор является ротором, а якорь - статором. Возможны исполнения ротора с постоянными магнитами любого типа - с когтеобразными полюсами и аксиальным расположением постоянных магнитов, с радиальным размещением постоянных магнитов, с тангенциальным размещением постоянных магнитов (ротор «коллекторного типа»), мозаичный сборный ротор (типа РОМС). Возможны исполнения бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.

В заявляемом изобретении бесконтактная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря является синхронной машиной, так как частота вращения ее ротора строго пропорциональна частоте питающего напряжения и остается постоянной независимо от изменения механического момента нагрузки на валу (в режиме работы электрическим двигателем). Указанное устройство может питаться как непосредственно от источника переменного напряжения, так и работать в вентильном управляемом режиме.

При применении бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря может осуществляться:

- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,

- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,

- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

При применении бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря в качестве электрического двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря может осуществляться прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1, фиг.3 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря с ротором «коллекторного типа»,

фиг.2, фиг.4 - примеры реализации изобретения в виде схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря с подключением m-фазных обмоток якоря в режиме электрического двигателя на источники m-фазных напряжений, векторных диаграмм фазных токов якоря и соответствующих им диаграмм МДС якоря,

фиг.5 - общий вид бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря с внешним якорем и внутренним индуктором.

В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря число явно выраженных полюсов якоря Z_1P, число фаз m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6,…, число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m, число явно выраженных полюсов индуктора Z_2P связаны равенствами (1) и (2)

причем при m=3, 5, 7, 9,… число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=1, 2, 3, 4,…, при m=4, 6, 8, 10,… число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=2, 4, 6, 8,…, катушки обмотки в фазе якоря соединены между собой встречно в магнитном отношении, начала фаз обмотки якоря по порядку, начиная с первой фазы, принадлежат катушкам, сосредоточенным на явно выраженных полюсах якоря, расположенных относительно друг друга, начиная с первого полюса, на угловом расстоянии β=2·t_1P, где t_1P=360°/Z_1P - полюсное деление якоря.

Следует отметить, что направление вращения индуктора в режиме работы бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря электрическим двигателем совпадает с направлением вращения кругового магнитного поля якоря, созданного многофазной системой переменных электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря. Реверсирование электрического двигателя осуществляется сменой чередования фаз обмотки якоря относительно первой фазы на противоположное.

Фазы m-фазной обмотки якоря могут быть соединены между собой в «звезду» или в «многоугольник».

На фиг.1÷4 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с равенствами (1) и (2). Положение векторов фазных токов на векторной диаграмме, направление электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря схемы соединений катушек m-фазной обмотки якоря, и диаграмма МДС якоря, показанные на фиг.2, и положение сердечника индуктора относительно сердечника якоря бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме, показанное на фиг.1, соответствуют одному и тому же моменту времени. Положение векторов фазных токов на векторной диаграмме, направление электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря схемы соединений катушек m-фазной обмотки якоря, и диаграмма МДС якоря, показанные на фиг.4, и положение сердечника индуктора относительно сердечника якоря бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме, показанное на фиг.3, соответствуют одному и тому же моменту времени.

Рассмотрим конструкцию бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины с модулированной МДС якоря с внешним якорем и внутренним индуктором, представляющим собой ротор «коллекторного типа» (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 2 якоря имеет явно выраженные полюса 3 и выполнен шихтованным из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Он запрессован в корпусе 7, который может быть выполнен из стали или из сплава алюминия. Возможен также и бескорпусный вариант.На каждом из явно выраженных полюсов 3 якоря размещена катушка обмотки 4 якоря. Катушки обмотки 4 якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Они изолируются от сердечника 2 и явно выраженных полюсов 3 якоря корпусной изоляцией. Индуктор при помощи подшипников 10, вала 5 и подшипниковых щитов 9 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из стали. Активная часть индуктора собирается из тангенциально расположенных постоянных магнитов 8 и чередующимися с ними явно выраженными полюсами 7 таким образом, чтобы образовывалась чередующаяся полярность полюсов «N - S» индуктора, и крепится к втулке 6, выполненной из немагнитного материала (чаще всего - из сплава алюминия). Явно выраженные полюса 7 индуктора выполняются из материала с высокой магнитной проницаемостью и могут быть набраны из сегментарных листов электротехнической стали, скрепленных между собой в аксиальном направлении в пакеты, образующими полюса, а могут представлять собой цельные полюса из магнитомягкого материала, обработанные механически. Немагнитная втулка 6 необходима для того, чтобы магнитный поток возбуждения не замыкался сам на себя непосредственно, минуя рабочий воздушный зазор. Магнитный поток индуктора (фиг.1, фиг.3) выходит из постоянных магнитов с полярностью «N» в тангенциальном направлении, проходит через явно выраженные полюса 7 индуктора вначале в тангенциальном направлении, затем в радиальном направлении в сторону воздушного зазора, пронизывает воздушный зазор между индуктором и якорем, проходит через явно выраженные полюса 3 якоря в радиальном направлении от воздушного зазора, ярмо сердечника 2 якоря в тангенциальном направлении, далее через явно выраженные полюса 3 якоря в радиальном направлении в сторону воздушного зазора, пронизывает воздушный зазор между индуктором и якорем, входит в явно выраженные полюса 7 индуктора в радиальном направлении, а затем в постоянные магниты с полярностью «S», замыкая таким образом магнитную цепь.

Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря может работать в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5).

На фазы обмотки 4 якоря от источника питания подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменную во времени модулированную МДС якоря. На фиг.2 показана векторная диаграмма фазных токов якоря и диаграмма МДС якоря для схемы соединений катушек 8^u-фазной обмотки якоря, представленной на этой же фигуре. На фиг.4 показана векторная диаграмма фазных токов якоря и диаграмма МДС якоря для схемы соединений катушек 7^u-фазной обмотки якоря, представленной на этом же чертеже. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени, и векторы токов на векторных диаграммах поворачиваются в осях координат ху против часовой стрелки. Направления электрических токов, показанные на схемах соединений катушек обмоток якоря, соответствуют моменту времени, когда фазные токи на векторных диаграммах проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 4 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер явно выраженного полюса 3 сердечника 2 якоря. Например, катушка D7 - катушка фазы D, расположенная на седьмом явно выраженном полюсе 3 сердечника 2 якоря. При протекании по катушкам обмотки 4 якоря переменного электрического тока явно выраженные полюса 3 якоря, намагничиваясь, образуют изменяющиеся во времени южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N» с переменной модулированной МДС якоря. Явно выраженные полюса 7 индуктора возбуждены постоянными магнитами 8 и образуют неизменяющиеся во времени южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N» с чередующейся полярностью с постоянной МДС индуктора. Вследствие взаимодействия переменной модулированной МДС якоря с постоянной МДС индуктора к ротору приложен однонаправленный вращающий момент. В соответствии с настоящим изобретением за один период изменения магнитного поля ротор поворачивается на два полюсных деления индуктора, т.е. на 2·t_2P, где t_2P=360°/Z_2P. Вследствие этого при изменении питающих напряжений, поданных на обмотку якоря с частотой ƒ (Гц), ротор перемещается с синхронной частотой вращения n=120·ƒ/Z_2P (об/мин). Направление вращения ротора на фиг.1 и фиг.3 показано стрелкой с буквой «n».

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный постоянными магнитами 8, пронизывая воздушный зазор и явно выраженные полюса 3 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в явно выраженных полюсах 3 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках обмотки 4 якоря переменную ЭДС. В катушках обмотки 4 якоря, принадлежащих данной фазе, в любой момент времени наводятся одинаковые по величине ЭДС, которые, суммируясь, образуют ЭДС данной фазы. При замкнутой внешней цепи по фазам протекает электрический ток.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным синхронным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается особенностей конструктивного исполнения бесконтактных синхронных магнитоэлектрических машин и может быть использовано в системах автоматики, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, многофазных синхронных электрических двигателей и электрических генераторов преобразователей частоты, а также в качестве многофазных источников питания электрическим током. Предлагаемая бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря содержит статор, сердечник якоря которого набран из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и имеет явно выраженные полюса с катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, а также ротор, содержащий индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности явновыраженными полюсами с чередующейся полярностью, возбуждаемыми постоянными магнитами. При этом выполняются определенные соотношения между числом явно выраженных полюсов якоря, числом фаз m-фазной обмотки якоря, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе и числом явно выраженных полюсов индуктора. Достигаемый технический результат - высокие энергетические показатели, большой удельный вращающий момент на валу, снижение пульсаций вращающего момента, вибрации и шума бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины за счет выполнения ее многофазной и с модулированной магнитодвижущей силой якоря. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря, содержащая статор с обмоткой якоря и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, отличающаяся тем, что сердечник якоря выполнен шихтованным с явно выраженными полюсами и катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, ротор содержит индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности явно выраженными полюсами, создающими магнитный поток возбуждения при помощи постоянных магнитов и образующими в воздушном зазоре чередующуюся полярность «N-S» магнитных полюсов, активная часть индуктора насажена на немагнитную втулку, число явно выраженных полюсов якоря Z_1р, число фаз m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6,…, число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m, число явно выраженных полюсов индуктора Z_2P связаны равенствами (1) и (2):


причем при m=3,5,7,9,… число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=1, 2, 3, 4,…, при m=4, 6, 8, 10,… число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=2, 4, 6, 8,…, катушки обмотки в фазе якоря соединены между собой встречно в магнитном отношении, начала фаз обмотки якоря по порядку, начиная с первой фазы, принадлежат катушкам, сосредоточенным на явно выраженных полюсах якоря, расположенных относительно друг друга, начиная с первого полюса, на угловом расстоянии β=2·t_1P, где t_1P=360°/Z_1P - полюсное деление якоря.

2. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи, индуктор - внутри.

3. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь - внутри.

4. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ротор выполнен с когтеобразными полюсами и аксиальным расположением постоянных магнитов.

5. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ротор выполнен с радиальным размещением постоянных магнитов, представляющих собой явно выраженные полюса индуктора и прикрепленных к магнитомягкому сердечнику.

6. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ротор выполнен с тангенциальным размещением постоянных магнитов (ротор «коллекторного типа»).

7. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ротор выполнен мозаичным сборным (типа РОМС).

8. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты.

9. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты.

10. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

11. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве электрического двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

12. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в «звезду».

13. Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в «многоугольник».