Способ защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе цилиндрического типа, снижения потерь и повышения экономичности при работе на частичных режимах двигателя Российский патент 2018 года по МПК H02K1/27 H02K11/20 H02H7/06 H02H7/08 

Изобретение «Способ защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе цилиндрического типа, снижения потерь и повышения экономичности при работе на частичных режимах двигателя. Способ отключения не используемого, при выбранном режиме работы, статора в двухстаторных электрических машинах» относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу. Способ защиты от возгорания при возникновении межвиткового замыкания обмотки статора электрической машины с постоянными магнитами в роторе цилиндрического типа заключаются в том, что встроенные в полюса ротора, магнитные блоки с постоянными магнитами, выполненные в виде цилиндров, поворачивают на определенный угол в зависимости от системы намагничивания ротора.

При тангенциальном намагничивании ротора поворачивают половину магнитных блоков (через один) на 180°.

При комбинированном намагничивании ротора (например, схема намагничивания «Халбаха» или более сложные схемы) поворачивают все магнитные блоки на 180°.

При радиальном намагничивании ротора поворачивают все магнитные блоки на 90° через один влево и вправо.

Тем самым уменьшается индукция магнитного поля в зазоре практически до нулевого значения или до значений, соизмеримых с полями рассеяния магнитной системы.

Поворот осуществляется либо с помощью зубчатого соединения, состоящего из кольца с зубчатым венцом на внешней части, приводящегося в движение сервомотором, и шестерен, закрепленных на хвостовиках магнитных блоков, либо тягами и коромыслами.

Техническим результатом изобретения является устранение опасности возгорания машины при межвитковом замыкании части обмотки или всей обмотки статора и сокращение времени перехода машины из положения нормального функционирования в аварийное положение и снижение потерь в машине при частичных режимах работы за счет выравнивания потерь -уменьшения потерь в стали за счет некоторого увеличения потерь в проводнике. Позволяет отключать не используемый статор в двухстаторных электрических машинах на частичных режимах работы, чем повышается экономичность системы либо отключается аварийный статор при аварии в одном из статоров.

Прототипом является электрическая машина с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа (патент RU 2567230 С1 Способ защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе коллекторного типа и устройство для его реализации).

В прототипе предложен способ защиты от возгорания при межвитковом замыкании электрической машины с постоянными магнитами на роторе, разделенным в радиальном направлении на две части, внутреннюю - неподвижно соединенную с валом и внешнюю - подвижную относительно вала, соединенную с ним через подшипники качения. Каждая из частей ротора содержит постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении, и разделенные полюсами. Внешнюю часть ротора выполняют в виде полого цилиндра и устанавливают на внутреннюю часть таким образом, чтобы при нормальной работе машины полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях ротора совпадала для создания максимальной индукции магнитного поля в зазоре между ротором и статором и, соответственно, максимальной электродвижущая сила в обмотках статора. При нормальном функционировании электрической машины подвижная часть ротора зафиксирована относительно неподвижной части стопорным устройством. При возникновении межвиткового замыкания внешнюю часть ротора освобождают от стопорного устройства и ротор разворачивается под действием тангенциальных сил в положение, при котором полярность полюсов, расположенных на одном радиусе ротора, на внешней и внутренней частях ротора будет противоположной, тогда индукция магнитного поля в зазоре и электродвижущая сила в обмотке статора будут равны нулю.

Недостатком прототипа является сложность устройства фиксации внешней части ротора относительно внутренней и большое время поворота внешней части ротора относительно внутренней части вала. Сложность конструкции, в зависимости от конкретного случая, может иметь не преодолимое значение.

Предлагаемое изобретение содержит устройство защиты от возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе цилиндрического типа, которые устраняют опасность возгорания машины при межвитковом замыкании обмотки статора и позволяют уменьшить время перехода машины из положения нормального функционирования в аварийное положение.

В предлагаемом изобретении цилиндрический ротор содержит немагнитный вал и распределенные по окружности внутри вала магнитные полюса с цилиндрическими отверстиями, в которые вставлены магнитные блоки, представляющие цилиндрические оболочки, в которых установлены намагниченные постоянные призматические магниты, магнитные блоки.

Полюса могут содержать постоянные призматические магниты, намагниченные в радиальном или тангенциальном направлении или магниты со сложным комбинированным или объемным намагничиванием (в простейшем случае - намагничивание по схеме «Халбаха»).

Магнитные блоки 1 установлены в цилиндрических отверстиях полюсов ротора с гарантированным минимальным зазором, обеспечивающим проворот магнитного блока. На хвостовиках половины магнитных блоков (через полюс) в роторах с тангенциальным намагничиванием закреплены шестерни 2, в роторах с радиальным и комбинированным намагничиванием - шестерни установлены во всех полюсах.

В зацепление шестерен входит зубчатое колесо 3, соединенное с ротором 4 сервомотора и установленное на валу на подшипниках качения. Статор сервомотора 5 может быть смонтирован как на подшипниковом щите 6 (фиг. 1), так и и на вращающемся роторе, в зависимости от конкретной конструкции электрической машины.

При расположении статора сервомотора на подшипниковом щите, приведение во вращение ротора производится питанием статора током определенной частоты от специального устройства управления.

При расположении статора сервомотора на вращающемся роторе машины питание на сервомотор подается либо щеточным устройством с подъемными щетками, которые в условиях нормальной работы щетки подняты, либо бесконтактным токопередающим устройством (например, вращающимся трансформатором).

При нормальной работе электрической машины, система шестерни -зубчатое колесо неподвижна, положение магнитных блоков обеспечивает максимальное значение электродвижущей силы в зазоре. При возникновении межвиткового замыкания автоматически включается сервопривод, приводя в движение зубчатое колесо и поворачивая магнитные блоки на необходимый угол, в положение при котором индукция магнитного поля в зазоре и электродвижущая сила в обмотке статора будут практически равны нулю. Контроль угла поворота осуществляется по величине ЭДС статора или с помощью датчика положения кольцевой шестерни.

Таким образом, предлагаемый способ устраняет возможность возгорания электрической машины с постоянными магнитами на роторе цилиндрического типа при возникновении межвиткового замыкания в обмотке статора, уменьшает время на поворот полюсов и исключает применение стопорного устройства.

Изобретение поясняется иллюстрациями.

На фиг. 1 показан продольный разрез электрической машины.

На фиг. 2 показаны в поперечном сечении элементы, соответствующие взаимному положению полюсов и зубчатого колеса. На изображении приведен вариант для тангенциального намагничивания магнитов в магнитных блоках, когда зубчатые шестерни закреплены не на каждом магнитном блоке (через один) и поворачивается только каждый второй магнитный блок.

На фиг. 3 представлено распределение индукции в поперечном сечении машины при тангенциальном намагничивании магнитов в магнитных блоках, в рабочем положении магнитных блоков.

На фиг. 4 представлено распределение индукции в поперечном сечении машины при тангенциальном намагничивании магнитов в магнитных блоках в случае аварии (развернут каждый второй магнитный блок).

На фиг. 5 представлено распределение индукции в поперечном сечении машины при радиальном намагничивании магнитов в магнитных блоках, в рабочем положении магнитных блоков.

На фиг. 6 представлено распределение индукции в поперечном сечении машины при радиальном намагничивании магнитов в магнитных блоках в случае аварии (развернуты все магнитные блоки на 90° в противоположных направлениях, через один, один влево, другой в право).

На фиг. 7 представлено распределение индукции в поперечном сечении машины при сложном пространственном намагничивании магнитов в магнитных блоках, в рабочем положении магнитных блоков.

На фиг. 8 представлено распределение индукции в поперечном сечении машины при сложном пространственном намагничивании магнитов в магнитных блоках, в случае аварии (развернуты все магнитные блоки на 180°).

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам. Технический результат - устранение опасности возгорания машины при межвитковом замыкании обмотки статора. Способ защиты от возгорания при возникновении межвиткового замыкания обмотки статора электрической машины с постоянными магнитами в роторе цилиндрического типа заключается в том, что встроенные в полюса ротора магнитные блоки с постоянными магнитами, выполненные в виде цилиндров, поворачивают на определенный угол в зависимости от системы намагничивания ротора. При тангенциальном намагничивании ротора поворачивают половину магнитных блоков (через один) на 180°. При комбинированном намагничивании ротора (например, схема намагничивания «Халбаха») поворачивают все магнитные блоки на 180°. При радиальном намагничивании ротора поворачивают все магнитные блоки на 90° через один влево и вправо. Тем самым уменьшается индукция магнитного поля в зазоре практически до нулевого значения или до значений, соизмеримых с полями рассеяния магнитной системы. Поворот осуществляется с помощью зубчатого соединения, состоящего из кольца с зубчатым венцом на внешней части, приводящегося в движение сервомотором, и шестерен, закрепленных на хвостовиках магнитных блоков. 3 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ защиты от возгорания при межвитковом замыкании электрической машины с постоянными магнитами на роторе цилиндрического типа, содержащей статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами, отличающийся тем, что установленные с гарантированным минимальным зазором внутри цилиндрических отверстий полюсов ротора цилиндрические магнитные блоки, представляющие цилиндрические оболочки, в которых установлены намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты, расположены так, чтобы полярность при нормальном функционировании электрической машины чередовалась, в этом положении индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором и электродвижущая сила в обмотках статора будут максимальны, при возникновении межвиткового замыкания половину магнитных блоков (через один) поворачивают на 180° с помощью зубчатой передачи: шестерен, закрепленных на хвостовиках магнитных блоков, и кольца с зубчатым венцом на внешней части, соединенного с ротором сервомотора и установленного на роторе на подшипниках качения, в положение, при котором полярность всех полюсов будет одинаковой, тогда магнитное поле пройдет внутри всех полюсов, не выходя на поверхность, и индукция магнитного поля в зазоре и электродвижущая сила в обмотке статора будут практически равны нулю.

2. Способ защиты от возгорания при межвитковом замыкании электрической машины с постоянными магнитами на роторе цилиндрического типа, содержащей статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами, отличающийся тем, что установленные с гарантированным минимальным зазором внутри цилиндрических отверстий полюсов ротора цилиндрические магнитные блоки, представляющие цилиндрические оболочки, в которых установлены намагниченные в радиальном направлении постоянные призматические магниты, расположены так, чтобы полярность при нормальном функционировании электрической машины чередовалась, в этом положении индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором и электродвижущая сила в обмотках статора будут максимальны, при возникновении межвиткового замыкания все магнитные блоки поворачивают на 90° в различных направлениях (через один влево и вправо) с помощью зубчатой передачи: шестерен, закрепленных на хвостовиках магнитных блоков, и двух колец с зубчатым венцом на внешней части, соединенных с ротором сервомотора и установленных на роторе на подшипниках качения, в положение, при котором магнитное поле пройдет внутри всех полюсов, не выходя на поверхность, и индукция магнитного поля в зазоре и электродвижущая сила в обмотке статора будут практически равны нулю.

3. Способ защиты от возгорания при межвитковом замыкании электрической машины с постоянными магнитами на роторе цилиндрического типа, содержащей статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами, отличающийся тем, что установленные с гарантированным минимальным зазором внутри цилиндрических отверстий полюсов ротора цилиндрические магнитные блоки, представляющие цилиндрические оболочки, в которых установлены постоянные призматические магниты (например, схема намагничивания «Халбаха»), расположены так, чтобы полярность, при нормальном функционировании электрической машины чередовалась, в этом положении индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором и электродвижущая сила в обмотках статора будут максимальны, при возникновении межвиткового замыкания все магнитные блоки поворачивают на 180° с помощью зубчатой передачи: шестерен, закрепленных на хвостовиках магнитных блоков, и колеса с зубчатым венцом на внешней части, соединенного с ротором сервомотора и установленного на роторе на подшипниках качения, в положение, при котором магнитное поле замкнется через внутренние элементы ротора, не выходя на поверхность ротора, и индукция магнитного поля в зазоре и электродвижущая сила в обмотке статора будут практически равны нулю.