СИНХРОННАЯ РЕАКТИВНАЯ МАШИНА Российский патент 2018 года по МПК H02K19/06 H02K1/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электромеханике, а точнее, к синхронным реактивным машинам, и может быть использовано в электрических приводах машин и механизмов, а также в генераторах электрической энергии.

Уровень техники

Синхронными реактивными машинами называют машины с магнитной неоднородностью ротора. Основной механизм создания усилия (крутящего момента) в синхронной реактивной машине состоит в стремлении ротора ориентироваться таким образом, чтобы обеспечить максимальную проводимость магнитному полю статора. Синхронные реактивные машины могут быть без магнитов в конструкции ротора или с магнитами в роторе.

В синхронных реактивных машинах достигается улучшение энергетических и удельных характеристик за счёт добавления в конструкцию ротора магнитов. При этом основной механизм создания усилия (крутящего момента) остаётся тем же самым, что и для синхронной реактивной машины без магнитов в роторе.

Известна синхронная реактивная машина по патенту US 5818140. В известной машине, содержащей статор с пазами и поперечно шихтованный ротор, установленный с зазором по отношению к статору, барьеры выходят к внешней окружности ротора, и их периферийные концы располагаются в так называемых шаговых точках на поверхности ротора. Шаговые точки расположены на равном расстоянии друг относительно друга. Среди шаговых точек могут быть виртуальные, не имеющие рёбер. Машина по патенту US 5818140 обеспечивает низкие пульсации момента. Однако в известной машине не достигается максимальная анизотропия ротора при данном числе барьеров для потока, что приводит к невысоким энергетическим характеристикам (КПД, коэффициент мощности, удельный момент).

Известен ротор синхронной реактивной машины по патенту US8638012, в которой уменьшают пульсации крутящего момента изменением геометрии барьеров для магнитного потока, выполненных в роторе. В качестве дополнительного построения используются опорные точки, расположенные на периметре, при этом угловой шаг между соседними опорными точками, расположенными между соседними осями q, одинаков для всей конструкции. Рёбра, расположенные на окружности ротора, находятся в шаговых точках, отстоящих от опорных на угловое расстояние до 2,5°. В известной машине не достигается достаточная анизотропия ротора, в результате энергетические характеристики (КПД, коэффициент мощности) невысоки.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является синхронная реактивная машина по патенту US 6239526, содержащая статор с зубцами и пазами и ротор, содержащий барьеры для магнитного потока, каждый из которых имеет первое и второе ребра, расположенные на противоположных концах барьера. В известной машине описывается определённый алгоритм расчёта шаговых точек, согласно которому, когда первый конец барьера для магнитного потока на роторе находится напротив паза статора, второй конец находится напротив зубца статора. Однако машина по патенту US 6239526 характеризуется заниженным значением анизотропии ротора при данном числе барьеров для магнитного потока и, как следствие, низким значением энергетических характеристик (КПД, коэффициент мощности) и низким значением удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность).

Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является улучшение энергетических характеристик машины (КПД, коэффициент мощности) и удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность) при данном количестве барьеров для магнитного потока.

Раскрытие изобретения

Указанная техническая проблема решена за счет того, что в синхронной реактивной машине, содержащей статор с обмоткой, уложенной в пазы статора, ротор, установленный с зазором по отношению к статору с возможностью вращения относительно него и содержащий чередующиеся в радиальном направлении магнитопроводящие слои и барьеры для магнитного потока, каждый барьер проходит между двумя периферийными концами, выходящими к окружной поверхности ротора, а угловое расстояние α₀ между соседними периферийными концами самых глубоких внутренних барьеров и угловое расстояние α_n между периферийными концами внешнего барьера, выраженные в электрических радианах, удовлетворяет неравенству:

Следует отметить, что в материалах настоящей заявки под барьером для магнитного потока понимается как непрерывный, так и прерывистый барьер для магнитного потока, проходящий между двумя периферийными концами. Иными словами, барьер может быть разделён одной магнитопроводящей перемычкой или более на два участка или более.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение коэффициента мощности и КПД (в том числе на пониженных нагрузках) с обеспечением при этом малых значений пульсаций момента, а также увеличение значений удельных характеристик (удельного момента и удельной мощности) при данном количестве барьеров для магнитного потока.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения среди угловых расстояний между соседними периферийными концами барьеров за исключением расстояния между периферийными концами внешнего барьера имеются такие, которые отличаются друг от друга более чем на 0,5 электрических градусов (эл. градусов).

В этом предпочтительном варианте, вследствие того, что различные периферийные концы барьеров выступают как независимые параметры оптимизации, обеспечено уменьшение пульсации момента за счёт подбора параметров конструкции, что способствует улучшению коэффициента мощности и КПД и удельных характеристик (удельного момента и удельной мощности), а также снижению пульсаций момента.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения угловое расстояние α₀ между соседними периферийными концами самых глубоких внутренних барьеров и угловое расстояние α_n между периферийными концами внешнего барьера, выраженные в электрических радианах, удовлетворяет неравенству:

В одном из предпочтительных вариантов осуществления зазор между участком поверхности внешнего магнитопроводящего слоя и статором увеличен по сравнению с другими участками зазора.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления зазор между участком поверхности внешнего магнитопроводящего слоя и статором увеличен на 15-400% по сравнению с другими участками зазора.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления угловой размер β участка увеличенного зазора между поверхностью внешнего магнитопроводящего слоя и статором составляет β<70 эл. градусов.

Наличие участка увеличенного зазора обеспечивает уменьшение рассеяния, вызываемого высшими гармониками статора и потока основной гармоники вдоль оси q и как следствие некоторое увеличение энергетических и удельных характеристик машины.

Если увеличение зазора ограничено сверху и составляет не более 400% по сравнению с другими участками зазора, то удаётся избежать заметного снижения потока основной гармоники вдоль оси d высокой магнитной проводимости. Кроме того, удаётся избежать ухудшения аэродинамических свойств ротора, которые могли бы привести к возрастанию вентиляционных потерь и снижению КПД машины.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления оба конца внешнего барьера выходят к окружной поверхности ротора, а угловое расстояние α_n между концами внешнего барьера выбрано таким, что 90 эл. градусов. ≤ α_n ≤ 120 эл. градусов.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления оба конца внешнего барьера выходят к окружной поверхности ротора, а угловое расстояние αn между концами внешнего барьера выбрано таким, что 100 эл. градусов. ≤ α_n ≤ 115 эл. градусов.

Нахождение α_n в указанных диапазонах значений обеспечивает при данном числе барьеров для магнитного потока увеличение их длины и, как следствие, их объёма. Объём материала магнитопровода ротора сокращается, что приводит к уменьшению массы ротора и уменьшению его момента инерции.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления число барьеров на полюс составляет 2.

Ещё в одном из предпочтительных вариантов осуществления число барьеров на полюс составляет 3.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления α₀ > 25 эл. градусов.

Ещё в одном из предпочтительных вариантов осуществления α₀ > 30 эл. градусов.

В различных предпочтительных вариантах осуществления число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2, α₀ = 20,7 эл. градуса, α₁ = 24,5 эл. градуса, α_n = 110,3 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 3, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, α₀ = 16,6 эл. градуса, α₁ = 16,4 эл. градуса, α₂ = 13,7 эл. градуса, α_n = 103,3 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, α₀ = 35,3 эл. градуса, α₁ = 15,1 эл. градуса, α_n = 114,4 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2,5, α₀ = 31,4 эл. градуса, α₁ = 19,1 эл. градуса, α_n = 110,5 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 1,5, α₀ = 23,0 эл. градуса, α₁ = 30,5 эл. градуса, α_n = 96,1 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3,5, α₀ = 29,7 эл. градуса, α₁ = 18,7 эл. градуса, α_n = 112,3 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 4, α₀ = 34,5 эл. градуса, α₁ = 20,1 эл. градуса, α_n = 104,8 эл. градуса.

В различных предпочтительных вариантах осуществления число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2, 18 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 24 эл. градусов, 21,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 27,5 эл. градусов, 107 эл. градусов ≤ α_n ≤ 113 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет n=3, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 13,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 19,5 эл. градусов, 13,5эл. градусов ≤ α₁ ≤ 19,5 эл. градусов, 11 эл. градусов ≤ α₂ ≤ 17, эл. градусов, 100 эл. градусов ≤ α_n ≤ 106 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 32 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 38 эл. градусов, 12 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 18 эл. градусов, 111,5 эл. градусов ≤ α_n ≤ 117,5 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2,5, 28 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 34 эл. градусов, 16 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 22 эл. градусов, 108 эл. градусов ≤ α_n ≤ 114 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 1,5, 20 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 26 эл. градусов, 26,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 33,5 эл. градусов, 94 эл. градусов ≤ α_n ≤ 103 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3,5, 27 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 33 эл. градусов, 16 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 22 эл. градусов, 109 эл. градусов ≤ α_n ≤ 115 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 4, 31,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 37,5 эл. градусов, 17 эл. градусов≤ α₁ ≤23 эл. градусов, 100 эл. градусов ≤ α_n ≤ 105 эл. градусов.

В различных предпочтительных вариантах осуществления число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2, 15 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 27 эл. градусов, 18,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 30,5 эл. градусов, 104 эл. градусов ≤ α_n ≤ 116 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет n=3, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 10,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 22,5 эл. градусов, 10,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 22,5 эл. градусов, 8 эл. градусов ≤ α₂ ≤ 20, эл. градусов, 97 эл. градусов ≤ α_n ≤ 109 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 29 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 41 эл. градусов, 9 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 21 эл. градусов, 108,5 эл. градусов ≤ α_n ≤ 120,5 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2,5, 25,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 37,5 эл. градусов, 11 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 25 эл. градусов, 104,5 эл. градусов ≤ α_n ≤ 116,5 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 1,5, 17 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 29 эл. градусов, 24,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 36,5 эл. градусов, 90 эл. градусов ≤ α_n ≤ 104 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3,5, 24 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 36 эл. градусов, 13 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 25 эл. градусов, 106 эл. градусов ≤ α_n ≤ 118 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 4, 28,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 40,5 эл. градусов, 14 эл. градусов≤ α₁ ≤26 эл. градусов, 99 эл. градусов ≤ α_n ≤ 111 эл. градусов.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления магнитопроводящие слои соединены внутренними и/или периферийными перемычками, причём периферийные перемычки отделяют периферийные концы барьеров от зазора.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления барьеры достигают зазора, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами дуг внешней окружности поперечной проекции ротора, разделяющих соседние в окружном направлении магнитопроводящие слои.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами участков периферийных перемычек, толщина которых в радиальном направлении является минимальной.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами участков периферийных перемычек, толщина которых в радиальном направлении отличается не более чем на 5% от минимальной толщины перемычки в радиальном направлении.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами участков периферийных перемычек, толщина которых в радиальном направлении отличается не более чем на 20% от минимальной толщины перемычки в радиальном направлении.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления по меньшей мере один барьер для магнитного потока содержит постоянный магнит или постоянные магниты.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления по меньшей мере один барьер для магнитного потока содержит беличью клетку.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления по меньшей мере один барьер для магнитного потока содержит беличью клетку и постоянный магнит или постоянные магниты.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение далее описано на примерах со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

на фиг. 1 показан ротор, установленный в полости статора, согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 2 показан ротор, изображённый на фиг. 1;

на фиг. 3 показан ротор согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 4 показан ротор, установленный в полости статора, согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 5 показан ротор, изображённый на фиг. 3;

на фиг. 6 показан ротор, установленный в полости статора, согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 7 показан ротор, изображённый на фиг. 5;

на фиг. 8 показан ротор, установленный в полости статора, согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 9 показан ротор, изображённый на фиг. 7;

на фиг. 10 показан ротор, установленный в полости статора, согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 11 показан ротор, изображённый на фиг. 9;

на фиг. 12 показан ротор, установленный в полости статора, согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 13 показан ротор, изображённый на фиг. 11;

на фиг. 14 показан ротор, установленный в полости статора, согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 15 показан ротор, изображённый на фиг. 13;

на фиг. 16 показан ротор согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 17 показан ротор согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 18 показан ротор согласно ещё одному из вариантов осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Варианты осуществления заявленной синхронной реактивной машины (СинРМ) направлены на повышение энергетических характеристик машины (КПД, коэффициент мощности) и удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность) при данном количестве барьеров для магнитного потока.

СинРМ в одном из вариантов осуществления содержит статор с обмоткой, уложенной в пазы статора, и ротор, установленный с зазором по отношению к статору с возможностью вращения относительно него. Обмотка статора может быть распределенной или сосредоточенной.

На фиг. 1 показана конструкция ротора 100, установленного на валу 3 в полости статора 200 с зазором по отношению к статору 200 с возможностью вращения, согласно одному из вариантов осуществления, а на фиг. 2 указанный ротор 100 показан отдельно. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, статор содержит пазы 20, в которые уложена обмотка статора (не показана). Ротор 100 представляет собой стальной цилиндр, набранный из листов с поперечной шихтовкой. Ротор 100 содержит чередующиеся в радиальном направлении магнитопроводящие слои 1, являющиеся слоями с высокой магнитной проницаемостью, и барьеры 8 и 9 для магнитного потока, являющиеся слоями с низкой магнитной проницаемостью. Ось d высокой магнитной проводимости обозначена номером позиции 4, ось q низкой магнитной проводимости обозначена номером позиции 5. Барьеры 8 и 9 для магнитного потока образованы вырубкой в листах продольных щелей, то есть являются воздушными полостями в магнитопроводящем материале. Барьеры 8 и 9 имеют вытянутую форму и проходят между двумя концами, выходящими к окружной поверхности ротора и называемыми периферийными концами. Целостность ротора обеспечивают тонкие перемычки, соединяющие магнитопроводящие слои 1. Перемычки, расположенные на окружности ротора, называются периферийными перемычками, остальные перемычки называются внутренними перемычками. Периферийные перемычки отделяют периферийные концы барьеров от зазора. Внутренние перемычки отделяют один участок барьера от другого участка этого же барьера.

Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 1 и 2, барьеры 8 и 9 имеют по два периферийных конца 13, отделённых от зазора периферийными перемычками 6, и не имеют внутренних перемычек.

Однако в других вариантах реализации ротора некоторые или все барьеры для магнитного потока могут быть выполнены из нескольких, например двух, участков, отделённых друг от друга внутренними перемычками, наличие которых увеличивает механическую прочность ротора. Например, на фиг. 3 показан вариант осуществления ротора, в котором барьер 8 разделён внутренней перемычкой 14 на участки 11, 12, каждый из которых ограничен периферийным концом 13 и внутренним концом 17. Также некоторые или все барьеры для магнитного потока могут быть разделены двумя внутренними перемычками или более соответственно на три участка или более. Например, если барьер разделён на три участка, то каждый из двух крайних участков ограничен периферийным концом и внутренним концом, а средний участок ограничен двумя внутренними концами.

В некоторых вариантах осуществления барьеры для магнитного потока достигают зазора, то есть между их периферийными концами и зазором отсутствуют перемычки.

В некоторых вариантах осуществления зазор между поверхностью внешнего магнитопроводящего слоя и статором является постоянным вдоль всей окружной поверхности ротора.

В некоторых вариантах осуществления ротор 100 содержит вырез 10, выполненный в районе оси q. Отступления формы ротора от цилиндрической увеличивают магнитную анизотропию и уменьшают рассеяние магнитного потока высших гармоник статора, в результате чего повышаются энергетические характеристики машины (КПД, коэффициент мощности) и увеличиваются значения удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность).

Ещё в одном варианте осуществления изобретения благодаря указанному вырезу 10 зазор между участком поверхности внешнего магнитопроводящего слоя в районе оси q и статором увеличен на 15-400%, предпочтительно на 15-200%, по сравнению с другими участками зазора. Небольшие величины отступления формы ротора от цилиндра сохраняют его высокие гидродинамические характеристики и, устраняя рассеяние магнитного потока и уменьшая магнитный поток оси q, лишь в малой степени препятствуют протеканию потока по оси d, что увеличивает магнитную анизотропию и, вследствие чего ещё в большей степени повышаются значения энергетических характеристик машины (КПД, коэффициент мощности) и увеличиваются значения удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность).

В одном из предпочтительных вариантов осуществления угловой размер β участка увеличенного зазора между поверхностью внешнего магнитопроводящего слоя и статором составляет β<70 эл. градусов.

Следует отметить, что, хотя в вышеупомянутых вариантах осуществления зазор между участком поверхности внешнего магнитопроводящего слоя в районе оси q и статором увеличен благодаря выполнению в роторе выреза в районе оси q, в других вариантах осуществления зазор может быть увеличен любым другим подходящим способом.

Согласно ещё одному варианту осуществления изобретения, барьеры 8 и 9 для магнитного потока достигают воздушного зазора. В этом случае целостность ротора может достигаться благодаря наличию по меньшей мере одной внутренней перемычки.

В различных вариантах осуществления в один или в несколько барьеров для магнитного потока установлен по меньшей мере один постоянный магнит 15, в частности редкоземельный магнит, алнико, феррит и т.п., как показано на фиг. 16 и 18. В некоторых вариантах осуществления постоянные магниты могут быть установлены во все барьеры для магнитного потока. В некоторых вариантах осуществления изобретения постоянные магниты занимают часть барьера для магнитного потока. В некоторых вариантах осуществления ротор имеет внутренние перемычки 14, разделяющие барьеры для магнитного потока с постоянными магнитами и обеспечивающие возможность более точной установки постоянных магнитов в барьеры для снижения дисбаланса ротора. Перемычки также обеспечивают механическую прочность ротора. Согласно ещё одному варианту осуществления изобретения, постоянные магниты могут полностью занимать один или некоторые из барьеров для магнитного потока. В других вариантах изобретения магниты могут быть точно позиционированы благодаря сужениям барьеров, препятствующим движению магнита.

В некоторых вариантах осуществления по меньший мере два барьера для магнитного потока содержат беличью клетку 16, как показано на фиг. 17, 18. В других вариантах осуществления барьеры для магнитного потока могут содержать и беличья клетку, и постоянный магнит или постоянные магниты.

Из фиг. 1 и 2 видно, что периферийные концы барьеров 8 и 9 для магнитного потока расположены вдоль окружной поверхности ротора в окружном направлении и характеризуются угловым расстоянием α_i между соседними периферийными концами. Так, на фиг. 1 и 2 угловое расстояние между соседними периферийными концами самых глубоких внутренних барьеров обозначено α₀, угловое расстояние между периферийным концом одного из самых глубоких внутренних барьеров 8 и соседним периферийным концом следующего в направлении вдоль окружной поверхности ротора к оси q барьера 9 обозначено α_1, а угловое расстояние между периферийными концами внешнего барьера обозначено α_2.

В общем случае примем для расстояния между соседними периферийными концами самых глубоких внутренних барьеров обозначение α₀, для расстояния между периферийными концами внешнего барьера - обозначение α_n, а для всех последовательных в окружном направлении расстояний между соседними периферийными концами от α₀ к α_n - соответственно обозначения α₁ … α_n-1.

Для повышения энергетических характеристик машины (КПД, коэффициент мощности) и удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность) при данном количестве барьеров для магнитного потока авторами была проведена оптимизация параметров ротора, в частности соотношения между угловыми расстояниями α₀ и α_n. Ниже использованы следующие параметры ротора: L_d, L_q - индуктивности вдоль осей d и q соответственно, I_d, I_q - токи, возбуждающие потоки осей d и q. При этом авторами были сделаны следующие допущения.

1. Воздушный зазор между ротором и статором однороден.

2. Магнитная индукция в зазоре пропорциональна разности магнитных потенциалов между магнитопроводящим слоем ротора и статором.

3. Вырезы в районе оси q отсутствуют, так как они относительно незначительно влияют на параметры синхронной реактивной машины.

4. Магнитный потенциал каждого магнитопроводящего слоя одинаков во всём магнитопроводящем слое и равен среднему значению магнитного потенциала участков статора, над которыми оказывается поверхность данного магнитопроводящего слоя, обращённая к статору.

4. Пренебрегают пазовым рассеянием, т.е. магнитными полями в пазах статора, и лобовым рассеянием, т.е. магнитными полями лобовых частей обмотки, поскольку они одновременно увеличивают и , и , не меняя разности этих величин. Также пренебрегают магнитными полями в барьерах для магнитного потока ротора, т.к. при правильном проектировании эти поля не вносят в работу двигателя существенного вклада.

5. Количество n выходов барьеров на участке окружности ротора, ограниченном соседними осями d и q (количество барьеров на полюс), равно 2.

Также приняты относительные единицы измерения величин L_d, L_q, такие что эти величины принимают значение 1 при отсутствии барьеров для магнитного потока. Кроме того, так как барьеры для магнитного потока не создают препятствий для протекания потока оси d, значение L_d принято равным 1 и при наличии барьеров для магнитного потока.

С учётом упомянутых допущений авторами была получена следующая формула для индуктивности L_q, обусловленной основной гармоникой магнитного поля:

, (1)

где α₀ - угловое расстояние между соседними периферийными концами самых глубоких внутренних барьеров, а α_n - угловое расстояние между периферийными концами внешнего барьера, выраженные в электрических радианах.

Добавочные барьеры и вырез вблизи оси q, препятствующие протеканию потока q, не увеличивают выражение L_q. Поэтому как оценка L_q сверху выражением (1) применимо и при n>2.

Момент на валу синхронной реактивной машины равен , поэтому при тех же токах, а значит, при тех же потерях в обмотке статора момент оказывается тем больше, чем меньше . Иными словами, уменьшение позволяет увеличить коэффициент мощности и КПД, а также значения удельных характеристик (удельного момента и удельной мощности) при данном количестве барьеров для магнитного потока.

Следует отметить, что, хотя изначально оценка выполнялась для числа барьеров между соседними осями d и q равного 2, добавление дополнительного барьера не увеличивает L_q. Поэтому указанное соотношение (1) является справедливым для синхронной реактивной машины с большим количеством барьеров, например с 3 барьерами или большим количеством барьеров.

Таким образом, при оптимизации параметров ротора авторами было получено следующее соотношение между угловыми расстояниями α₀ и α_n, при котором достигается увеличение коэффициента мощности и КПД (в том числе на пониженных нагрузках) с обеспечением при этом малых значений пульсаций момента, а также увеличение значений удельных характеристик (удельного момента и удельной мощности) при данном количестве барьеров для магнитного потока:

(2)

Ещё в одном предпочтительном варианте осуществления дополнительное увеличение коэффициента мощности и КПД (в том числе на пониженных нагрузках) с обеспечением при этом малых значений пульсаций момента, а также увеличение значений удельных характеристик (удельного момента и удельной мощности) при данном количестве барьеров для магнитного потока достигается при выполнении следующего соотношения:

. (3)

Ниже приведена таблица, в которой представлены примеры вариантов осуществления изобретения, полученные максимизацией КПД и коэффициента мощности и минимизацией пульсаций момента по математической модели на основe метода конечных элементов (МКЭ) среди множества вариантов, удовлетворяющих условию (3). В последней графе даны ссылки на чертежи, иллюстрирующие соответствующие варианты осуществления.

Число n барье-ров на полюс Число q зубцов
на полюс и фазу α_0, элек-тричес-ких градусов α₁, элек-тричес-ких градусов α₂, элек-тричес-ких градусов α_n, элек-тричес-ких градусов L_q
в (1) Пульсации
момента,
среднеквадратичное значение в % от среднего Фиг. 2 2 20,7 24,5 110,3 0,030 3,3 1;2;3;4;5 3 3 16,6 16,4 13,7 103,3 0,029 3,5 6;7 2 3 35,3 15,1 114,4 0,038 2 8;9 2 2,5 31,4 19,1 110,5 0,032 1,4 10;11 2 1,5 23 30,5 96,1 0,027 1,8 12,13 2 3,5 29,7 18,7 112,3 0,033 1,6 14,15 2 4 34,5 20,1 104,8 0,031 1,7

Предпочтительно выполнение обмоток без укорочения шага (включая концентрические, в этом случае речь идёт о среднем шаге) или с укорочением шага.

Допускается выполнение выреза, который может сместить оптимальные значения углов α₀ и α_n на величину до 4 эл. градусов. Такое смещение возможно и вследствие конструкции конкретной машины.

Далее оценены предпочтительные диапазоны значений α_i для сочетаний числа барьеров и числа зубцов на полюс и фазу, представленных в таблице.

В различных предпочтительных вариантах осуществления число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2, 18 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 24 эл. градусов, 21,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 27,5 эл. градусов, 107 эл. градусов ≤ α_n ≤ 113 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет n=3, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 13,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 19,5 эл. градусов, 13,5эл. градусов ≤ α₁ ≤ 19,5 эл. градусов, 11 эл. градусов ≤ α₂ ≤ 17, эл. градусов, 100 эл. градусов ≤ α_n ≤ 106 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 32 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 38 эл. градусов, 12 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 18 эл. градусов, 111,5 эл. градусов ≤ α_n ≤ 117,5 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2,5, 28 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 34 эл. градусов, 16 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 22 эл. градусов, 108 эл. градусов ≤ α_n ≤ 114 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 1,5, 20 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 26 эл. градусов, 26,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 33,5 эл. градусов, 94 эл. градусов ≤ α_n ≤ 103 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3,5, 27 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 33 эл. градусов, 16 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 22 эл. градусов, 109 эл. градусов ≤ α_n ≤ 115 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 4, 31,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 37,5 эл. градусов, 17 эл. градусов≤ α₁ ≤23 эл. градусов, 100 эл. градусов ≤ α_n ≤ 105 эл. градусов.

В различных предпочтительных вариантах осуществления число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2, 15 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 27 эл. градусов, 18,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 30,5 эл. градусов, 104 эл. градусов ≤ α_n ≤ 116 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет n=3, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 10,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 22,5 эл. градусов, 10,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 22,5 эл. градусов, 8 эл. градусов ≤ α₂ ≤ 20, эл. градусов, 97 эл. градусов ≤ α_n ≤ 109 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 29 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 41 эл. градусов, 9 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 21 эл. градусов, 108,5 эл. градусов ≤ α_n ≤ 120,5 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2,5, 25,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 37,5 эл. градусов, 11 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 25 эл. градусов, 104,5 эл. градусов ≤ α_n ≤ 116,5 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 1,5, 17 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 29 эл. градусов, 24,5 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 36,5 эл. градусов, 90 эл. градусов ≤ α_n ≤ 104 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3,5, 24 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 36 эл. градусов, 13 эл. градусов ≤ α₁ ≤ 25 эл. градусов, 106 эл. градусов ≤ α_n ≤ 118 эл. градусов;

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 4, 28,5 эл. градусов ≤ α₀ ≤ 40,5 эл. градусов, 14 эл. градусов≤ α₁ ≤26 эл. градусов, 99 эл. градусов ≤ α_n ≤ 111 эл. градусов.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления выполняются следующие соотношения: α₀ > 25 эл. градусов, предпочтительно α₀ > 30 эл. градусов. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления выполняются следующие соотношения: α₀ > 25 эл. градусов, предпочтительно α₀ > 30 эл. градусов, 90 эл. градусов. ≤ α_n ≤ 120 эл. градусов, предпочтительно 100 эл. градусов. ≤ α_n ≤ 115 эл. градусов. Патент US 5818140 A определяет грубо шаг между положениями выхода барьеров к окружной поверхности ротора, число барьеров не может быть произвольным. Также известно, что часть барьеров может отсутствовать. Данные же реализации изобретения определяют участки поверхности ротора, которым не соответствуют барьеры, т.е. где выходы барьеров к окружной поверхности ротора могут отсутствовать. В результате сокращается число барьеров и себестоимость изготовления двигателя. Кроме того, уменьшается деградация стали при формировании барьеров. Более того, поскольку сектора между соседними периферийными концами самых глубоких внутренних барьеров образуют несущую конструкцию ротора, ограничение снизу на α₀ увеличивает прочность и надёжность конструкции ротора. Кроме того, именно на участках поверхности ротора вблизи оси d в основном сосредоточены радиальное усилие и вращательный момент. Поэтому увеличение цельного участка, не содержащего барьеров, вблизи оси d ещё более способствует надёжности конструкции.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения среди угловых расстояний между соседними периферийными концами барьеров за исключением расстояния между периферийными концами внешнего барьера имеются такие, которые отличаются друг от друга более, чем на 0,5 эл. градусов.

В этом предпочтительном варианте вследствие того, что различные периферийные концы барьеров выступают как независимые параметры оптимизации, обеспечено уменьшение пульсации момента за счёт подбора параметров конструкции, что способствует улучшению энергетических и удельных характеристик (удельного момента и удельной мощности).

Угловые расстояния α_i могут быть заданы различными способами.

В одном из вариантов осуществления барьеры для магнитного потока достигают зазора, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами дуг внешней окружности поперечной проекции ротора, разделяющих соседние в окружном направлении магнитопроводящие слои.

Ещё в одном варианте осуществления периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами участков периферийных перемычек, толщина которых в радиальном направлении является минимальной.

Ещё в одном варианте осуществления периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами участков периферийных перемычек, толщина которых в радиальном направлении отличается не более чем на 5% от минимальной толщины перемычки в радиальном направлении или отличается не более чем на 20% от минимальной толщины перемычки в радиальном направлении.

В других вариантах осуществления изобретения угловые расстояния могут быть заданы и другими подходящими способами.

Синхронная реактивная машина по различным вариантам осуществления работает следующим образом. Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре. Крутящий момент создается, вследствие того, что ротор стремится установить свою ось d высокой магнитной проницаемости относительно поля так, чтобы минимизировать магнитное сопротивление в магнитной цепи.

Следует отметить, что в настоящем описании представление свойств или признаков синхронной реактивной машины в отношении участка дуги ротора и/или области оси d и/или q означает распространение указанных свойств или признаков на все аналогичные участки дуг ротора и/или области осей d и/или q.

Вышеописанные варианты осуществления настоящего изобретения приведены в качестве неограничительных примеров и не должны трактоваться как ограничивающие объём настоящего изобретения, который определяется только формулой изобретения.

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к синхронным реактивным машинам, и может быть использовано в электрических приводах машин и механизмов, а также в генераторах электрической энергии. Технический результат – увеличение коэффициента мощности и КПД (в том числе на пониженных нагрузках) с обеспечением при этом малых значений пульсаций момента, а также увеличение значений удельных характеристик (удельного момента и удельной мощности) при данном количестве барьеров для магнитного потока. Синхронная реактивная машина содержит статор с обмоткой, уложенной в пазы статора, ротор, установленный с зазором по отношению к статору с возможностью вращения относительно него и содержащий чередующиеся в радиальном направлении магнитопроводящие слои и барьеры для магнитного потока. Каждый барьер проходит между двумя периферийными концами, выходящими к окружной поверхности ротора, а угловое расстояние α₀ между соседними периферийными концами самых глубоких внутренних барьеров и угловое расстояние α_n между периферийными концами внешнего барьера, выраженные в электрических радианах, удовлетворяют неравенству: . 22 з.п. ф-лы, 18 ил.

1.Синхронная реактивная машина,

содержащая

статор с обмоткой, уложенной в пазы статора,

ротор, установленный с зазором по отношению к статору с возможностью вращения относительно него и содержащий чередующиеся в радиальном направлении магнитопроводящие слои и барьеры для магнитного потока,

причем

каждый барьер проходит между двумя периферийными концами, выходящими к окружной поверхности ротора, а угловое расстояние α₀ между соседними периферийными концами самых глубоких внутренних барьеров и угловое расстояние α_n между периферийными концами внешнего барьера, выраженные в электрических радианах, удовлетворяют неравенству:

.

2. Машина по п. 1, в которой среди угловых расстояний между соседними периферийными концами барьеров за исключением расстояния между периферийными концами внешнего барьера имеются такие, которые отличаются друг от друга более чем на 0,5 эл. градусов.

3. Машина по п. 1 или 2, в которой угловое расстояние α₀ между соседними периферийными концами самых глубоких внутренних барьеров и угловое расстояние α_n между периферийными концами внешнего барьера, выраженные в электрических радианах, удовлетворяют неравенству:

4. Машина по любому из пп. 1-3, в которой зазор между участком поверхности внешнего магнитопроводящего слоя и статором увеличен по сравнению с другими участками зазора.

5. Машина по п. 4, в которой зазор между участком поверхности внешнего магнитопроводящего слоя и статором увеличен на 15-400% по сравнению с другими участками зазора.

6. Машина по п. 4 или 5, в которой угловой размер β участка увеличенного зазора между поверхностью внешнего магнитопроводящего слоя и статором составляет β<70 эл. градусов.

7. Машина по п. 1-6, в которой оба конца внешнего барьера выходят к окружной поверхности ротора, а угловое расстояние α_n между концами внешнего барьера выбрано таким, что 90 эл. градусов ≤α_n≤120 эл. градусов.

8. Машина по п. 7, в которой оба конца внешнего барьера выходят к окружной поверхности ротора, а угловое расстояние α_n между концами внешнего барьера выбрано таким, что 100 эл. градусов ≤α_n≤115 эл. градусов.

9. Машина по любому из пп. 1-8, в которой число барьеров на полюс составляет 2.

10. Машина по любому из пп. 1-8, в которой число барьеров на полюс составляет 3.

11. Машина по любому из пп. 1-10, в которой α₀>25 эл. градусов.

12. Машина по п. 11, в которой α₀>30 эл. градусов.

13. Машина по любому из пп. 1-7, в которой

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2, α₀=20,7 эл. градуса, α₁=24,5 эл. градуса, α_n=110,3 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 3, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, α₀=16,6 эл. градуса, α₁=16,4 эл. градуса, α₂=13,7 эл. градуса, α_n=103,3 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, α₀=35,3 эл. градуса, α₁=15,1 эл. градуса, α_n=114,4 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2,5, α₀=31,4 эл. градуса, α₁=19,1 эл. градуса, α_n=110,5 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 1,5, α₀=23,0 эл. градуса, α₁=30,5 эл. градуса, α_n=96,1 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3,5, α₀=29,7 эл. градуса, α₁=18,7 эл. градуса, α_n=112,3 эл. градуса, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 4, α₀=34,5 эл. градуса, α₁=20,1 эл. градуса, α_n=104,8 эл. градуса.

14. Машина по любому из пп. 1-7, в которой

число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2, 18 эл. градусов≤α₀≤24 эл. градусов, 21,5 эл. градусов≤α₁≤27,5 эл. градусов, 107 эл. градусов≤α_n≤113 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет n=3, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 13,5 эл. градусов≤α₀≤19,5 эл. градусов, 13,5 эл. градусов≤α₁≤19,5 эл. градусов, 11 эл. градусов≤α₂≤17 эл. градусов, 100 эл. градусов≤α_n≤106 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 32 эл. градусов≤α₀≤38 эл. градусов, 12 эл. градусов≤α₁≤18 эл. градусов, 111,5 эл. градусов≤α_n≤117,5 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2,5, 28 эл. градусов≤α₀≤34 эл. градусов, 16 эл. градусов≤α₁≤22 эл. градусов, 108 эл. градусов≤α_n≤114 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 1,5, 20 эл. градусов≤α₀≤26 эл. градусов, 26,5 эл. градусов≤α₁≤33,5 эл. градусов, 94 эл. градусов≤α_n≤103 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3,5, 27 эл. градусов≤α₀≤33 эл. градусов, 16 эл. градусов≤α₁≤22 эл. градусов, 109 эл. градусов≤α_n≤115 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 4, 31,5 эл. градусов≤α₀≤37,5 эл. градусов, 17 эл. градусов≤α₁≤23 эл. градусов, 100 эл. градусов≤α_n≤105 эл. градусов.

15. Машина по любому из пп. 1-7, в которой

число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2, 15 эл. градусов≤α₀≤27 эл. градусов, 18,5 эл. градусов≤α₁≤30,5 эл. градусов, 104 эл. градусов≤α_n≤116 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет n=3, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 10,5 эл. градусов≤α₀≤22,5 эл. градусов, 10,5 эл. градусов≤α₁≤22,5 эл. градусов, 8 эл. градусов≤α₂≤20 эл. градусов, 97 эл. градусов≤α_n≤109 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет n=2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3, 29 эл. градусов≤α₀≤41 эл. градусов, 9 эл. градусов≤α₁≤21 эл. градусов, 108,5 эл. градусов≤α_n≤120,5 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 2,5, 25,5 эл. градусов≤α₀≤37,5 эл. градусов, 11 эл. градусов≤α₁≤25 эл. градусов, 104,5 эл. градусов≤α_n≤116,5 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 1,5, 17 эл. градусов≤α₀≤29 эл. градусов, 24,5 эл. градусов≤α₁≤36,5 эл. градусов, 90 эл. градусов≤α_n≤104 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 3,5, 24 эл. градусов≤α₀≤36 эл. градусов, 13 эл. градусов≤α₁≤25 эл. градусов, 106 эл. градусов≤α_n≤118 эл. градусов, или

число барьеров на полюс составляет 2, число зубцов на полюс и фазу составляет 4, 28,5 эл. градусов≤α₀≤40,5 эл. градусов, 14 эл. градусов≤α₁≤26 эл. градусов, 99 эл. градусов≤α_n≤111 эл. градусов.

16. Машина по любому из пп. 1-15, в которой магнитопроводящие слои соединены внутренними и/или периферийными перемычками, причем периферийные перемычки отделяют периферийные концы барьеров от зазора.

17. Машина по любому из пп. 1-15, в которой барьеры достигают зазора, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами дуг внешней окружности поперечной проекции ротора, разделяющих соседние в окружном направлении магнитопроводящие слои.

18. Машина по любому из пп. 1-15, в которой периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами участков периферийных перемычек, толщина которых в радиальном направлении является минимальной.

19. Машина по любому из пп. 1-15, в которой периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами участков периферийных перемычек, толщина которых в радиальном направлении отличается не более чем на 5% от минимальной толщины перемычки в радиальном направлении.

20. Машина по любому из пп. 1-15, в которой периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а за угловые расстояния между соседними периферийными концами барьеров приняты угловые расстояния между серединами участков периферийных перемычек, толщина которых в радиальном направлении отличается не более чем на 20% от минимальной толщины перемычки в радиальном направлении.

21. Машина по любому из пп. 1-20, по меньшей мере один барьер для магнитного потока которой содержит постоянный магнит или постоянные магниты.

22. Машина по любому из пп. 1-20, по меньшей мере один барьер для магнитного потока которой содержит беличью клетку.

23. Машина по любому из пп. 1-20, по меньшей мере один барьер для магнитного потока которой содержит беличью клетку и постоянный магнит или постоянные магниты.