ВЫСОКООБОРОТНАЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2022 года по МПК H02K19/06 H02K1/22 H02K1/14 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции высокоскоростных вентильно-индукторных электрических машин, и может быть использовано при разработке различных приводов высокооборотных электрических машин. К конструкции высокооборотных вентильно-индукторных электрических машин предъявляются особенно жесткие требования по энергоэффективности и надежности конструкции. Энергоэффективность конструкции высокооборотных вентильно-индукторных электрических машин во многом зависит от минимизации потерь, возникающих в магнитной системе электрической машины, и тепловых потерь, возникающих в катушках возбуждения. Также, энергоэффективная конструкция высокооборотных вентильно-индукторных электрических машин должна иметь гладкий цилиндрический ротор для уменьшения аэродинамических потерь, возникающих при вращении ротора в расточке статора.

Известна высокооборотная вентильно-индукторная машина (Design of Ultrahigh-Speed Switched Reluctance Machines. By Cheng Gong and Thomas Habetler Submitted: January 28th 2019 Reviewed: November 13th 2019 Published: September 9th 2020. DOI: 10.5772/intechopen.90485), которая содержит статор, состоящий из магнитопровода статора с четырьмя явновыраженными полюсами клиновидной формы с расположенными на них катушками возбуждения и неявнополюсного ротора. Ротор выполнен из активного пакета ротора и зажимного вала. Зажимной вал представляет собой трубу с тонкой стенкой, выполненной из титана или углеродного волокна. Активный пакет ротора выполнен из пластин стали и установлен внутри зажимного вала. Пакет ротора имеет лабрисообразную форму и удерживается в зажимном валу с помощью двух «зажимных рычагов», имеющих каплеобразную форму и выполненных из немагнитных материалов.

К недостаткам высокочастотной вентильно-индукторной машины можно отнести то, что для обеспечения высокой надежности работы активный пакет ротора машины установлен в зажимной вал из титана или углеродного волокна. Использование зажимного вала увеличивает величину воздушного зазора между статором и активным пакетом ротора машины, что ухудшает энергетические характеристики машины.

Прототипом изобретения принимается высокочастотная вентильно-индукторная машина высокой мощности (патент US 9742243B2), имеющая магнитопровод статора с несколькими явновыраженными полюсами и установленными на них катушками возбуждения статора, а также имеющая явнополюсный ротор, содержащий несколько проходящих в радиальном направлении полюсов ротора. Пространство межполюсного расстояния между полюсами ротора заполнено наполнителем, выполненным из немагнитного материала, в качестве которого могут быть использованы или специальные пластмассы, или композитные материалы с углеродным волокном. Крепление наполнителя в межполюсном пространстве ротора выполняется за счет зубьев ротора, выступающих на боковой поверхности полюсов.

К недостаткам высокочастотной вентильно-индукторной машины высокой мощности можно отнести недостаточную надежность конструкции ротора при высокой скорости вращения. Низкая надежность конструкции ротора обусловлена способом крепления наполнителя в межполюсном пространстве на внешней поверхности ротора. При высоких центробежных силах и высокой температуре, свойственных рабочим режимам роботы вентильно-индукторной электрической машины высокой мощности, корпус ротора и наполнитель в межполюсном пространстве будут испытывать повышенные механические деформации, в результате которых будет происходить потеря прочности крепления наполнителя в межполюсном пространстве ротора. Потеря прочности крепления наполнителя приведет к выходу ротора из строя, а на высоких скоростях вращения - к возможному выходу из строя всей вентильно-индукторной электрической машины высокой мощности.

Задачей изобретения является разработка высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины с высокими показателями энергетической эффективности и надежности.

Техническим результатом изобретения является разработка высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины, обладающей высокими характеристиками энергетической эффективности за счет значительной разницы в магнитных сопротивлениях ротора по различным радиальным направлениям и за счет обеспечения близкой к линейной характеристики потокосцепления в катушках возбуждения, подключенных к фазе электрической машины, а также имеющую высокую надежность за счет распределения немагнитного и непроводящего электрический ток материала в нескольких зонах межполюсного пространства ротора таким образом, чтобы вокруг немагнитного и не проводящего электрический ток материала находился прочный магнитопроводящий материал ротора, толщина которого достаточна для обеспечения минимизации деформации ротора от воздействия центробежных сил при его вращении.

Технический результат изобретения достигается с помощью высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины, содержащей статор, состоящий из магнитопровода статора с шестью явновыраженными полюсами с расположенными на них катушками возбуждения статора, вал, на который установлен неявнополюсный ротор, в четырех межполюсных зонах неявнополюсного ротора выполнены одинаковые по размеру продольные сквозные отверстия, поперечное сечение которых представляет собой окружность и которые расположены в два слоя, причем продольные сквозные отверстия, расположенные в одном слое, равноудалены от оси вращения неявнополюсного ротора и количество отверстий в ближайшем к оси вращения неявнополюсного ротора слое меньше на единицу, чем количество сквозных продольных отверстий в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора слое, расстояния между соседними отверстиями, расположенными в одном слое и в одной межполюсной зоне, одинаковы, а ширина явновыраженного полюса статора больше расстояния между межполюсными зонами неявнополюсного ротора.

На фиг. 1 показан эскиз поперечного разреза магнитной системы высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины. На фиг. 2 показан разрез неявнополюсного ротора электрической машины. На фиг. 3 показан эскиз межполюсного пространства ротора высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины с относительными размерами. На фиг. 4 показано распределение индукции магнитного поля в магнитопроводе статора и роторе высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины при согласованном положении ротора и статора. На фиг. 5 показано распределение индукции магнитного поля в магнитопроводе статора и роторе высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины при смещении ротора на 30° относительно согласованного положении ротора и статора. На фиг. 6 показано изменение значения потокосцепления в катушке возбуждения статора при изменении углового положения ротора. На фиг. 7 показано изменение значения электромеханического момента в роторе при изменении углового положения ротора при подаче тока в катушки возбуждения одной фазы высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины. На фиг. 8 показано изменение значения электромеханического момента в роторе высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины за промежуток времени равный 90 электрических градусов в рабочем режиме работы высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины.

Высокооборотная вентильно-индукторная электрическая машина содержит статор (на фиг. не обозначен), состоящий из магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) с шестью явновыраженными полюсами и соединяющим их ярмом статора (на фиг. не обозначен). Магнитопровод 1 статора (на фиг. не обозначен) выполнен из магнитопроводящего материала (например, из электротехнической стали). На явновыраженных полюсах магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) расположены катушки возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен). Явновыраженные полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) с расположенными на них катушками возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) идентичны и расположены симметрично относительно трех осей симметрии (FF1, FF2, FF3), проходящих через центр расточки статора и повернутых относительно друг друга на 120°. Катушки возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен), расположенные на двух диаметрально противоположных явновыраженных полюсах магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен), электрически соединяются последовательно и подключаются к одной из фаз высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины. К каждой из фаз вентильно-индукторной электрической машины подключаются только две катушки возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен), причем высокооборотная вентильно-индукторная электрическая машина обладает тремя фазами. Фазы электрически независимы друг от друга.

Ширина А явновыраженного полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) определяется как:

где: Rст - радиус внутренней расточки магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен).

Также высокооборотная вентильно-индукторная электрическая машина содержит неявнополюсный ротор 3 из магнитопроводящего материала (например, из электротехнической стали), выполненный в виде шихтованной или нешихтованной цилиндрической детали и установленный на вал 4. Поперечное сечение неявнополюсного ротора 3 имеет радиус равный R, величина которого выбирается такой, чтобы при установке неявнополюсного ротора 3 в расточку магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) между внешней поверхностью неявнополюсного ротора 3 и внутренней поверхностью полюсов магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) возникал воздушный зазор δ, размер которого должен быть от 2 до 0,5 мм в зависимости от мощности высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины и точности изготовления элементов высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины. Величина радиуса R неявнополюсного ротора 3 определяется как:

R=Rст - δ,

где: Rст - радиус внутренней расточки магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен);

δ - величина воздушного зазора.

У неявнополюсного ротора 3, выполненного в виде шихтованной или нешихтованной цилиндрической детали, есть четыре межполюсные зоны 5 с выполненными сквозными продольными отверстиями О в торце неявнополюсного ротора 3 и заполненными немагнитным и непроводящим электрический ток материалом (например, пластиками или композитными материалами на основе пластиков). Четыре межполюсные зоны 5 неявнополюсного ротора 3 идентичны и расположены симметрично относительно двух перпендикулярных друг другу осей симметрии (Fl, F2), проходящих через ось вращения неявнополюсного ротора 3. Расстояние В между межполюсными зонами 5 неявнополюсного ротора 3 определяется как:

где: R - радиус неявнополюсного ротора 3.

Минимальное расстояние В между межполюсными зонами 5 неявнополюсного ротора 3 не должно превышать 0,87 ⋅ А. Высота Н межполюсных зон 5 неявнополюсного ротора 3 должна быть равной 20÷30 размера воздушного зазора δ, не должна превышать 0,3 ⋅ R.

Продольные сквозные отверстия О, поперечное сечение которых представляет собой окружность, выполняются в межполюсных зонах 5 в два слоя. Расстояние V между поверхностью неявнополюсного ротора 3 и сквозными отверстиями О в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое сквозных продольных отверстий О выбирается достаточной для обеспечения минимизации деформации ротора от воздействия центробежных сил при его вращении и определяется прочностью материала, из которого выполнен неявнополюсный ротор 3, и не должно превышать 0,3 ⋅ Н.

Сквозные продольные отверстия О имеют одинаковый радиус R1, равный:

R1=(H-V) ⋅ 0.225

где: Н - высота межполюсных зон 5 неявнополюсного ротора 3;

V - расстояние между поверхностью неявнополюсного ротора 3 и сквозными отверстиями О в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое.

В ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое сквозных отверстий О расстояние R2 между центрами отверстий О и осью вращения неявнополюсного ротора 3 составляет:

R2=R - (V+R1),

где: R - радиус неявнополюсного ротора 3;

V - расстояние между поверхностью неявнополюсного ротора 3 и сквозными отверстиями О в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое;

R1 - радиус продольных сквозных отверстий О.

Количество N сквозных продольных отверстий О в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое определяется как результат округления в меньшую сторону выражения:

где: В - минимальное расстояние между межполюсными зонами 5 неявнополюсного ротора 3;

R1 - радиус продольных сквозных отверстий О;

R2 - расстояние между центрами отверстий О и осью вращения неявнополюсного ротора 3 в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое сквозных отверстий О.

Количество N сквозных продольных отверстий О в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое не может быть меньше 2. Расстояние W между сквозными отверстиями О в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое сквозных продольных отверстий О, расположенных в межполюсной зоне 5 неявнополюсного ротора 3, определяется как:

где: R2 - расстояние между центрами отверстий О и осью вращения неявнополюсного ротора 3 в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое сквозных отверстий О;

В - расстояние между межполюсными зонами 5 неявнополюсного ротора 3;

R1 - радиус продольных сквозных отверстий О;

N - количество сквозных продольных отверстий О в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое.

Количество сквозных продольных отверстий О в ближайшем к оси вращения неявнополюсного ротора 3 слое равно N-1. Расстояние D между центрами сквозных отверстий О в ближайшем к оси вращения неявнополюсного ротора 3 слое остается постоянным и определяется как:

D=2 ⋅ R1+0,5 ⋅ W.

где: R1 - радиус продольных сквозных отверстий О;

W - расстояние между сквозными отверстиями О в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое сквозных продольных отверстий О.

Расстояние R3 между осью вращения неявнополюсного ротора 3 и центрами сквозных продольных отверстий О, расположенных в ближайшем к оси вращения неявнополюсного ротора 3 слое, определяется как:

где: R2 - расстояние между центрами отверстий О и осью вращения неявнополюсного ротора 3 в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое сквозных отверстий О;

D - расстояние между центрами сквозных отверстий О в ближайшем к оси вращения неявнополюсного ротора 3 слое;

W - расстояние между сквозными отверстиями О в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое сквозных продольных отверстий О;

R1 - радиус продольных сквозных отверстий О.

Центры сквозных продольных отверстий О, расположенных в ближайшем к оси вращения неявнополюсного ротора 3 слое, расположены на оси, проходящей через ось вращения неявнополюсного ротора 3 и через точки, равноудаленные от центров ближайших продольных отверстий О, расположенных в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора 3 слое.

Рассмотрим работу высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины. При подаче тока в катушки возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) одной из фаз высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины в магнитопроводе 1 статора (на фиг. не обозначен) возникает магнитный поток, направление которого определяется токами в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен). Ток в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) каждой из фаз управляется независимо от других фаз. Магнитный поток протекает через явновыраженный полюс магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен), воздушный зазор δ между внешней поверхностью неявнополюсного ротора 3 и внутренней поверхностью полюсов магнитопровода 1 статора и неявнополюсный ротор 3 в радиальном направлении, а после этого пересекает воздушный зазор δ и второй явновыраженный полюс магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) и замыкается по ярму магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен). При протекании магнитного потока в магнитопроводе 1 статора (на фиг. 1) в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен), подключенных к фазе, в которую подается электрический ток, возникает потокосцепление Ψ. Величина потокосцепления Ψ будет зависеть от величины тока фазы, магнитного сопротивления магнитопровода статора 1 (на фиг. не обозначен), магнитного сопротивления воздушного зазора δ и магнитного сопротивления неявнополюсного ротора 3.

Магнитное сопротивление неявнополюсного ротора 3 будет изменяться в различных радиальных направлениях. Эти изменения вызваны наличием сквозных продольных отверстий О, заполненных немагнитным и непроводящим электрический ток материалом (например, пластиками или композитными материалами на основе пластиков) и находящихся в межполюсных зонах 5 неявнополюсного ротора 3, и их взаимным расположением в межполюсных зонах 5 неявнополюсного ротора 3. Магнитное сопротивление неявнополюсного ротора 3 в различных радиальных направлениях будет изменяться в 6 и более раз. Магнитное сопротивление неявнополюсного ротора 3 будет иметь 2 угловых направления, совпадающих с осями симметрии F1 и F2, в которых магнитное сопротивление неявнополюсного ротора 3 будет иметь минимальное значение, и два направления, смещенных на 45 электрических градусов относительно осей симметрии F1 и F2, в которых магнитное сопротивление будет иметь максимальное значение. Угловое смещение неявнополюсного ротора 3 относительно явновыраженных полюсов магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) может изменяться от одного несогласованного положения, когда угол между осями симметрии F1 или F2 неявнополюсного ротора 3 и осями симметрии FF1, FF2 или FF3 магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) будет составлять -45 электрических градусов до второго несогласованного положения, когда угол между осями симметрии F1 или F2 неявнополюсного ротора 3 и осями симметрии FF1, FF2 или FF3 магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) будет составлять 45 электрических градусов. За счет изменения магнитного сопротивления неявнополюсного ротора 3 при вращении неявнополюсного ротора 3 в расточке магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен), в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен), подключенных к фазе, в которую подается ток, будет изменяться потокосцепление Ψ. Минимальное значение потокосцепления Ψ в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен), подключенных к фазе, в которую подается ток, будет наблюдаться тогда, когда неявнополюсный ротор будет находиться в первом или втором несогласованном положении. Максимальное значение потокосцепления *Р в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен), подключенных к фазе, в которую подается ток, будет тогда, когда неявнополюсный ротор будет находиться в согласованном положении, при котором угол между осями симметрии F1 или F2 неявнополюсного ротора 3 и осями симметрии FF1, FF2 или FF3 магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) будет составлять 0 электрических градусов. За счет изменения магнитного сопротивления неявнополюсного ротора 3 в широких диапазонах значений изменение потокосцепления Ψ в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен), подключенных к фазе, в которую подается ток, также будет иметь значительную разницу в значениях в зависимости от угла поворота неявнополюсного ротора 3. При повороте неявнополюсного ротора 3 из первого несогласованного положения в согласованное положение, потокосцепление Ψ в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) в диапазоне углов поворота aa-bb (показано на фиг. 6) будет минимальным и постоянным, в диапазоне углов поворота bb-cc - возрастать (показано на фиг. 6) и в диапазоне cc-dd - будет максимальным и оставаться близким к постоянному (показано на фиг. 6). За счет расположения продольных сквозных отверстий О в неявнополюсном роторе 3, отношения ширины А явновыраженного полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) и расстояния В между межполюсными зонами 5 неявнополюсного ротора 3, диапазон углов поворота bb-cc (показано на фиг. 6) будет занимать большую часть углового перемещения, из несогласованного положения в согласованное, более 30 электрических градусов и при этом скорость изменения потокосцепления Ψ в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) в диапазоне углов поворота bb-cc (показано на фиг. 6) будет близкой к постоянной. При переходе из согласованного положения во второе несогласованное положение процесс изменения потокосцепления Ψ в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) будет изменяться в обратной последовательности, при этом длительность диапазона спада потокосцепления Ψ хх-уу будет совпадать с длиной диапазона bb-cc (показано на фиг. 6), а скорость спада потокосцепления Ψ будет совпадать со скоростью нарастания потокосцепления Ψ в диапазоне углов поворота bb-cc (показано на фиг. 6). За счет изменения величины потокосцепления Ч* катушек возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) в неявнополюсном роторе 3 возникает электромагнитный момент, величина которого в диапазонах угловых перемещений bb-cc (показано на фиг. 7) и за счет близкой к постоянной скорости изменения величины потокосцепления Ч* катушек возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) не будет иметь резких изменений (показано на фиг. 7).

Высокооборотная вентильно-индукторная электрическая машина может работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Управление токами, подающимися в фазы высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины, будет осуществляться независимо как в генераторном, так и в двигательном режиме работы. Подача тока в каждую фазу будет осуществляться в течение 12 промежутков за период обращения неявнополюсного ротора 3 в расточке магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан).

В двигательном режиме работы высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины подача тока в фазу высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины будет осуществляться тогда, когда угловое перемещение неявнополюсного ротора 3 относительно явновыраженного полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан) будет находиться в промежутке bb-cc (показано на фиг. 6). Длительность промежутков, в течение которых выполняется подача тока в фазу, будет составлять 30 электрических градусов. Электромеханический момент на неявнополюсном роторе 3 и валу 4, на котором установлен неявнополюсный ротор 3, будет равен сумме электромагнитных моментов, возникающих в неявнополюсном роторе 3 под воздействием токов, протекающих в каждой из фаз (показано на фиг. 8) высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины.

В генераторном режиме работы высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины подача тока в фазу высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины будет осуществляться тогда, когда угловое перемещение неявнополюсного ротора 3 относительно явновыраженного полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан) будет находиться в промежутке хх-уу (показано на фиг. 6). Подача тока на катушки возбуждения 2 магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан) будет осуществляться на протяжении 30 электрических градусов.

В двигательном режиме работы высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины технический результат изобретения достигается за счет того, что длительность промежутка углового перемещения неявнополюсного ротора 3 относительно явновыраженного полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан) bb-cc будет больше чем 30 электрических градусов и электромеханический момент на этом промежутке положительный (показано на фиг. 7), ток на катушки возбуждения 2 магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан) каждой фазы подается тогда, когда угловое перемещение неявнополюсного ротора 3 относительно полюсов магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан), на которых установлены катушки возбуждения 2 магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан), находится в промежутке углового перемещения неявнополюсного ротора 3 относительно явновыраженного полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан) bb-cc. За счет того, что электромагнитный момент, возникающий в неявнополюсном роторе 3 в промежутке углового перемещения неявнополюсного ротора 3 относительно явновыраженного полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан) bb-cc (показано на фиг. 7), не будет иметь резких изменений, суммарный электромеханический момент (показано на фиг. 8) не будет иметь резких изменений в номинальном режиме работы и будет иметь низкое значение пульсации момента.

В генераторном режиме работы высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины технический результат изобретения достигается за счет того, что для обеспечения процесса генерации необходимо с помощью тока фазы в катушках возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) при выходе неявнополюсного ротора из согласованного положения накопить электромагнитную энергию в магнитопроводе 1 статора (на фиг. не обозначен). Допустимый промежуток времени, за который необходимо накопить энергию, определяется длительностью спада характеристики потокосцепления катушки возбуждения фазы вентильно-индукторной электрической машины. Чем длительней спад характеристики, тем за более длительное время можно накопить электромагнитную энергию в магнитопроводе 1 статора (на фиг. не обозначен). Накопление энергии происходит за счет подачи тока в фазу, к которой подключены катушки возбуждения 2 статора (на фиг. не показан). Если длительность спада характеристики незначительная, то для накопления электромагнитной энергии в статоре высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины необходимо подавать в катушки возбуждения 2 токовые импульсы большой амплитуды. Для высокобортных вентильно-индукторных электрических машин задача обеспечения энергоэффективности усложняется тем, что за счет высокой скорости вращения ротора в расточке статора длительность промежутка времени, за который происходит спад характеристики потокосцепления, уменьшается.

В связи с этим использование предложенной конструкции высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины позволяет увеличить энергоэффективность вентильно-индукторной электрической машины в генераторном режиме работы за счет возможности уменьшения амплитуды токовых импульсов, подающихся в катушки возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен) в генераторном режиме работы. Уменьшение амплитуды токовых импульсов достигается за счет увеличения длительности промежутка хх-уу углового перемещения неявнополюсного ротора 3 относительно явновыраженного полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан), при котором наблюдается спад характеристики потокосцепления катушек возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен), что позволяет увеличить длительность подачи токовых импульсов в катушки возбуждения 2 статора (на фиг. не обозначен).

Использование предложенной конструкции высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины позволяет увеличить энергоэффективность вентильно-индукторной электрической машины в двигательном режиме работы за счет уменьшения потерь в стали магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен). Уменьшение потерь в стали магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен) происходит за счет уменьшения амплитуды токовых импульсов, подающихся в катушки возбуждения 2 для компенсации изменений электромагнитного момента, возникающего в неявнополюсном роторе 3. Уменьшение амплитуды токовых импульсов достигается за счет практического постоянства величины нарастания потокосцепления в промежутке bb-cc углового перемещения неявнополюсного ротора 3 относительно явновыраженного полюса магнитопровода 1 статора (на фиг. не показан). Возникающий на роторе электромагнитный момент не будет иметь резких изменений в номинальном режиме работы и будет иметь низкое значение пульсации момента. Уменьшение пульсаций электромагнитного момента в неявнополюсном роторе 3 позволяет уменьшить амплитуду токовых импульсов, подающихся в катушки возбуждения 2 для компенсации изменений электромагнитного момента, возникающего в неявнополюсном роторе 3, которые вызывают дополнительные перемагничивания в магнитопроводе 1 статора (на фиг. не обозначен) и увеличивают потери в стали магнитопровода 1 статора (на фиг. не обозначен).

Конструкция неявнополюсного ротора 3 с межполюсными зонами 5 выполняется таким образом, что между сквозными продольными отверстиями О, заполненными немагнитным и непроводящим электрический ток материалом (например, пластиком или композитным материалом на основе пластика), находится прочный магнитопроводящий материал (например, электротехническая сталь) неявнополюсного ротора 3. При этом толщина магнитопроводящего материала вокруг сквозных продольных отверстий О достаточна для удержания немагнитного и не проводящего электрический ток материала (например, пластика или композитных материалов на основе пластика) в межполюсных зонах 5 неявнополюсного ротора 3 во время вращения неявнополюсного ротора 3 и позволяет минимизировать деформацию неявнополюсного ротора 3 от воздействия центробежных сил при его вращении. Все это позволяет обеспечить высокую надежность конструкции неявнополюсного ротора 3 и высокооборотной вентильно-индукторной электрической машины в целом.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям высокоскоростных вентильно-индукторных электрических машин, и может быть использовано при разработке различных приводов высокооборотных электрических машин. Техническим результатом является повышение характеристик энергетической эффективности за счет значительной разницы в магнитных сопротивлениях ротора по различным радиальным направлениям и за счет обеспечения близкой к линейной характеристике потокосцепления в катушках возбуждения, подключенных к фазе электрической машины, а также повышение надежности за счет распределения немагнитного и непроводящего электрический ток материала в нескольких зонах межполюсного пространства ротора таким образом, чтобы вокруг немагнитного и не проводящего электрический ток материала находился прочный магнитопроводящий материал ротора, толщина которого достаточна для обеспечения минимизации деформации ротора от воздействия центробежных сил при его вращении. Вентильно-индукторная электрическая машина содержит статор, состоящий из магнитопровода статора с шестью явновыраженными полюсами с расположенными на них катушками возбуждения статора, вал, на который установлен неявнополюсный ротор. В четырех межполюсных зонах неявнополюсного ротора выполнены одинаковые по размеру продольные сквозные отверстия, поперечное сечение которых представляет собой окружность и которые расположены в два слоя. Продольные сквозные отверстия, расположенные в одном слое, равноудалены от оси вращения неявнополюсного ротора и количество отверстий в ближайшем к оси вращения неявнополюсного ротора слое меньше на единицу, чем количество сквозных продольных отверстий в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора слое. Расстояния между соседними отверстиями, расположенными в одном слое и в одной межполюсной зоне, одинаковы, а ширина явновыраженного полюса статора больше расстояния между межполюсными зонами неявнополюсного ротора. 8 ил.

Высокооборотная вентильно-индукторная электрическая машина, содержащая статор, состоящий из магнитопровода статора с шестью явновыраженными полюсами с расположенными на них катушками возбуждения статора, вал, на который установлен неявнополюсный ротор, отличающаяся тем, что в четырех межполюсных зонах неявнополюсного ротора выполнены одинаковые по размеру продольные сквозные отверстия, поперечное сечение которых представляет собой окружность и расположены в два слоя, причем продольные сквозные отверстия, расположенные в одном слое, равноудалены от оси вращения неявнополюсного ротора и количество отверстий в ближайшем к оси вращения неявнополюсного ротора слое меньше на единицу, чем количество сквозных продольных отверстий в ближайшем к поверхности неявнополюсного ротора слое, расстояния между соседними отверстиями, расположенными в одном слое и в одной межполюсной зоне, одинаковы, а ширина явновыраженного полюса статора больше расстояния между межполюсными зонами неявнополюсного ротора.