Электрическая машина с поперечным потоком Российский патент 2023 года по МПК H02K21/12 H02K1/27 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, а именно к электрическим машинам с поперечным магнитным потоком и возбуждением от постоянных магнитов. Основная область применения изобретения: источник энергии для снабжения потребителей ветровых электростанций (прямой привод ветротурбины с переменной скоростью вращения), а также тяговый электропривод (мотор-колесо).

Суть технической проблемы, решаемой заявляемым изобретением, заключается в следующем.

Электрическая машина с поперечным потоком включает в себя статор, содержащий ферромагнитные сердечники в форме подковы, ориентированные таким образом, что магнитный поток, который циркулирует внутри этих сердечников, направлен в основном перпендикулярно оси вращения ротора. Основное отличие электрической машины с поперечным магнитным потоком от машины с продольным потоком (радиальным, тангенциальным и аксиальным) заключается в том, что в структуре этой машины электрическая и магнитная цепи не связаны, а разъединены, что позволяет увеличить пространство для обмоток без уменьшения доступного пространства для основного магнитного потока и изготовить машину с очень малым полюсным делением по сравнению с другими машинами. Перпендикулярная ориентация магнитного потока в сердечниках статора относительно направления вращения придает электрическим машинам с поперечным потоком высокое отношение механического крутящего момента к единице веса электрической машины. Кроме того, в машине с поперечным потоком низкое значение отношения активной массы к крутящему моменту обусловлено конструкцией обмотки, практически не имеющей неактивных частей.

Однако машина с поперечным потоком имеет такие недостатки, как сложная конструкция, трудности производства из-за большого количества отдельных деталей (сердечников и магнитов) и специальных методов изготовления и сборки, а также низкий коэффициент мощности, большие потоки рассеяния магнитного потока и высокое значение зубцового момента.

Машины с поперечным потоком с возбуждением от постоянных магнитов известны. Их конструкции различаются направлением потока по радиальному или осевому воздушному зазору, формой сердечника (U-образный, С-образный, Е-образный и Z-образный), топологией внутреннего или внешнего ротора, активной или пассивной конструкцией статора, расположением постоянных магнитов, однооборотной или двухоборотной фазной обмоткой, двойной или одинарной конструкцией статора и т.д. Как правило, в большинстве конструкций используются ферромагнитные шунты для уменьшения потоков рассеяния, см. патент ЕР 3080895, патент US 8053944, в которых машина выполнена со статором, в целом выровненным с плоскостью вращения ротора(конфигурация с аксиальным зазором), либо машина выполнена со статором, повернутым на 90 градусов по отношению к плоскости вращения ротора (конфигурация с радиальным зазором). Если ротор входит в зацепление со статором, вплотную приближаясь к двум концевым поверхностям статора, то такая конфигурация называется "лицом к лицу". Если ротор входит в зацепление со статором, проходя, по меньшей мере, частично, в полость, образованную статором, то такая конфигурация упоминается здесь как "включенная полость". Постоянные магниты могут быть выполнены с "поверхностным" намагничиванием или с концентрированным потоком. В первом варианте постоянные магниты намагничены в направлении, перпендикулярном направлению вращения, во втором постоянные магниты имеют направление намагничивания, параллельное вращению. Вариант с концентрированным потоком позволяет реализовать большую плотность вращающего момента.

Патент US 9559558 представляет вариант осуществления 3-фазной электрической машины с поперечным потоком, который включает в себя множество фазовых модулей, приспособленных для осевого крепления вместе со множеством крепежных элементов. Фазовые модули по существу идентичны и взаимозаменяемы и включают роторные блоки и блоки статора, каждый из которых выполнен в виде полного кольца и снабжен связанной с ним обмоткой. Обмотка статора состоит из двух отдельных (обычных) кольцевых катушек, токи в которых имеют противоположное направление. Каждая пара смежных в осевом направлении фазовых модулей приспособлена для углового расположения относительно друг друга для задания фазового сдвига обычно установленным примерно на 120° между соседними фазовыми модулями для обеспечения трехфазного симметричного электрического тока.

В патенте WO 2011033106 каждая фаза статорного устройства образована двумя секциями сердечника статора, при этом зубцы первой секции сердечника статора первой из двух соседних фаз и соответствующие зубцы второй секции сердечника статора второй из двух соседних фаз выполнены в виде общего набора зубцов, обеспечивающих общий путь магнитного потока, разделяемый обеими соседними фазами. Таким образом, первая секция сердечника статора первой фазы и вторая секция сердечника статора второй фазы сформированы как единое целое. Следовательно, зубцы соседних фаз магнитно функционируют как общий набор зубцов, которые являются общими для двух смежных фаз и которые магнитно разделяются двумя смежными фазами. Движущееся устройство и устройство статора имеют простую конструкцию, состоящую из нескольких частей. Каждая часть движущегося устройства имеет простую геометрическую форму, что обеспечивает эффективную и экономичную конструкцию.

В патенте ЕР 2317633 фазные блоки статора имеют форму сектора кольца, расположены вокруг оси вращения в разных угловых секторах и разделены дистанционными элементами. Таким образом, все фазные блоки расположены в один слой, занимающий только около одной трети пространства в осевом направлении. Число обмоток статора соответствует числу фазовых блоков статора, при этом каждая обмотка статора выполнена в виде замкнутого контура в форме седла, которое расположено в том же угловом секторе, что и соответствующий фазовый блок статора. При расположении обмотки вокруг статора необходимо выполнить определенные шаги, чтобы механическое смещение обмоток относительно ротора совпадало с фазой электрической нагрузки.

Электрическая машина с поперечным потоком по патенту US 8053944, как наиболее близкая к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принята в качестве прототипа.

Недостатком данного устройства, равно как и всех других известных электрических машин с поперечным потоком, является то, что коэффициент мощности такой машины (cosϕ) имеет низкое значение в пределах 0,35-0,55, тогда как в машинах с продольным потоком он близок к 1,0.

Задачей изобретения является создание электрической машины с поперечным потоком, обладающей высоким значением коэффициента мощности.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению электрическая машина с поперечным потоком, содержащая статор, катушку и ротор, который взаимодействует со статором как переключающее устройство, а также совокупность концентраторов потока, чередующихся с магнитами, характеризуется тем, что геометрические размеры ширины магнитов b_m и полюсного деления ротора τ для конструкции электрической машины, как с аксиальным, так и радиальным воздушным зазором, выбраны таким образом, что отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора равно 0,4 (b_m/τ=0,4).

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:

- электрическая машина может быть выполнена в виде многофазного устройства;

- статор электрической машина может быть расположен внутри ротора.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что обеспечивается возможность существенно повысить значением коэффициента мощности электрической машины с поперечным потоком, что в свою очередь позволяет снизить значение номинального тока и потери в меди обмотки, повысить КПД и вращающий момент машины.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлена конфигурация с радиальным намагничиванием: а)аксиальный зазор, б) радиальный зазор, на фиг. 2 - конфигурация с концентрацией магнитного потока: а) аксиальный зазор; б) радиальный зазор, на фиг. 3 - зависимость коэффициента проводимости λ_a от отношения ширины магнита к полюсному делению ε, на фиг. 4 - зависимость коэффициента мощности cosϕ от отношения ширины магнита к полюсному делению ε для различных его базовых значений при ϕ=0,3: 1 -cosϕ=0,4; 2 -cosϕ=0,5; 3 -cosϕ=0,55.

Анализ низкого значения коэффициента мощности дан в работах (M.R. Harris, G.H. Pajooman, S.M.A. Sharkh, "Comparison of alternative topologiesfor VRPM (transverse-flux) electrical machines", DEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines, 1997. No. 444. p. 1-5; ZhaoYu, Chai Jianyun, "Power factor analysis of transverse-flux permanent machines", 2005, International Conference on Electrical Machines and Systems. Vol. 1, p. 450-459).

Путем сравнения выражения для вращающего момента T и тангенса угла tgϕ машины с поперечным потоком, записанные через геометрические размеры и обмоточные данные

был сделан вывод: чем больше электрическая нагрузка, тем меньше коэффициент мощности машины с поперечным потоком.

Увеличение числа полюсов р обеспечивает более высокий вращающий момент и мало влияет на коэффициент мощности. Но, чем выше рабочая частота, тем выше потери в стали. Кроме того, это приводит к снижению толщины постоянного магнита и шага полюсов статора, которые ограничены материалом постоянного магнита и площадью, активно используемой для создания возбуждения, что в конечном итоге влияет на индукцию в воздушном зазоре. Между тем, уменьшенный воздушный зазор позволяет получить хороший коэффициент мощности, который может улучшить эффективную плотность потока и уменьшить потоки рассеяния, однако его минимальная величина технологически ограничена. Более низкая электрическая нагрузка всегда означает меньшее использование обмотки и плотность вращающего момента. Таким образом, низкий коэффициент мощности машин с поперечным потоком, по-видимому, является ценой, которую необходимо заплатить за высокую удельную производительность.

Из векторной диаграммы синхронной машины известно, что тангенс угла "F при малом значении продольного тока определяется как

следовательно, коэффициент мощности равен

Индуктивное сопротивление машины Х_а с поперечным потоком в общем виде может быть определено как

где L_a, Λ_а, λ_а - индуктивность, проводимость и коэффициент проводимости при расчете индуктивного сопротивления.

В работе Y. Rang, C. Gu, Н. Li, "Analytical design and modeling of a transverse flux permanent magnet machine", Proc. International Conference on Power System Technology. 2002. Vol. 4, p.2164-2167 для машины с поперечным потоком дано выражение для расчета индуктивного сопротивления в виде:

Из вышеприведенного выражения выделено значение коэффициента проводимости и проведен анализ его зависимости от отношения ширины сердечника статора к полюсному делению Так, если для синхронного генератора мощностью 5,0 кВт, напряжением 400 В, частотой вращения 250 мин^-1 с осевым направлением магнитного потока, одинарной конструкцией статора с U-образным сердечником и кольцевой обмоткой при ε=0,3 коэффициент проводимости λ_a03=9,4, то при ε=0,5 λ_а05=30,4, т.е. возрастает более чем в 3 раза (см. фиг. 3). Поскольку в сравниваемых вариантах должно быть одинаковым напряжение машины, то при ε=0,5 при большем значение магнитного потока должно быть меньше значение числа w витков в фазе, пропорциональное площади занимаемой потоком, т.е.

Тогда соотношение между индуктивными сопротивлениями будет следующим:

Допустим, для случая ε=0,3 получено значение cosϕ=0,4, чему соответствует tgϕ=2,29. Выполнив машину с ε=0,5, мы получим уменьшение Х_а и tgϕ согласно выражению (8) до 0,954 и увеличение коэффициента мощности до cosϕ=0,723.

Другие варианты увеличения коэффициента мощности представлены на фиг. 4 и в таблице 1.

Анализ полученных данных показывает, что максимум коэффициента мощности для всех рассмотренных вариантов достигается при отношении ширины магнитов к полюсному делению ротора равном 0,4 (b_m/τ=0,4).

Заявленное отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора можно применить к электрической машине, выполненной в виде многофазного устройства, а также к электрической машине, в которой статор расположен внутри ротора.

Заявленная нами совокупность существенных признаков электрической машины обеспечивает достижение вышеописанного технического результата, недостижимого при использовании любого известного аналога и неочевидного для специалиста в этой области техники.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к электрическим машинам с поперечным магнитным потоком и возбуждением от постоянных магнитов. Технический результат – повышение коэффициента мощности электрической машины с поперечным потоком. Электрическая машина с поперечным потоком содержит статор, катушку и ротор, который взаимодействует со статором как переключающее устройство, а также совокупность концентраторов потока, чередующихся с магнитами. Особенностью заявленной электрической машины является выбор геометрических размеров ширины магнитов b_m и полюсного деления ротора τ для конструкции электрической машины, как с аксиальным, так и радиальным воздушным зазором, таким образом, что отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора равно 0,4 (b_m/τ=0,4). 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Электрическая машина с поперечным потоком, содержащая статор, катушку и ротор, который взаимодействует со статором как переключающее устройство, а также совокупность концентраторов потока, чередующихся с магнитами, отличающаяся тем, что геометрические размеры ширины магнитов b_m и полюсного деления ротора τ для конструкции электрической машины, как с аксиальным, так и радиальным воздушным зазором, выбраны таким образом, что отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора равно 0,4 (b_m/τ=0,4).

2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде многофазного устройства.

3. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что статор электрической машины расположен внутри ротора.