Электрическая машина комбинированного возбуждения Российский патент 2023 года по МПК H02K19/16 H02K1/12 

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электроприводах, в которых необходимо изменение моментов и частоты вращения в широком диапазоне, например, в электротрансмиссиях транспортных средств, в генераторах автономных источников питания, в ветроэнергетических установках.

Основное преимущество машин комбинированного возбуждения заключается в том, что они имеют два источника для создания магнитного поля возбуждения. Это постоянные магниты и обмотка возбуждения, при этом применение постоянных магнитов позволяет уменьшить габариты индуктора, а обмотка возбуждения позволяет изменять результирующий магнитный поток, обеспечивая широкое регулирование момента и частоты вращения.

Для обеспечения повышенной надежности обмотка возбуждения должна находиться на неподвижной части и иметь бесконтактный (бесщёточный) токоподвод.

Известна электрическая машина комбинированного возбуждения (генератор комбинированного возбуждения [1]), которая содержит якорь с двумя шихтованными пакетами с многофазной якорной обмоткой, впрессованными в массивный магнитопровод, неподвижную обмотку возбуждения, расположенную между шихтованными пакетами якоря, и ротор с укороченными полюсами. Полюса выполнены в виде намагниченных радиально и укороченных в аксиальном направлении постоянных магнитов, причем укорочение для полюсов разной полярности выполнено с противоположных сторон. На место укорочения установлена вставка из магнитомягкого материала. Якорная обмотка состоит из катушек, каждая из которых надета на два расположенных напротив друг друга шихтованных пакета. Описанная по изобретению конструкция имеет нормальное исполнение, когда якорь расположен снаружи, а ротор расположен внутри. Нормальная конструкция по сравнению с обращенной конструкцией имеет меньший диаметр расточки якоря за счет спинки якоря и зубцовой зоны якоря, что снижает электромагнитный момент и ухудшает удельные энергетические параметры. Кроме этого, обмотку возбуждения при выходе ее из строя невозможно заменить без демонтажа якорной обмотки и извлечения одного из шихтованных пакетов. Это делает конструкцию неремонтопригодной. Такое исполнение усложняет технологию сборки якоря.

Наиболее близким по техническому решению является электрическая машина комбинированного возбуждения [2], которая содержит внутренний якорь, состоящий из двух шихтованных из электротехнической стали пакетов с пазами, вставленных в массивный с кольцевым пространством магнитопровод из магнитопроводящего материала, якорной обмотки из медного провода, расположенной в пазах шихтованных пакетов, обмотки возбуждения из медного провода, расположенной в кольцевом пространстве массивного магнитопровода, внешний ротор с укороченными магнитопроводящими полюсами без скоса и с укороченными постоянными магнитами без скоса, вставленными в пространство между полюсами с двух противоположных сторон по окружности, при этом постоянные магниты в осевом направлении расположены напротив магнитопроводящих полюсов и имеют радиальную намагниченность одной полярности с одной стороны и противоположную полярность с другой стороны. Описанная по изобретению [2] электрическая машина имеет обращенную конструкцию, при которой якорь внутренний, а ротор внешний, что позволяет в одинаковых габаритах, по сравнению с нормальной конструкцией, увеличить диаметр расточки якоря, тем самым повысить электромагнитный момент и улучшить удельные энергетические показатели. При этом конструкция якоря, также, как и описанный выше аналог, не позволяет заменить обмотку возбуждения в случае выхода ее из строя, без демонтажа якорной обмотки и извлечения шихтованного пакета и массивного магнитопровода. Это тоже делает конструкцию нетехнологичной и неремонтопригодной.

Технической задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение ремонтопригодности, повышение технологичности сборки, за счет выполнения массивного магнитопровода из двух частей: неподвижной и подвижной, а также уменьшение реактивного момента электрической машины за счет того, что укороченные магнитопроводящие полюса и укороченные постоянные магниты выполнены со скосом на одно зубцовое деление якоря.

Техническая задача достигается за счет того, что в электрической машине комбинированного возбуждения, содержащей внутренний якорь, состоящий из двух шихтованных пакетов из электротехнической стали с пазами, вставленных в массивный с кольцевым пространством магнитопровод из магнитопроводящего материала, якорную обмотку из медного провода, расположенную в пазах шихтованных пакетов, обмотку возбуждения из медного провода, расположенную в кольцевом пространстве массивного магнитопровода, внешний ротор с укороченными магнитопроводящими полюсами без скоса и с укороченными постоянными магнитами без скоса, вставленными в пространство между магнитопроводящими полюсами с двух противоположных сторон по окружности, при этом постоянные магниты в осевом направлении расположены напротив магнитопроводящих полюсов и имеют радиальную намагниченность одной полярности с одной стороны и противоположную полярность с другой стороны. Массивный магнитопровод выполнен из двух частей: неподвижной и подвижной. Подвижная часть массивного магнитопровода прикреплена при помощи резьбового соединения к неподвижной части массивного магнитопровода, В предлагаемой конструкции подвижная часть может быть извлечена из якоря без демонтажа обмотки якоря при удалении резьбового соединения. Вслед за этой подвижной частью из якоря может быть извлечена обмотка возбуждения для ремонта или замены. Кроме того, в этой конструкции для уменьшения реактивного момента укороченные магнитопроводящие полюса и укороченные постоянные магниты выполняются со скосом на одно зубцовое деление якоря bc, равное , где D - диаметр якоря, м; z - число зубцов якоря.

Новизна технического решения обусловлена тем, что делая конструкцию массивного магнитопровода разборной из двух частей, подвижной и неподвижной, появляется возможность извлечения и замены обмотки возбуждения без демонтажа обмотки якоря и самого якоря, что делает конструкцию технологичной и ремонтопригодной. Кроме того, новым отличительным признаком является, в случае необходимости уменьшения реактивного момента, выполнение укороченных магнитопроводящих полюсов и укороченных постоянных магнитов ротора со скосом на одно зубцовое деление якоря.

Сущность изобретения поясняется иллюстрациями на фиг. 1, 2, 3, 4, где изображено следующее: на фиг. 1 представлена конструкция электрической машины в разрезе в двух видах; на фиг. 2 показан порядок извлечения обмотки возбуждения из якоря; на фиг. 3 показан скос укороченных полюсов и укороченных постоянных магнитов на одно зубцовое деление якоря; на фиг. 4 показан фрагмент лабораторных испытаний вентильного электродвигателя комбинированного возбуждения в составе мотор-колеса для гоночного электроболида, как пример применения предлагаемой машины комбинированного возбуждения.

Принцип работы машины комбинированного возбуждения основан на получении результирующего потока от постоянных магнитов и обмотки возбуждения.

Электрическая машина комбинированного возбуждения (фиг. 1, 2, 3) имеет обращенную конструкцию, в которой имеется внутренний якорь и внешний ротор 5. Якорь состоит из двух шихтованных пакетов из электротехнической стали 1,2 с пазами, вставленных в массивный с кольцевым пространством магнитопровод из магнитопроводящего материала, якорной обмотки 3 из медного провода, расположенной в пазах шихтованных пакетов 1, 2, обмотки возбуждения 4 из медного провода, расположенной в кольцевом пространстве массивного магнитопровода. Внешний ротор 5 имеет укороченные магнитопроводящие полюса без скоса 6 и укороченные постоянные магниты без скоса 7. Укороченные постоянные магниты 7 вставлены в пространство между укороченными магнитопроводящими полюсами 6 с двух противоположных сторон по окружности, при этом укороченные постоянные магниты 7 в осевом направлении расположены напротив укороченных магнитопроводящих полюсов 6 и имеют радиальную намагниченность одной полярности с одной стороны и противоположную полярность, с другой стороны. Массивный магнитопровод состоит из двух частей: неподвижной части 8 и подвижной части 9. Подвижная часть массивного магнитопровода 9 прикреплена при помощи резьбового соединения 10 к неподвижной части массивного магнитопровода 8.

В данной конструкции (фиг. 1, 2, 3) в случае необходимости, для уменьшения реактивного момента, укороченные магнитопроводящие полюса 6 и укороченные постоянные магниты 7 выполняются со скосом на одно зубцовое деление якоря.

Угол скоса в одно зубцовое деление якоря определяется по формуле [3, стр. 386]:

где - угол скоса, рад

- величина скоса, равная зубовому делению якоря, м

- полюсное деление, м

Полюсное деление можно определить по формуле [3, стр.41]

где D- диаметр якоря, м

p - число пар полюсов.

Зубцовое деление якоря можно определить по формуле [3, стр.43]

где z - число зубцов якоря.

Известно, что для уменьшения реактивного момента применяют скос на одно зубцовое деление самих зубцов якоря [3, стр. 386, рис.20-2] электрической машины. Полюса при этом остаются не скошенными. В предлагаемой конструкции электрической машины в связи с наличием двух шихтованных пакетов 1,2 якоря выполнение скоса самих зубцов якоря усложняет технологию изготовления якорной обмотки 3, так как проводники якорной обмотки 3 необходимо при этом изгибать. Кроме этого, якорную обмотку 3 с изгибом проводников сложно укладывать в пазы шихтованных пакетов 1,2. В связи с этим предлагается выполнять скос на величину, равную одному зубцовому делению якоря bc, определяемую по уравнению (1), для укороченных магнитопроводящих полюсов 6 и укороченных постоянных магнитов 7, а пазы шихтованных пакетов 1,2 оставить прямыми без скоса.

Предлагаемая электрическая машина работает следующим образом. Магнитный поток для возбуждения создается одновременно обмоткой возбуждения 4 и постоянными магнитами 7. Магнитный поток от укороченных постоянных магнитов 7 замыкается по следующей траектории: укороченный постоянный магнит 7 южной намагниченности, воздушный зазор, зубцовая зона шихтованного пакета 1, в пазах которого расположена якорная обмотка 3, неподвижная часть массивного магнитопровода 8, подвижная часть массивного магнитопровода 9, зубцовая зона шихтованного пакета 2, в пазах которого расположена якорная обмотка 3, воздушный зазор, укороченный постоянный магнит 7 северной намагниченности, магнитопровод внешнего ротора 5.

Магнитный поток от обмотки возбуждения 4 замыкается по следующей траектории: укороченный магнитопроводящий полюс 6, воздушный зазор, зубцовая зона шихтованного пакета 1, в пазах которого расположена якорная обмотка 3, неподвижная часть массивного магнитопровода 8, подвижная часть массивного магнитопровода 9, зубцовая зона шихтованного пакета 2, в пазах которого расположена якорная обмотка 3, воздушный зазор, магнитопроводящий укороченный полюс 6, магнитопровод внешнего ротора 5.

Таким образом, в якорной обмотке 3, находящейся в пазах шихтованных пакетов 1 и 2, суммарная ЭДС складывается от ЭДС, которую наводит поток от постоянных магнитов 7 и ЭДС, которую наводит поток от обмотки возбуждения 4. ЭДС от постоянных магнитов 7 не меняется, а ЭДС от обмотки возбуждения 4 может меняться, что позволяет регулировать электромагнитный момент и частоту вращения в широких пределах по слаботочной цепи возбуждения.

При выходе из строя обмотки возбуждения 4 ее можно, удаляя резьбовые соединения 10, выдвинуть подвижную часть массивного магнитопровода 9 в осевом направлении и, вслед за этим извлечь из якоря без демонтажа обмотки 3 якоря для ремонта или замены (фиг.2). Обмотка возбуждения 4 извлекается из якоря следующим образом. Удаляется резьбовое соединение 10. При этой операции ослабляется подвижная часть массивного магнитопровода 9. Подвижная часть массивного магнитопровода 9 извлекается из якоря в осевом направлении. Далее в осевом направлении из якоря извлекается обмотка возбуждения 4. Сборка обмотки возбуждения происходит в обратной последовательности.

Достоинство предлагаемой конструкции заключается в простоте монтажа и демонтажа обмотки возбуждения 4, что улучшает технологичность конструкции и повышает ее ремонтопригодность.

Кроме того, скос укороченных магнитопроводящих полюсов 6 и укороченных постоянных магнитов 7 на одно зубцовое деление якоря, равное , где D - диаметр якоря а z-число зубцов якоря, уменьшает реактивный момент. Экспериментально было установлено, что для электрической машины комбинированного возбуждения, примененной для мотор-колеса электроболида (фиг.4) скос укороченных магнитопроводящих полюсов 6 и укороченных постоянных магнитов 7 на одно зубцовое деление якоря bc снизил реактивный момент на 80% по сравнению с вариантом без выполнения скоса укороченных магнитопроводящих полюсов 6 и укороченных постоянных магнитов 7.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Вентильный электродвигатель комбинированного возбуждения описанной конструкции был применен в составе мотор-колеса для гоночного электроболида, испытан в лабораторных условиях. Фрагмент испытаний показан на фиг. 4.

Источники информации

1. Патент РФ 2439770, Воронин С.Г., Согрин А.И., Мурдасов Б.А., Кислицин В.И. Патентообладатель Южно-Уральский государственный университет (RU), - опубл. 07.10.2010

2. Патент РФ 2244996, Ганджа С.А., Соломин Е.В., Шауфлер А.Д. Заявитель ЗАО Научно-исследовательский институт "УРАЛМЕТ" (RU), - опубл. 31.07.2003

3. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших Технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энерия, 1978. - 832 с. ил.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – улучшение ремонтопригодности и упрощение технологии сборки якоря. Электрическая машина комбинированного возбуждения содержит внутренний якорь, состоящий из двух шихтованных пакетов из электротехнической стали с пазами, вставленных в массивный с кольцевым пространством магнитопровод из магнитопроводящего материала, якорной обмотки из медного провода, расположенной в пазах шихтованных пакетов, обмотки возбуждения из медного провода, расположенной в кольцевом пространстве массивного магнитопровода. Внешний ротор выполнен с укороченными магнитопроводящими полюсами и с укороченными постоянными магнитами, образующими два кольца, в каждом из которых укороченные постоянные магниты вставлены в пространство между укороченными магнитопроводящими полюсами. Массивный магнитопровод состоит из неподвижной и подвижной частей, причем подвижная часть массивного магнитопровода прикреплена при помощи резьбового соединения к неподвижной части массивного магнитопровода. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электрическая машина комбинированного возбуждения, содержащая внутренний якорь, состоящий из двух шихтованных пакетов из электротехнической стали с пазами, вставленных в массивный с кольцевым пространством магнитопровод из магнитопроводящего материала, якорной обмотки из медного провода, расположенной в пазах шихтованных пакетов, обмотки возбуждения из медного провода, расположенной в кольцевом пространстве массивного магнитопровода, внешний ротор с укороченными магнитопроводящими полюсами и с укороченными постоянными магнитами, образующими два кольца, в каждом из которых укороченные постоянные магниты вставлены в пространство между укороченными магнитопроводящими полюсами, при этом укороченные постоянные магниты в осевом направлении расположены напротив укороченных магнитопроводящих полюсов и имеют радиальную намагниченность, отличающаяся тем, что массивный магнитопровод состоит из неподвижной и подвижной частей, причем подвижная часть массивного магнитопровода прикреплена при помощи резьбового соединения к неподвижной части массивного магнитопровода.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что укороченные магнитопроводящие полюса и укороченные постоянные магниты выполнены со скосом на одно зубцовое деление якоря bc, равное , где D- диаметр якоря, м; z – число зубцов якоря.