Электрическая машина Российский патент 2023 года по МПК H02K21/14 H02K1/278 

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами на роторе, и может быть применено в электроприводах и генераторных установках.

Аналогом предлагаемой электрической машины является электрическая машина, описанная в книге «Проектирование электрических машин автономных объектов» за авторством А.М. Сугробова и А.М. Русакова (М: Издательский дом МЭИ 2012), имеющая:

- корпус статора из нешихтованного ферромагнитного материала,

- вал,

- втулку из нешихтованного ферромагнитного материала, насаженную на вал,

- шихтованные пакеты статора, установленные в корпус с промежутком, без поворота друг относительно друга,

- p-полюсную обмотку (p = 2,4,6,8… – любое натуральное четное число), установленную в пазы пакетов статора, выполненную с шагом катушек по пазам более единицы,

- шихтованные пакеты ротора с p/2 зубцами, установленные на втулку напротив пакетов статора и с поворотом между соседними пакетами на полюсное деление, т.е. на угол 360°/p,

- одну или несколько катушек возбуждения, закрепленных на статоре и установленных в каждый промежуток между пакетами ротора или статора.

- шихтованные пакеты ротора и статора могут выполняться без скоса, т.е. трансляционно симметричны вдоль всей осевой длины пакетов, что упрощает сборку.

Эта и другие упоминаемые в этом описании машины могут также иметь другие узлы, обеспечивающие конструктивную целостность машины: различные крепежи; подшипники, обеспечивающие вращение ротора; подшипниковые щиты и т.п. Для предотвращения замыкания магнитного потока возбуждения через вал этот вал и/или подшипниковые щиты выполняют из немагнитного или слабомагнитного материала. Кроме того, корпус, втулка ротора и вал могут быть как цельными, так и состоять из отдельных частей, причем разбивка на части не препятствует протеканию магнитного потока по этим элементам. Также p-полюсная обмотка статора может как состоять из отдельных обмоток, установленных в каждый из пакетов статора, так и быть общей для всех пакетов, т.е. пазовые части каждой катушки этой обмотки проходят через все пакеты статора. Обмотка же возбуждения может располагаться в следующих областях промежутков между парами пакетов статора и ротора: область между р-полюсной обмоткой и втулкой ротора, область между p-полюсной обмоткой и корпусом.

Недостатком данной конструкции является неполное использование поверхности статора, а именно: каждый пакет ротора формирует только половину общего числа полюсов p электрической машины. В результате снижается удельная мощность машины и её КПД.

Другим аналогом предлагаемой электрической машины является аксиальная индукторная машина с гибридным возбуждением, описанная в статье «Hybrid Excitation of the Axial Inductor Machine» за авторством S. Orlova, V. Pugachov, N. Levin, опубликованной в Latvian Journal of Physics and Technical Sciences (January 2012, 49(1):35-41, DOI: 10.2478/v10047-012-0004-6), разработанная в качестве подвагонного генератора, которая в дополнение к вышеперечисленным элементам содержит ферритовые магниты c коэрцитивной силой не менее 3 кЭ (245 кА/м), установленные в пазы пакетов ротора, формируя на каждом пакете ротора только южные или только северные полюса, причем направления намагниченности этих полюсов на соседних пакетах противоположны. Поверхности каждого паза шихтованного пакета ротора и каждого магнита содержат два плоских боковых участка. Магниты не полностью примыкают ко дну пазов, т.е. есть участки дна пазов, к которым магниты не примыкают. Машина имеет 10 зубцов на роторе и 20-полюсную обмотку, выполненную с шагом катушек по пазам, равным единице. Воздушный зазор между пакетами ротора и статора машины 1 мм, ширина зубца пакета ротора 4,2 мм, зубцовое деление пакета ротора 10,29 мм. Ширина пазов пакетов ротора составляет 1-4,2/10,29 = 59% зубцового деление ротора. Полюсное деление равно половине зубцового деления пакетов ротора и составляет 5,145 мм. Таким образом, ширина зубцов пакетов ротора меньше полюсного деления примерно на величину воздушного зазора. В результате предотвращается попадание магнитного потока обмотки возбуждения, исходящего из боковых сторон зубцов пакета ротора, на соседнее полюсные деление, уменьшение основной гармоники потока возбуждения, и как следствие, удельных характеристик машины.

Для создания магнитами магнитных полюсов могут применяться как радиально намагниченные, так и однородно намагниченные магниты.

У такой машины в результате лучшего использования поверхности статора увеличивается КПД и удельный момент, по сравнению с аксиальной индукторной машиной без магнитов. Вместе с тем наличие магнитов приводит к риску их необратимого размагничивания. Эта проблема особенно актуальна при использовании менее дорогих и более термостойких, по сравнению с редкоземельными магнитами, ферритовых магнитов, которые, однако, обладают меньшей коэрцитивной силой, по сравнению с редкоземельными магнитами, и потому легко поддаются размагничиванию внешним магнитным полем. Для предотвращения необратимого размагничивания постоянных магнитов машину делают многополюсной (аналог с гибридным возбуждением имеет 20 полюсов). Кроме того, ограничивают токи силовой обмотки и обмотки возбуждения для предотвращения размагничивания.

Таким образом, технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является повышение надежности электрической машины посредством уменьшения размагничивающей силы, действующей на магниты, предотвращение размагничивания ферритовых магнитов, увеличение токовой нагрузки, а также увеличение КПД и удельной мощности.

Сущность изобретения поясняется эскизами, на которых изображено:

- фиг. 1 - трехмерным вид электрической машины; вид показан с вырезом 1/2 части статора, ротор показан неразрезанным.

- фиг. 2 - часть поперечного сечения машины, имеющей пакеты статора и ротора с установленными в пазах ротора постоянными магнитами, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- фиг. 3 - различные формы фаски магнитов.

- фиг. 4 - взаиморасположение магнитных полей возбуждения и намагниченности магнитов.

Конструкция рассматриваемой электрической машины показана на фиг. 1 (общий вид; вид показан с вырезом 1/2 части статора, ротор показан неразрезанным) и фиг. 2 (часть поперечного сечения, соответствующая одному зубцовому делению ротора). Статор машины содержит корпус 1 из сплошного ферромагнитного материала, например, из нелегированной отожжённой стали. Ротор имеет вал 2, на который насажена втулка 3 из сплошного ферромагнитного материала. В корпусе 1 установлены три шихтованных пакета статора 4 с осевыми промежуткомами и без поворота друг относительно друга. Три шихтованных зубчатых пакета ротора 6 устанавливаются на втулку 3 напротив пакетов статора 4. В результате между пакетами ротора 6 также имеются осевые промежутки. Пакеты ротора и статора выполняются без скоса пазов. В пакеты статора 4 установлена 8-полюсная обмотка статора 5. Число зубцов ротора равно четырём, т.е. в два раза меньше, чем число полюсов обмотки статора. Соседние пакеты ротора имеют сдвиг пазов друг относительно друга на одно полюсное деление ротора, равный 360°/p=45°, где p = 8 — число полюсов. В каждый осевой промежуток между парами пакетов ротор и статора, установленных напротив друг друга, устанавливают одну или несколько катушек обмотки возбуждения 8. Ферритовые магниты 7, намагниченные радиально или однородно, устанавливают в пазы пакетов ротора 6. Ферритовые магниты 7 с коэрцитивной силой не менее 3 кЭ формируют на каждом пакете ротора 6 только южные или только северные полюса, причем направления намагниченности этих полюсов на соседних пакетах противоположны. Также на фиг. 1 показан держатель 9 катушки возбуждения, фиксирующий ее на статоре.

Фиг. 2 показывает часть поперечного сечения машины, имеющей пакеты статора и ротора с установленными на роторе постоянными магнитами, соответствующую одному зубцовому делению ротора. Одно зубцовое деление ротора равно двум полюсным делениям обмотки статора. Фиг. 2 служит только для пояснения геометрического смысла различных отрезков и дуг с буквенным обозначением, упоминаемых далее, и показанные на нём геометрические соотношения между размерами могут не соответствовать соотношениям, описанным далее.

Фиг. 4 показывает вариант формирования магнитами южных полюсов на роторе. Магнитная индукция магнитов входит в магнит со стороны статора. Для формирования противоположных (северных) полюсов применяются магниты противоположной намагниченности. Поверхность каждого паза шихтованного пакета ротора содержит плоские боковые участки АС и А'С', а также часть боковой поверхности цилиндрической формы СС' (дно паза), к которой примыкает магнит 7. Боковые поверхности магнитов CB, С'В' — плоские.

Воздушный зазор 10, образованный поверхностями зубцов пакетов ротора и магнитов, обращёнными к статору, и внутренними поверхностями пакетов статора, одинаков во всей конструкции и не менее чем в 10 раз меньше ширины магнитов, измеряемой между поверхностями магнитов, примыкающими ко дну пазов ротора, и поверхностями магнитов, обращёнными к внутренним поверхностям пакетов статора, в самом узком месте ОО'. Ко дну пазов СС' магниты прилегают полностью.

Угловой размер пазов ротора АА' на уровне зазора составляет 65% от зубцового деления ротора, т. е. находится в диапазоне 63-70%.

Длины дуг пазов пакетов ротора на уровне зазора АА', обращённых к пакетам статора, более чем на полтора воздушных зазора больше половины дуги зубцового деления ротора,

Угловые размеры дуг АВ и А'В' представляют собой угловые расстояния 11 между ферритовыми магнитами и зубцами пакетов ротора на уровне зазора. Они равны между собой во всей конструкции и составляют 15% от зубцового деления ротора, т.е. в диапазоне 10-18% от зубцового деления ротора.

Таким образом, в рассматриваемом варианте реализации изобретения угловой размер зубцов ротора на уровне зазора равен 100% – 65% = 35% от зубцового деления ротора и, поскольку зубцовое деление ротора в два раза больше полюсного деления, угловой размер зубцов ротора равен 70% от полюсного деления. Угловой размер магнитов на уровне зазора равен угловому размеру паза ротора за вычетом дуг АВ и А'В', т.е. 65-15*2=35% от зубцового деления ротора и 70% от полюсного деления.

Также магниты могут иметь фаски, как показано на фиг. 3. Фаски могут иметь разную форму: плоскую (фиг. 3а), цилиндрическую (фиг. 3б) и др.

Принцип работы заявляемой электрической машины состоит во взаимодействии рабочей гармоники магнитных полей возбуждения с магнитными полями р-полюсной обмотки статора (p = 2,4,6,8… – целое, натуральное число). Магнитные поля возбуждения на половине полюсов пакетов ротора создаются посредством модуляции магнитного поля обмотки возбуждения зубчатым ротором. На другой половине создаются постоянными магнитами, установленными на роторе.

Выполнение длин дуг пазов ротора на уровне зазора АA' больше половины зубцового деления ротора на воздушный зазор, и соответственно, дуг зубов пакетов ротора, обращённых к пакетам статора, меньше на ту же величину практически предотвращает замыкание магнитного поля катушки возбуждения, стекающего с боковых сторон зубцов ротора на статор (поле 14, фиг. 4), в соседних полюсных делениях, что увеличивает основную гармонику поля возбуждения и улучшает удельные характеристики машины.

Однако в данном изобретении длина дуг пазов ротора на уровне зазора увеличивается ещё более и больше дуги зубцового деления не менее чем на полтора воздушных зазоров. При этом поскольку угловой размер пазов пакетов ротора составляет 63-70% зубцового деления ротора, угловой размер зубцов пакетов ротора составляет от (100-70)*2 = 60% до (100-63)*2 = 74% полюсного деления. Магнитное поле обмотки возбуждения преимущественно протекает по зубцам пакетов ротора и проникает на пакеты статора с поверхностей зубцов пакетов ротора, обращённых к пакетам статора, через зазор. Магнитное поле обмотки возбуждения замыкается через втулку и корпус. При выполнении ширины зубцов ротора, равной полюсному делению, крайние части поверхностей зубцов ротора, обращённых к пакетам статора, т.е. части, находящиеся вблизи боковых поверхностей зубцов, отдалены друг от друга примерно на полюсное деление и вносят противоположный вклад в основную гармонику магнитного поля в зазоре. Поэтому уменьшение ширины зубцов ротора до 60-74% полюсного деления лишь не значительно уменьшает амплитуду основной гармоники поля возбуждения, что, однако, компенсируется уменьшением общего потока, создаваемого обмоткой возбуждения и уменьшением насыщения магнитной цепи. Кроме того, уменьшение ширины зубцов пакетов ротора освобождает место для расположения достаточного количества магнитов с учётом необходимых промежутков на уровне зазора АВ и А'В' между магнитами и зубцами пакетов ротора. Аналогично минимальная ширина магнитов на уровне зазора (63-18*2)*2 = 54% полюсного деления, т.е. составляет большую часть полюсного деления и достаточно для эффективного формирования поля возбуждения на полюсах, заполненных магнитами. Поэтому задание пазов пакетов ротора 63-70% и углового расстояния между магнитами и зубцами пакетов ротора на уровне зазора 10-18% от зубцового деления пакетов ротора уменьшают возбуждение машины лишь незначительно, что компенсируется уменьшением потока обмотки возбуждения, снижением насыщения, улучшением гармонического состава поля возбуждения. В результате сохраняются высокие удельные характеристики машины и увеличивается КПД.

Магнитное поле обмотки возбуждения 14, 15, 16, изображенное на фиг. 4, имеет участки, на которых угол между направлением намагничивания магнита 13 и этим полем более 90°, т.е. обладает размагничивающим действием. Размагничивание магнитов предотвращается взаимодействием ряда факторов.

Применяются ферритовые магниты с высокой для ферритовых магнитов коэрцитивной силой по намагниченности (3 кЭ и выше), что позволяет магнитам противостоять магнитным полям до 3 кЭ.

Наличие промежутка между зубцами пакетов ротора и магнитами на уровне зазора 10-18% от зубцового деления ротора предотвращает размагничивание магнитов магнитными полями обмотки возбуждения 14, силовые линии которых выходят из боковых поверхностей зубцов пакетов ротора. Также фаски магнитов 12 позволяет избежать размагничивание магнитов этими магнитными полями 14.

В качестве типичного значения напряжённости магнитного поля 16 в зазоре между пакетами статора и зубцами пакетов ротора примем 17 кЭ (килоэрстед). В предположении отсутствия насыщения поскольку ширина магнитов ОО' как минимум в 10 раз больше воздушного зазора, напряжённость магнитного поля обмотки возбуждения 15, линии которого исходят из дна пазов пакетов ротора, составит не более 1,7 кЭ. При наличии насыщения эта величина может быть в 1,5 раза больше, т.е. 2,55 кЭ. Поскольку в заявленной машине коэрцитивная сила магнитов не менее 3 кЭ, размагничивание магнитов не происходит.

Участки магнитов, примыкающие ко дну, в меньшей степени подвержены размагничивающему полю. Вместе с тем, они формируют магнитное поле в пазу, противоположное полю обмотки возбуждения и увеличивают надежность машины по отношению к размагничиванию. Поэтому примыкание магнитов ко дну пазов полностью увеличивает надёжность машины по отношению к размагничиванию.

Выполнение фасок магнитов уменьшает влияние поля силовой обмотки 14, выходящего из боковых сторон ротора, что ещё увеличивает надёжность машины.

Благодаря увеличению надежности машины при использовании настоящего изобретения и предотвращению размагничивания могут увеличиваться токи p-полюсной обмотки, установленной в пазы статора, и обмотки возбуждения, что позволяет увеличить удельный момент и мощность.

Уменьшение числа полюсов обмотки приводит к некоторому росту размагничивающего магнитного поля, однако вышеизложенные признаки, увеличивающие надёжность машины, позволяют уменьшить число полюсов до 16 и менее, применить распределённую обмотку и увеличить скорость без риска размагничивания.

Таким образом, решается проблема — повышение надежности электрической машины посредством уменьшения размагничивающей силы, действующей на магниты, предотвращение размагничивания ферритовых магнитов, а также увеличение КПД и удельных момента и мощности.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение надежности электрической машины, увеличение ее КПД, удельных момента и мощности. Электрическая машина содержит корпус статора и втулку ротора, сделанные из нешихтованного ферромагнитного материала, два или более шихтованных пакета статора, установленных в корпус с осевыми промежутками, в пазы которых установлена многофазная p-полюсная обмотка, шихтованные пакеты ротора с p/2 зубцами, образующие пары с пакетами статора. Одна или несколько катушек возбуждения закреплены в осевых промежутках между парами пакетов статора и ротора. Ферритовые магниты с коэрцитивной силой магнитов не менее 3 кЭ установлены в пазы пакетов ротора. Воздушный зазор между ротором и статором не менее, чем в 10 раз, меньше радиальной ширины магнитов. Угловой размер пазов пакетов ротора на уровне воздушного зазора составляет 63-70% от зубцового деления ротора. Длины дуг пазов ротора на уровне зазора более, чем на полтора воздушных зазора, больше половины дуги зубцового деления ротора. Угловые размеры дуг между ферритовыми магнитами и зубцами пакетов ротора на уровне зазора составляют 10-18% от зубцового деления ротора. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электрическая машина, характеризующаяся тем, что:

- имеет корпус статора из нешихтованного ферромагнитного материала,

- имеет вал,

- имеет втулку из нешихтованного ферромагнитного материала, насаженную на вал,

- имеет два и более шихтованных пакета статора, установленных в корпус с осевыми промежутками, без углового смещения относительно друг друга и скоса пазов, и с p-полюсной обмоткой (p = 2, 4, 6, 8… – чётное число), установленной в пазы пакетов статора,

- имеет шихтованные пакеты ротора с p/2 зубцами, установленные без скоса пазов на втулку напротив пакетов статора и с угловым смещением между соседними пакетами на полюсное деление, т.е. на угол 360°/р,

- имеет одну или несколько катушек возбуждения, закрепленных на статоре и установленных в каждый осевой промежуток между парами установленных напротив друг друга пакетов статора и ротора,

- имеет ферритовые магниты, установленные в пазы пакетов ротора, формирующие на каждом пакете ротора только южные или только северные полюса, причем эти полюса на соседних пакетах противоположны по направлению,

- коэрцитивная сила магнитов не менее 3 кЭ,

- поверхности каждого паза шихтованного пакета ротора и каждого магнита содержат два плоских боковых участка,

- зазор, образованный поверхностями зубцов ротора и поверхностями магнитов, обращённых к внутренней поверхности статора, и внутренними поверхностями пакетов статора одинаков во всей конструкции и в не менее чем в 10 раз меньше радиальной ширины магнитов, измеряемой между поверхностями магнитов, примыкающими к втулке, и поверхностями магнитов, обращёнными к внутренней поверхности статора, в самом узком месте,

при этом:

- ко дну каждого паза примыкает магнит полностью,

- угловой размер пазов пакетов ротора на уровне зазора составляет 63-70% от зубцового деления ротора,

- длины дуг пазов ротора на уровне зазора более чем на полтора воздушных зазора больше половины дуги зубцового деления ротора,

- угловые размеры дуг между ферритовыми магнитами и зубцами пакетов ротора на уровне зазора составляют 10-18% от зубцового деления ротора.

2. Электрическая машина по п. 1, в которой магниты намагничены радиально.

3. Электрическая машина по п. 1, в которой магниты намагничены однородно.

4. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что кромки между плоскими боковыми поверхностями постоянных магнитов, установленных в пазы ротора, и поверхностями этих магнитов, обращенными к внутренней поверхности статора, выполнены без фасок.

5. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что между плоскими боковыми поверхностями постоянных магнитов, установленных в пазы ротора, и поверхностями этих магнитов, обращенными к внутренней поверхности статора, выполнены фаски.

6. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что число полюсов p не более 16.

7. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что обмотка, установленная в пазы статора, выполнена с шагом катушек по пазам равным единице.

8. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что обмотка, установленная в пазы статора, выполнена с шагом катушек по пазам более единицы.