Вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором Российский патент 2024 года по МПК H02K49/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к совмещенным электрическим машинам, обладающим свойствами магнитоэлектрических вентильных двигателей и магнитных редукторов.

Из существующего уровня техники известен вентильный электродвигатель со встроенным механическим многоступенчатым редуктором с планетарной или фрикционной передачей [1]. В этом двигателе частота вращения привода может контролироваться с высокой степенью точности с помощью блока электроники и датчиков положения, размещенных на валах каждой ступени передачи и на валу ротора электродвигателя.

Недостатком данного технического решения является то, что такое устройство совмещенной электрической машины недостаточно надежно из-за наличия трущихся элементов механических передач. Механические передачи также характеризуются высоким уровнем акустических шумов, подвержены износу, перегреву, повреждениям при перегрузке, а также требуют периодической смазки.

Прогресс в области технологии магнитной передачи привел к развитию нового класса электрических машин: магнитно-редукторных машин. У магнитных редукторов указанные выше недостатки, присущие механическим редукторам, практически отсутствуют. Эти машины включают в себя магнитный механизм, интегрированный в машину с постоянными магнитами почти в тех же габаритах. Возможность такой интеграции продиктована тем, что плотность электромагнитного момента у магнитного редуктора примерно в 10 раз выше, чем у вентильного двигателя с постоянными магнитами. У магнитного редуктора она может достигать значений более 100 кНм/м³ [2], в то время, как у магнитоэлектрического вентильного двигателя плотность электромагнитного момента составляет около 10 кНм/м³ [3, 4].

В качестве аналога по отношению к предлагаемому техническому решению является вентильный двигатель со встроенным магнитным редуктором, содержащим малополюсную трехфазную обмотку статора с числом пар полюсов p₁, модулятор с числом ферромагнитных шихтованных стержней Z, внутренний шихтованный сердечник, на поверхности которого расположены многополюсные постоянные магниты с числом пар полюсов Z₂ = Z - p₁ [5]. Недостатками данного технического решения являются необходимость использования дорогостоящих высокоэнергетических постоянных магнитов и сложная конструкция многополюсного ротора с тангенциально намагниченными магнитами, уложенными в глубокие радиальные пазы, с целью концентрации поля в рабочем воздушном зазоре.

Электрическая машина со встроенным магнитным редуктором, которую можно рассматривать как наиболее близкую к заявленному техническому решению (прототипом), обсуждается в работе [6].

В этой совмещенной электрической машине, названной авторами псевдо прямым приводом (Pseudo Direct Drive-ПДД), частотно управляемый синхронный двигатель с трехфазной дискретно-распределеной (зубцовой) малополюсной (p = 3) обмоткой статора приводит во вращение быстроходный ротор встроенного магнитного редуктора. Обмотка статора питается от регулируемого статического преобразователя частоты. Дополнительно на статоре имеются высокоэнергетические постоянные магниты, которые создают магнитное поле с числом пар полюсов p₁ = Z - p.

Быстроходный ротор имеет постоянные магниты, намагниченные радиально - тангенциально по схеме Нальбаха, с числом пар полюсов равным числу пар полюсов статора. Таким образом, статор и быстроходный ротор, имея одинаковое число полюсов, представляют собой обычный (традиционный) вентильный двигатель: отметим, у быстроходного ротора в этой конструкции нет выходного вала.

Между магнитами быстроходного ротора и магнитами статора располагается тихоходный ротор - модулятор с числом стержней Z = 21, образуя встроенный магнитный редуктор с фиксированным коэффициентом редукции k = Z/p₂ = 21/3 = 7. Стержни модулятора из электротехнической стали пропускают через себя без силового взаимодействия магнитные потоки обмотки статора и магнитов быстроходного ротора, имеющие одинаковую полюсность.

Подчеркнем основные особенности рассматриваемого прототипа:

1. Статор имеет трехфазную дискретно-распределенную (зубцовую) обмотку с числом пар полюсов p, равным числу пар полюсов магнитов быстроходного ротора.

2. Статор и быстроходный ротор, имея одинаковое число полюсов, представляют собой обычный (традиционный) вентильный двигатель: обмотка статора питается от регулируемого статического преобразователя частоты. Но у быстроходного ротора в этой конструкции нет выходного вала.

3. На внутреннюю поверхность зубцов статора наклеиваются постоянные магниты с числом пар полюсов p₁ = z - p. Дополнительные высокоэнергетические постоянные магниты на внутренней поверхности статора позволяют повысить индукцию в рабочем зазоре и тем самым повысить энергетические характеристики машины.

4. Между магнитами быстроходного ротора и магнитами статора располагается тихоходный ротор - модулятор с числом стержней z. Стержни модулятора из электротехнической стали пропускают через себя магнитные потоки, создаваемые обмоткой и постоянными магнитами статора и магнитами быстроходного ротора, имеющие одинаковую полюсность. Таким образом, имеем встроенный магнитный редуктор с фиксированным коэффициентом редукции k = z/p₂.

5. Двигатель имеет единственный выходной вал, связанный с тихоходным ротором-модулятором и имеющий скорость вращения

,

где - скорость вращения быстроходного ротора - встроенного ротора вентильного двигателя.

Эта конструкция рекомендуется производителем для приводов:

1. тяговых электродвигателей, встраиваемых в ступицы колес автомобилей с моментами 2-4 кНм;

2. гребного электродвигателя мощностью 300 кВт и моментом 16 кНм.

Описания и исследование подобных конструкций приводятся также и в других источниках [7,8].

Недостатками рассматриваемой конструкции являются:

1. Использование высокоэнергетических постоянных магнитов, что сильно удорожает саму по себе весьма сложную конструкцию.

2. Возможность кратковременно форсировать режим работы двигателя только путем увеличения тока в статорной обмотке.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение являются:

• удешевление вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором за счет отказа от использования высокоэнергетических постоянных магнитов и упрощение конструкции ротора;

• возможность дополнительной кратковременной форсировки электромагнитного момента на валу двигателя за счет непродолжительного увеличения тока в обмотке возбуждения.

Данные задачи решаются за счет того, что:

1. Вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором, содержащий трехфазную малополюсную обмотку на неподвижном статоре с числом пар полюсов p₁ от 1 до 4, питаемую от преобразователя частоты и уложенную в открытые пазы с числом зубцов (пазов) Z₃, тихоходный модулятор с числом ферромагнитных стержней Z, быстроходный ротор с шихтованным сердечником, на наружной поверхности которого расположены открытые зубцы (пазы) с числом Z₂=Z-Z₃=p₁, отличающийся тем, что ротор и статор выполнены без постоянных магнитов, имеется обмотка возбуждения постоянного тока на подшипниковом щите, двигатель имеет один выходной вал, сочлененный с тихоходным модулятором.

2. Вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором по п. 1, характеризирующийся тем, что двигатель имеет и второй выходной вал, сочлененный с быстроходным ротором.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:

существенное удешевление вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором и упрощение конструкции статора и ротора за счет отказа от высокоэнергетических постоянных магнитов;

возможность кратковременной форсировки электромагнитного момента на валу заявляемого двигателя за счет непродолжительного увеличения тока как в обмотке статора, так и в обмотке возбуждения постоянного тока.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где изображены продольный и поперечный разрезы конструкции заявляемого вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором.

Вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором имеет расположенную на подшипниковом щите (8) обмотку возбуждения (1), обтекаемую постоянным током и являющуюся одним из источников магнитного поля; статор (3) с трехфазной малополюсной обмоткой (2), имеющей от одной до четырех пар полюсов р₁ и уложенной в открытые пазы с числом Z₃ которая подключается к преобразователю частоты (ПЧ) с регулируемой угловой частотой тока ω; модулятор (5) с числом ферромагнитных стержней Z; ротор с шихтованным сердечником (6), на наружной поверхности которого расположены Z₂ = Z -Z₃= p₁ открытых зубцов. Обмотка возбуждения (1) создает униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковый щит, корпус двигателя (4) и вал ротора (7).

Заявляемый магнитоэлектрический двигатель является вентильным, поскольку питание обмотки статора осуществляется от статического преобразователя частоты (ПЧ), режим работы ключей которого синхронизирован с угловым положением ротора с помощью датчика положения ротора (ДПР). Благодаря ДПР основная гармоника тока статора будет всегда в противофазе с ЭДС холостого хода обмотки статора, что является одной из основных особенностей работы вентильного двигателя. В качестве ДПР для вентильных двигателей часто применяется поворотный трансформатор (резольвер).

Работает вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором следующим образом.

Собственно магнитный редуктор составляют совокупность статора c открытыми пазами, модулятора и ротора. Статорная обмотка при частоте питающего напряжения 50 Гц создает трехфазное магнитное поле при p₁ = Z₂, вращающееся со скоростью n = 3000/p₁ об/мин. Модулятор своими Z сегментами, выполненными из магнитомягкого материала, осуществляет модуляцию магнитного поля в воздушных зазорах: магнитное поле, создаваемое открытыми пазами и зубцами статора, изменит свой гармонический состав с порядка Z₃ на Z₂. Число сегментов в модуляторе Z д.б. таким, чтобы в гармоническом составе этого магнитного поля появилась пространственная гармоника с числом пар полюсов ротора. Эта гармоника, проникающая из верхнего воздушного зазора в нижний, заставит быстроходный ротор вращаться с той же скоростью.

Благодаря наличию обмотки возбуждения постоянного тока, создающей униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковый щит, корпус двигателя и вал ротора, появляется возможность отказаться от использования высокоэнергетических постоянных магнитов. Магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения проходя через ротор, затем через модулятор, будет модулироваться с образованием гармоник в верхнем воздушном зазоре с числом пар полюсов Z₃ статора.

Для обеспечения работы магнитного редуктора необходимо, чтобы число сегментов в модуляторе Z было равно

где Z₂ = p₁ число пар полюсов ротора, p₁ - число пар полюсов обмотки статора,
Z₃ - число открытых пазов сердечника статора.

Причем, разность Z - Z₃, т.е. число пар полюсов p₁ не должна быть большим.

Скорости вращения роторов этого МР: Ω₁ - тихоходного модулятора, Ω₂ - быстроходного ротора, связаны выражениями

где ω - угловая частота тока обмотки статора.

Роль обмотки статора с преобразователем частоты при выполнении следующего равенства

сводится к заданиям скоростей и мощностей роторов. Действительно из формул (2), (3) следует

При работе устройства в режиме вентильного двигателя электромагнитная мощность обмотки статора , поступающая от преобразователя частоты, равна сумме мощностей модулятора и быстроходного ротора

Это равенство можно перезаписать, обращаясь к электромагнитным моментам обмотки статора , модулятора и быстроходного ротора

Из формулы (6), используя равенства (4), получим выражение связи электромагнитных моментов

Возможны два варианта конструкции заявляемого вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором.

Вариант 1. Выходной вал сочленен с вращающимся модулятором, имеющим Z стержней и скорость вращения которого в соответствии с выражением (4) будет равна:

Ротор, не имея выходного вала, вращается со скоростью

Вариант 2. Вентильный двигатель имеет два выходных вала, способных нести нагрузку (присоединяться к соответствующим механизмам) и имеют скорости, соответствующие формулам (8), (9).

При этом формулы (8) и (9) показывают, что заявляемое устройство является вентильным двигателем, управляемым преобразователем частоты.

В качестве примера примем число пар полюсов трехфазной обмотки статора Z₂ = p₁ = 4, число стержней модулятора Z = 19, тогда число открытых зубцов статора Z₃ в соответствии с (1) равно:

Z ₃ = Z - p₁ = 19 - 4 = 15.

При выходной частоте преобразователя частоты Гц будем иметь из (8), (9): скорость вращения быстроходного ротора

рад/сек=750 об/мин,

скорость вращения тихоходного ротора

рад/сек=157,8 об/мин.

Расчеты [9] показывают, что при одинаковых габаритах и магнитных индукциях в воздушном зазоре заявляемый вентильный двигатель будет иметь электромагнитный момент, незначительно, примерно на 25%, уступающий аналогичному двигателю с постоянными магнитами.

Поскольку униполярный магнитный поток создается обмоткой возбуждения, имеется возможность форсировать режим работы заявляемого тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором, кратковременно увеличив ток в указанной обмотке. Время, на которое можно форсировать режим, определяется величиной тока и условиями охлаждения обмотки возбуждения.

Таким образом, возможность кратковременно форсировать режим работы заявляемого вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором несколько расширяются. Это можно сделать разными путями:

1. Увеличив ток в статорной обмотке, как это делается в обычном вентильном двигателе.

2. Увеличив ток в обмотке возбуждения постоянного тока.

3. Увеличив ток одновременно в статорной обмотке и в обмотке возбуждения постоянного тока.

В двигателе с постоянными магнитами форсировать момент можно только увеличив ток в статорной обмотке.

Источники информации

1. Пат. 2027283 РФ, МПК Н02K 7/116. Электродвигатель со встроенным редуктором / Хейкки Тапани Койвикко. - 4742437/07; заявлено 10.11.1989; опубл. 20.01.1995.

2. Rens, J. A novel high-performance magnetic gear / J. Rens, K. Atallah, D. Howe, S. Calverley // IEEE Transactions on Magnetics. - 2001. - T. 37, №4. - C. 2844.

3. Torque Density of PM motors Developed under Government Programs [Электронный ресурс]: отчет о НИР: Report 06-08 / Precision Magnetics Inc.; Dantam K.R. - 2008. - 7 c. - Режим доступа: https://ru.scribd.com/document/87569175/Torque-Density-of-PM-Motors.

4. A new PM Machine topology for low-speed, high-torque drives / K. Atallah [и др.] // Proceedings of the 2008 International

5. Пат. 2704239 РФ, МПК Н02K 19/06. Магнитоэлектрический вентильный электродвигатель со встроенным магнитным редуктором (варианты) / Афанасьев А.А., Токмаков Д.А., Романов Р.А., заявлено 22.05.2019; опубл. 25.10.2019. Бюл. № 30.

6. Xin Yin, Youtong Fang, Pierre-Daniel Pfister. High-torque-density pseudo-direct-drive permanent-magnet machine with less magnet. IET Electr. Power Appl., 2018, Vol. 12 Iss. 1, pp. 37-44.

7. Mohammed Bouheraoua, Jiabin Wang and Kais Atallah. Influence of Control Structures and Load Parameters on Performance of a Pseudo Direct Drive Machines 2014, 2, 158-175; doi:10.3390/machines2030158

8. R.S. Dragan, R.E. Clark, E.K. Hussain, K. Atallah, M. Odavic. Magnetically Geared Pseudo Direct Drive for Safety Critical Applications https://eprints.whiterose.ac.uk/137410/1/Supplementary%20file.pdf

9. Афанасьев А.А. Аналитические и численные методы решения задач электромеханики на основе комплексного магнитного потенциала. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2017. - 430 с.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к совмещенным электрическим машинам, обладающим свойствами магнитоэлектрических вентильных двигателей и магнитных редукторов. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности кратковременной форсировки электромагнитного момента на валу двигателя за счёт непродолжительного увеличения тока как в обмотке статора, так и в обмотке возбуждения постоянного тока. Вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором содержит трехфазную малополюсную обмотку на неподвижном статоре с числом пар полюсов р₁ от 1 до 4, питаемую от преобразователя частоты и уложенную в открытые пазы с числом зубцов (пазов) Z₃, тихоходный модулятор с числом ферромагнитных стержней Z, быстроходный ротор с шихтованным сердечником, на наружной поверхности которого расположены открытые пазы (зубцы) с числом Z₂=Z-Z₃=p₁, согласно изобретению ротор и статор выполнены без постоянных магнитов, имеется обмотка возбуждения постоянного тока на подшипниковом щите, двигатель имеет один выходной вал, сочлененный с тихоходным модулятором. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором, содержащий трехфазную малополюсную обмотку на неподвижном статоре с числом пар полюсов р₁ от 1 до 4, питаемую от преобразователя частоты и уложенную в открытые пазы с числом зубцов (пазов) Z₃, тихоходный модулятор с числом ферромагнитных стержней Z, быстроходный ротор с шихтованным сердечником, на наружной поверхности которого расположены открытые пазы (зубцы) с числом Z₂=Z-Z₃=p₁, отличающийся тем, что ротор и статор выполнены без постоянных магнитов, имеется обмотка возбуждения постоянного тока на подшипниковом щите, двигатель имеет один выходной вал, сочлененный с тихоходным модулятором.

2. Вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором по п. 1, характеризующийся тем, что двигатель имеет и второй выходной вал, сочлененный с быстроходным ротором.