Дисковый вентильный двигатель индукторного типа с униполярным возбуждением Российский патент 2024 года по МПК H02K16/04 H02K19/06 H02K19/12 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, обладающим свойствами магнитоэлектрических вентильных двигателей.

Из существующего уровня техники известны дисковые магнитоэлектрические вентильные электродвигатели с аксиальными воздушными зазорами [1]. Недостатком их является высокая стоимость из-за использования высокоэнергетических постоянных магнитов.

Аналогом по отношению к предлагаемому техническому решению являются одноименно-полюсные индукторные вентильные двигатели с радиальным воздушным зазором [2]. В основе такой конструкции лежит свойство роторного сердечника с числом зубцов, равным числу пар полюсов обмотки статора, при наличии униполярного магнитного поля в воздушном зазоре становится ротором двигателя с регулируемым электромагнитным возбуждением.

Другим аналогом может быть двигатель с постоянными магнитами с аксиальным (осевым) потоком для электромобиля, рассматриваемый в работе [3].

Электрическая машина, которую можно рассматривать как наиболее близкой к заявленному техническому решению (прототипом), это дисковый магнитоэлектрический вентильный двигатель с аксиальным воздушным зазором [4]. Этот двигатель имеет запитанные от преобразователя частоты статорные трехфазные зубцовые обмотки, размещенные на двух неподвижных дисковых сердечниках, которые зафиксированы на подшипниковых щитах, и дисковый ротор с постоянными магнитами.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение являются:

• удешевление дискового вентильного двигателя с аксиальным воздушным зазором за счёт отказа от использования высокоэнергетических постоянных магнитов и упрощения конструкции дискового ротора;

• возможность форсировки электромагнитного момента на валу двигателя за счёт не только увеличения тока в статорных катушках, но и увеличения постоянного тока в катушке, возбуждающей униполярное магнитное поле.

Данная задача решается за счет того, что заявляемый дисковый вентильный двигатель индукторного типа с униполярным возбуждением, содержащий зубцовые обмотки на двух неподвижных дисковых статорных сердечниках с числом пар полюсов p₁ у каждого, питаемые от преобразователя частоты, ротор, закрепленный на немагнитной втулке, насаженной на вал двигателя, отличающийся тем, что ротор содержит продольно шихтованные аксиальные зубцы числом Z₂=p₁, закрепленные на наружной поверхности немагнитной втулки и разделенные друг от друга сквозными пазами; на подшипниковых щитах имеются катушки возбуждения постоянного тока, создающие униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковые щиты, статорные сердечники и ротор, аксиальные рабочие воздушные зазоры и вал двигателя.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:

• существенное удешевление дискового вентильного двигателя и упрощение конструкции за счёт отказа от дорогостоящих высокоэнергетических постоянных магнитов;

• возможность кратковременной форсировки электромагнитного момента на валу заявляемого двигателя не только за счёт увеличения тока в обмотках статора, но и путем непродолжительного увеличения тока в катушке возбуждения постоянного тока, создающей униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковые щиты, статорные и роторные сердечники, аксиальные рабочие воздушные зазоры и вал двигателя.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где изображены продольный и поперечный разрезы конструкции заявляемого дискового вентильного двигателя индукторного типа с униполярным возбуждением.

Дисковый вентильный двигатель индукторного типа с униполярным возбуждением имеет два дисковых статора (8) с трёхфазными зубчатыми обмотками (7), установленные на подшипниковых щитах (4), ротор с продольно шихтованными аксиальными зубцами (6) разделенными друг от друга сквозными пазами, который закреплен на наружной поверхности немагнитной втулки (9). Указанная втулка (9) насажена на вал двигателя (1), вращающийся в подшипниках (2), зафиксированных в подшипниковых щитах (4). Обмотка возбуждения (3), обтекаемая постоянным током и являющаяся одним из источников магнитного поля в аксиальных рабочих воздушных зазорах, расположена на подшипниковых щитах (4) вблизи вала двигателя (1). Статорные обмотки запитаны от преобразователя частоты (10). Подшипниковые щиты (4) соединены между собой корпусом (5) из немагнитного материала.

Работает устройство следующим образом.

Вращающееся магнитное поле создается трёхфазными статорными обмотками с числом пар полюсов р₁. Обмотка возбуждения создает униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковые щиты, статорные и роторные сердечники, аксиальные рабочие воздушные зазоры и вал двигателя. Вследствие наличия на роторе шихтованных зубцов униполярный поток становится неравномерным по поверхности ротора. При прохождении через зубец ротора этот поток имеет большую величину, чем при прохождении через зазор между двумя шихтованными зубцами. Таким образом, анализируя этот поток можно выделить постоянную и переменную составляющие по условной окружности на поверхности ротора. Ротор с шихтованными сквозными зубцами вращается в результатевзаимодействия переменной составляющей униполярного магнитного потока, созданным обмоткой возбуждения, с вращающимся магнитным полем статора.

Заявляемый магнитоэлектрический дисковый 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 могут применяться поворотный трансформатор (резольвер) или датчики Холла.

Расчеты [5] показывают, что при одинаковых габаритах и магнитных индукциях в воздушном зазоре заявляемый дисковый вентильный двигатель индукторного типа с униполярным возбуждением будет иметь электромагнитный момент, незначительно, примерно на 25%, уступающий аналогичному дисковому двигателю с постоянными магнитами.

Поскольку униполярный магнитный поток создается обмоткой возбуждения, имеется возможность форсировать режим работы заявляемого дискового вентильного двигателя индукторного типа не только за счет увеличения тока в обмотках статора, но и путем непродолжительного увеличения тока в катушке возбуждения постоянного тока, создающей униполярный магнитный поток. Время, на которое допустимо так форсировать режим, определяется величиной тока и условиями охлаждения обмотки возбуждения. Таким образом, возможности форсировать режим работы заявляемого дискового вентильного двигателя индукторного типа с униполярным возбуждением несколько расширяются в сравнении с двигателем с постоянными магнитами, в котором форсировать момент можно только увеличив ток статора.

Источники информации

1. Zhuo Нао, Yangyang Ma, Pengyu Wang, Geng Luo, and Yisong Chen. A Review of Axial-Flux Permanent-Magnet Motors: Topological Structures, Design, Optimization and Control Techniques. Machines 2022, 10, 1178. https://doi.org/10.3390/machines10121178.

2. Альпер Н.Я., Терзян A.A. Индукторные генераторы. M.: Энергия, 1970. 192 с.

3. Huang Qi, Luo Ling, Zhu Liwei. Design and Research of Axial Flux Permanent Magnet Motor for Electric Vehicle. 2019 IEEE 3rd International Electrical and Energy Conference (CIEEC) 978-1-7281-1675-4/20. Conference Paper. September 2019. DOI: 10.1109/CIEEC47146.2019. CIEEC-2019658. The future of performance electric vehicle propulsion. Introducing YASA Axial Flux Motor. https://yasa.com/technology/.

4. https://www.researchgate.net/publication/340971279.

5. Афанасьев A.A. 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 и может найти применение при создании высокоэффективных вентильных двигателей. Технический результат – обеспечение возможности кратковременной форсировки электромагнитного момента на валу двигателя как за счет непродолжительного увеличения тока в статорных обмотках, так и в катушках, возбуждающих униполярное магнитное поле. Дисковый вентильный двигатель индукторного типа с униполярным возбуждением содержит зубцовые обмотки на двух неподвижных дисковых статорных сердечниках с числом пар полюсов p₁ у каждого, питаемые от преобразователя частоты. Ротор закреплен на немагнитной втулке, насаженной на вал двигателя, и содержит продольно шихтованные аксиальные зубцы числом Z₂=p₁, закрепленные на наружной поверхности немагнитной втулки и разделенные друг от друга сквозными пазами. На подшипниковых щитах закреплены катушки возбуждения постоянного тока, создающие униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковые щиты, статорные сердечники и ротор, аксиальные рабочие воздушные зазоры и вал двигателя. 1 ил.

Дисковый вентильный двигатель индукторного типа с униполярным возбуждением, содержащий зубцовые обмотки на двух неподвижных дисковых статорных сердечниках с числом пар полюсов p₁ у каждого, питаемые от преобразователя частоты, ротор, закрепленный на немагнитной втулке, насаженной на вал двигателя, отличающийся тем, что ротор содержит продольно шихтованные аксиальные зубцы числом Z₂=p₁, закрепленные на наружной поверхности немагнитной втулки и разделенные друг от друга сквозными пазами; на подшипниковых щитах имеются катушки возбуждения постоянного тока, создающие униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковые щиты, статорные сердечники и ротор, аксиальные рабочие воздушные зазоры и вал двигателя.