ОБРАЩЕННАЯ СИНХРОННАЯ РЕАКТИВНАЯ МАШИНА Российский патент 2024 года по МПК H02K21/22 H02K19/14 H02K1/2792 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к обращенным синхронным реактивным электрическим машинам и может быть использовано в электроприводах установок, электромеханических системах транспорта в виде электродвигателя мотор-колеса, электролебедках, электрогенераторах.

Известен электродвигатель с внешним ротором (заявка RU 2005100751, МПК H02K 1/00, 2002 г.), содержащий внутренний статор, включающий в себя неподвижный вал и имеющий множество обмоток, и внешний ротор, с возможностью вращения относительно неподвижного вала и имеющий множество магнитов, радиально отстоящих друг от друга по периферии статора, причем каждый из магнитов имеет, по меньшей мере, один заданный полюс.

Недостатками указанного электродвигателя являются возможность возникновения значительных магнитных потоков рассеяния, что приводит к уменьшению электромагнитного момента двигателя, а так же в указанном электродвигателе не обеспечивается возможность асинхронного пуска в двигательном режиме и демпфирования переходных электромагнитных процессов.

Известна электромашина (патент RU 2557069, МПК H02K 21/22, H02K 1/27, H02K 5/04, H02K 7/09, 2015 г.), содержащая опорный корпус статора, шихтованный сердечник статора, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнены пазы, в которые уложены катушки обмотки статора. Статор размещен внутри цилиндрической полости ротора. Ротор содержит индуктор. Корпус ротора выполнен в виде двух тарелок из немагнитного материала, разъемно скрепленных друг с другом и обращенных друг к другу своими полостями. Постоянные магниты индуктора в форме параллелепипеда и немагнитные клинья трапецеидальной формы выполнены в виде планок, ориентированных вдоль продольной оси ротора и установленных с образованием составного кольца с чередованием полярности полюсов. Электромашина снабжена радиальными и упорными магнитными подшипниковыми узлами, расположенными на выступах опорного корпуса статора и соосных с ними Г-образных цилиндрах, выполненных на тарелках корпуса ротора. На цилиндрических выступах опорного корпуса статора жестко закреплены статорные части составных постоянных магнитов, образующие магнитную схему Хальбаха. На обращенных к ним поверхностях Г-образных цилиндров закреплены роторные части составных постоянных магнитов, образующие магнитную схему Хальбаха. Составные постоянные магниты образуют радиальные подшипники.

Недостатком указанной конструкции является отсутствие возможности создания дополнительного реактивного момента, что не позволяет достичь повышенного значения максимального электромагнитного момента. Также в заявленном электродвигателе не обеспечивается возможность асинхронного пуска в двигательном режиме и демпфирования переходных электромагнитных процессов.

Известен обращенный вентильный двигатель (патент RU 2467454, МПК H02K 29/00, H02K 1/27, H02K 21/22, 2012 г.), принятый за прототип, состоящий из статора с m-фазной обмоткой и ротора, состоящего из внешней втулки и постоянных магнитов, согласно изобретению, статор расположен внутри двигателя, а ротор состоит из внешней втулки, на внутренней поверхности которой размещена магнитная система, состоящая из 12-ти предварительно намагниченных и раскроенных сегментов, причем угол намагничивания каждого сегмента определяют по формуле αa_HC=90° (N-1), где N - порядковый номер сегмента в обойме, число пар полюсов магнитного поля ротора соответствует числу пар полюсов обмотки статора.

Недостатком указанной конструкции является отсутствие возможности создания дополнительного реактивного момента, что не позволяет достичь повышенного значения максимального электромагнитного момента. Также в заявленном электродвигателе не обеспечивается возможность асинхронного пуска в двигательном режиме и демпфирования переходных электромагнитных процессов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение энергоэффективности, удельных показателей и динамических характеристик, обеспечение возможности асинхронного пуска в двигательном режиме, демпфирование переходных электромагнитных процессов в обращенной синхронной реактивной машине.

Техническим результатом является улучшение энергетических характеристик (КПД, коэффициент мощности), удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность) и пусковых характеристик машины.

Технический результат достигается тем, что в обращенной синхронной реактивной машине, содержащей внутренний сердечник статора, закрепленный на неподвижном валу, с обмоткой, размещенной в пазах сердечника статора, внешний ротор с постоянными магнитами, установленный с зазором по отношению к статору и с возможностью вращения, внешний ротор снабжен короткозамкнутой обмоткой, стержни которой размещенные в периферийных зонах щелевидных осевых каналов в роторе, отделены от зазора магнитопроводящей перемычкой, каналы ориентированы по осям полюсов, в поперечном сечении форма каналов соответствует форме раскрытого к зазору одного угла или раскрытых к зазору внутренних односторонних углов, постоянные магниты выполнены составными из пластин, инкорпорированы в указанные каналы внешнего ротора, размещены на полюсном делении со смещением векторов намагниченности, пластин составных постоянных магнитов, образуя магнитную сборку Хальбаха. На полюсном делении внешнего ротора щелевидные осевые каналы с инкорпорированными постоянными магнитами чередуются в радиальном направлении с магнитопроводящими слоями.

Сущность изобретения поясняют чертежи. На фиг. 1 приведено изображение поперечного разреза магнитной системы четырех полюсной обращенной синхронной реактивной машины со стержнями короткозамкнутой обмотки и с щелевидными осевыми каналами с инкорпорированными постоянными магнитами, чередующимися в радиальном направлении с магнитопроводящими слоями. На фиг. 2 приведено изображение поперечного разреза внешнего ротора с инкорпорированными постоянными магнитами и стержнями короткозамкнутой обмотки. На фиг. 3а приведен лист внешнего ротора с каналами в форме раскрытого к зазору одного угла, на фиг. 3б приведен лист внешнего ротора с каналами в форме раскрытых к зазору внутренних односторонних углов.

Обращенная синхронная реактивная машина содержит закрепленный на неподвижном валу 1 внутренний сердечник статора 2 с пазами 3, в которые уложена многофазная обмотка. Внешний ротор 4 установлен с зазором по отношению к статору 2 и с возможностью вращения. Внешний ротор 4 снабжен короткозамкнутой обмоткой, стержни 5 которой, размещенные в периферийных зонах щелевидных осевых каналов 6, которые отделены от зазора магнитопроводящей перемычкой. Указанные каналы 6 ориентированы по осям полюсов d. В поперечном сечении форма каналов 6 может соответствовать форме раскрытого к зазору одного угла (фиг. 2, фиг. 3а). В поперечном сечении форма каналов 6 может соответствовать форме раскрытых к зазору внутренних односторонних углов (фиг. 1, фиг. 3б). Постоянные магниты 7, выполненные составными из пластин, инкорпорированы в указанные каналы 6 вешнего ротора 4. Каналы 6 размещены на полюсном делении ротора, а постоянные магниты 7 установлены со смещением векторов намагниченности составных пластин, образуя магнитную сборку Хальбаха. На полюсном делении внешнего ротора 4 щелевидные осевые каналы 6 с инкорпорированными постоянными магнитами 7 могут чередоваться в радиальном направлении с магнитопроводящими слоями 8.

Заявляемая обращенная синхронная реактивная машина работает следующим образом. При питании многофазной обмотки внутреннего статора 2 системой переменных напряжений протекающие токи якоря создают вращающееся магнитное поле якоря, которое замыкается через внешний ротор 4. Реактивный момент М_р, возникающий в машине, обусловлен разницей индуктивных сопротивлений обмотки якоря X_d и X_q по осям d и q внешнего ротора 4 (фиг. 1), вследствие отличающихся магнитных проводимостей λ_d=λ_q на путях замыкания магнитных потоков по этим осям на каждом полюсе, что обеспечивается конструктивно, путем выполнения на полюсном делении внешнего ротора 4 щелевидного осевого канала 6 с инкорпорированными постоянными магнитами 7 (фиг. 2, фиг. 3а) или щелевидных осевых каналов 6 с инкорпорированными постоянными магнитами 7, чередующихся в радиальном направлении с магнитопроводящими слоями 8 (фиг. 1, фиг. 3б):

где m - число фаз; U - фазное напряжение; ω₁ - синхронная угловая частота вращения; θ - угол нагрузки.

Размещение постоянных магнитов 7 внутри сердечника внешнего ротора 4 обеспечивает создание магнитного потока магнитов по оси d, что снижает потребление реактивной мощности из сети и повышает коэффициент мощности машины. Взаимодействие вращающегося магнитного поля якоря с потоком постоянных магнитов создает электромагнитный момент:

где m - число фаз; U - фазное напряжение; Е - ЭДС обмотки якоря, наведенная потоком магнитов; ω₁ - синхронная угловая частота вращения; θ - угол нагрузки.

Выполнение щелевидных осевых каналов 6 во внешнем роторе 4 и размещение в них постоянных магнитов 7 позволяет создать отличающиеся магнитные проводимости λ_d ≠ λ_q на путях замыкания магнитных потоков по осям d и q и, соответственно, отличающиеся индуктивные сопротивления Х_d ≠ X_q, что в предлагаемой конструкции обеспечивает возникновение реактивного момента М_р ≠ 0 и возникновение электромагнитного момента М_эм ≠ 0 от действия постоянных магнитов 7. Максимальный результирующий электромагнитный момент от действия реактивного и электромагнитного моментов увеличивается, что улучшает динамические характеристики синхронных реактивных машин с постоянными магнитами. В каналах 6, размещенные на полюсном делении постоянные магниты 7, набранные из составных пластин, установлены со смещением векторов намагниченности и образуют магнитную сборку Хальбаха. Это обеспечивает распределение индукции магнитного поля в зазоре более близкое к синусоидальной форме. Отделение периферийных зон щелевидных осевых каналов 6 от зазора магнитопроводящей перемычкой позволяет снизить пульсации магнитной индукции в зазоре и момента, электромагнитного шума.

В обращенной конструкции машины, по сравнению с конструкцией с внутренним ротором, полюсное деление на внешнем роторе увеличено, что позволяет увеличить ширину инкорпорированных постоянных магнитов, это обеспечивает возрастание использования энергии постоянных магнитов, при той же угловой скорости вращения возрастает окружная скорость ротора. Так же вместе с повышенным электромагнитным моментом, увеличивается коэффициент полезного действия, удельные значения момента и мощности, это позволяет снижать массогабаритные показатели машины.

В заявляемой обращенной синхронной реактивной машине обеспечивается возможность повышения точности позиционирования постоянных магнитов 7 в сердечнике внешнего ротора 4, повышенная прочность крепления постоянных магнитов 7 во внешнем роторе 4 и конструктивное препятствование тангенциальному сдвигу магнитов, по сравнению с размещением постоянных магнитов в зазоре на внутренней гладкой цилиндрической поверхности сердечника внешнего ротора. Это обеспечивает надежную работу заявляемой синхронной реактивной машине при повышенной частоте вращения ротора. В заявляемой обращенной синхронной реактивной машине внешний ротор 4 снабжен короткозамкнутой обмоткой, стержни 5 которой размещены в периферийных зонах щелевидных осевых каналов 6. Короткозамкнутая обмотка, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора 2 создает асинхронный момент при разгоне, что позволяет осуществлять асинхронный пуск заявляемой машины, а так же демпфирование переходных электромагнитных процессов.

Таким образом, в заявляемой обращенной синхронной реактивной машине обеспечивается улучшение энергетических, удельных и пусковых характеристик.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к обращенным синхронным реактивным электрическим машинам. Технический результат – улучшение энергетических, удельных и пусковых характеристик машины. В обращенной синхронной реактивной машине, содержащей внутренний сердечник статора, закрепленный на неподвижном валу, с обмоткой, размещенной в пазах сердечника статора, внешний ротор выполнен с постоянными магнитами и установлен с зазором по отношению к статору с возможностью вращения. Особенностью изобретения является снабжение ротора короткозамкнутой обмоткой, стержни которой размещены в периферийных зонах щелевидных осевых каналов в роторе и отделены от зазора магнитопроводящей перемычкой. При этом каналы ориентированы по осям полюсов, в поперечном сечении форма каналов соответствует форме раскрытого к зазору одного угла или раскрытых к зазору внутренних односторонних углов, постоянные магниты выполнены составными из пластин, инкорпорированы в указанные каналы внешнего ротора, размещены на полюсном делении со смещением векторов намагниченности пластин составных постоянных магнитов, образуя магнитную сборку Хальбаха. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Обращенная синхронная реактивная машина, содержащая внутренний сердечник статора, закрепленный на неподвижном валу, с обмоткой, размещенной в пазах сердечника статора, внешний ротор с постоянными магнитами, установленный с зазором по отношению к статору и с возможностью вращения, отличающаяся тем, что внешний ротор снабжен короткозамкнутой обмоткой, стержни которой размещены в периферийных зонах щелевидных осевых каналов в роторе, которые отделены от зазора магнитопроводящей перемычкой, каналы ориентированы по осям полюсов, в поперечном сечении форма каналов соответствует форме раскрытого к зазору одного угла или раскрытых к зазору внутренних односторонних углов, постоянные магниты выполнены составными из пластин, инкорпорированы в указанные каналы внешнего ротора, размещены на полюсном делении со смещением векторов намагниченности пластин составных магнитов, образуя магнитную сборку Хальбаха.

2. Обращенная синхронная реактивная машина по п. 1, отличающаяся тем, что на полюсном делении внешнего ротора щелевидные осевые каналы с инкорпорированными постоянными магнитами чередуются в радиальном направлении с магнитопроводящими слоями.