ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2025 года по МПК H02K1/278 H02K21/14 

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 чётное 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.

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, скрепляющие клеи и смолы 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, то есть 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 индукторная машина с гибридным возбуждением, описанная в статье «Hybrid Excitation of the Axial Inductor Machine» за авторством S. Orlova, V. Pugachov, N. Levin, опубл. 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 постоянные магниты, установленные в пазы пакетов ротора, и намагниченные радиально или однородно, формируя на каждом пакете ротора только южные или только северные полюса, причем направления намагниченности этих полюсов на соседних пакетах противоположны. Пазы машины заполняются магнитами полностью в радиальном направлении.

У такой машины в результате лучшего использования поверхности статора увеличивается КПД и удельные момент и мощность, по сравнению с индукторной машиной без магнитов.

Магнитный поток возбуждения в рассмотренных машинах замыкается через ярмо и втулку. Поэтому сечение корпуса статора и сечение втулки ротора можно сделать примерно одинаковым. Это увеличивает глубину паза, расход магнитов (их массу).

Расход магнитов оказывается меньше, если уменьшается глубина паза за счёт увеличения толщины вала, втулки и ярма шихтованных пакетов ротора, что приводит к увеличению массы ротора. Кроме того, увеличиваются паразитные магнитные потоки обмотки возбуждения и обмотки статора в пазах ротора. Паразитный поток обмотки возбуждения приводит к уменьшению момента и к насыщению корпуса, что ещё сильнее уменьшает момент. В результате уменьшаются КПД и удельная мощность. Паразитный поток обмотки статора приводит к увеличению индуктивности рассеяния обмотки статора и бесполезного (паразитного) падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния, что сужает диапазон достижимых режимов при заданных ограничениях на ток и напряжение источника питания обмотки статора. В частности, сужается диапазон регулирования скорости вверх от номинала при постоянстве выходной мощности для двигателей и генераторов переменной скорости. Это происходит за счёт роста реактивной составляющей напряжения, создаваемой потоком рассеяния обмотки статора, проходящим через паз ротора, с ростом скорости. Для двигателей и генераторов, работающих с постоянной скоростью, это увеличение падения напряжения на сопротивлении рассеяния ещё сильнее ухудшает удельные характеристики (сужает диапазон достижимых мощностей) за счёт роста реактивной составляющей тока обмотки статора.

Отметим также, что реактивная мощность может частично компенсироваться токами обмотки статора, приводящими к ослаблению поля. Однако добавление этих токов увеличивает потери и снижает КПД.

Таким образом, технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является повышение КПД, а также расширение диапазона достижимых режимов, с учетом ограничений по напряжению и току обмотки статора, при снижении массы ротора, а также при уменьшении требуемого количества (массы) магнитов.

Кроме того, для машин, работающих совместно с полупроводниковыми преобразователями (инвертор, диодный мост и т.п.), уменьшаются мощность этих преобразователей, что дополнительно снижает номинальный ток и габариты электропривода в целом.

Сущность изобретения поясняется эскизами, на которых изображено:

- фиг. 1 - трехмерный вид известной электрической машины, который показан с вырезом 1/2 части статора, а ротор показан неразрезанным;

- фиг. 2 - часть поперечного сечения известной машины, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- фиг. 3 - часть поперечного сечения одного из вариантов усовершенствованной машины, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- фиг. 4 - часть поперечного сечения одного из вариантов усовершенствованной машины, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- фиг. 5 - часть поперечного сечения одного из вариантов усовершенствованной машины, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- фиг. 6 - часть поперечного сечения одного из вариантов усовершенствованной машины, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- фиг. 7 - часть поперечного сечения одного из вариантов усовершенствованной машины, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- фиг. 8 - часть поперечного сечения одного из вариантов усовершенствованной машины, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- фиг. 9 - часть поперечного сечения одного из вариантов усовершенствованной машины, соответствующая одному зубцовому делению ротора;

- фиг. 10 - трехмерный вид одного из вариантов усовершенствованной электрической машины с двумя парами пакетов статора и ротора, который показан с вырезом 1/2 части статора, а ротор показан неразрезанным;

- фиг. 11 - трехмерный вид одного из вариантов усовершенствованной электрической машины с тремя парами пакетов статора и ротора, который показан с вырезом 1/2 части статора, а ротор показан неразрезанным.

Как видно из фиг. 1 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 два шихтованных пакета статора 4 с осевыми промежутками и без поворота друг относительно друга. Два шихтованных зубчатых пакета ротора 6 устанавливаются на втулку 3 напротив пакетов статора 4. В результате между пакетами ротора 6 также имеются осевые промежутки. В пакеты статора 4 установлена 8-полюсная обмотка статора 5. Число зубцов ротора равно четырём, то есть 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. Магниты 7, намагниченные радиально или однородно, устанавливают в пазы пакетов ротора 6. Магниты 7 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 также показывает поперечное сечение электрической машины.

Фиг. 3 показывает часть поперечного сечения усовершенствованной машины, имеющей пакеты статора и ротора с установленными на роторе постоянными магнитами, соответствующую одному зубцовому делению ротора. Фиг. 3 служит только для пояснения конструкции машины, геометрические соотношения между размерами могут не соответствовать соотношениям, описанным далее.

При этом на дне каждого паза ротора 6 имеются выступ 10, на который крепится магнит.

На фиг. 3. представлено выполнение машины, в котором магниты 7 своим полюсом полностью примыкают к выступу.

На фиг. 4. представлено выполнение машины, в котором магниты 7 сужаются в области зазора.

На фиг. 5. представлено выполнение машины, в котором сечение выступа 10 в наиболее узком месте меньше сечения прилегающего к выступу 10 полюса магнита 7.

Фиг. 6 показано выполнение машины, в котором одновременно магниты 7 своим полюсом полностью примыкают к выступу и сечение выступа 10 в наиболее узком месте меньше сечения прилегающего к выступу 10 полюса магнита 7.

На фиг. 7. показаны дополнительные элементы 12, повышающие прочность ротора. Такими элементами могут быть смолы, клеи, немагнитные вставки и т.п.

На фиг. 8. показано выполнение машины, в котором ротор имеет бандажное кольцо 11.

На фиг. 9. показано выполнение машины, в котором несколько магнитов устанавливаются в один паз ротора.

Фиг. 10 показано выполнение электрической машины с двумя парами пакетов статора и ротора. Данная электрическая машина также может иметь число пар пакетов статора и ротора более двух, например 3, как показано на фиг. 11.

Благодаря наличию выступов на дне пазов ротора в этих пазах размещаются магниты с радиальным размером (высотой) меньшим, чем радиальный размер (глубина) самих пазов. В результате уменьшается масса магнитов и увеличивается размер пустот в пазах, что уменьшает массу ротора.

Магнитные потоки возбуждения в пазах ротора создаются магнитами и преимущественно протекают через выступы пакетов ротора и магниты. Катушка возбуждения напротив ослабляет эти магнитные потоки. В режимах, требующих максимального возбуждения, например, в двигательном низкоскоростном высокомоментном нагрузочном режиме (нижняя граница диапазона регулирования скорости двигателя при постоянстве выходной мощности) или при подключении мощной нагрузки к генератору, выступы довольно сильно насыщены, и индукция в них составляет примерно 1-1,8 Тл, несмотря на то, что она существенно ослабляется действием МДС обмотки возбуждения.

В режимах, требующих меньшего возбуждения, например, при работе двигателя на скорости выше номинальной в диапазоне постоянства мощности или при подключении менее мощной нагрузки к генератору, работающему на постоянной скорости, рост намагниченности выступа пакета ротора существенно ослабляется в силу достигнутого насыщения за счёт уменьшения размагничивающего действия МДС катушки возбуждения. Таким образом, намагниченность выступа пакета ротора остается примерно одинаковой, а машина приобретает свойства близкие к машине с глубокими пазами, полностью заполненными магнитами в радиальном направлении, что расширяет диапазон достижимых режимов, увеличивает КПД и удельные характеристики машины при существенно меньшем количестве магнитов.

При сужении магнитов в направлении к зазору, как показано на фиг. 4, уменьшается риск их необратимого размагничивания.

Наличие узкого сечения выступа, по сравнению с сечением полюса магнита, как изображено на фиг. 5, приводит к более сильному насыщению выступа и ограничению намагниченности выступа в режимах, требующих меньшего возбуждения. Это ещё более расширяет диапазон достижимых режимов, КПД и удельные характеристики машины.

При полном примыкании к магнитам, как показано на фиг. 6, выступ лучше передает магнитный поток, протекающий через магнит, что ещё более увеличивает КПД особенно на низких скоростях и позволяет уменьшить массу магнита.

Для повышения прочности ротора, как показано на фиг. 7 и на фиг. 8, могут применяться бандажные кольца, клеи, смолы, немагнитные вставки и т.п. Это варианты конструкции могут быть применены, в частности, в высокоскоростных двигателях или генераторах, с повышенной центробежной силой, действующей на ротор.

Установка в паз ротора нескольких электроизолированных магнитов, как показано на фиг. 9, приводит к уменьшению токов Фуко в магнитах и ещё большему повышению КПД машины.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - повышение надежности электрической машины посредством уменьшения размагничивающей силы, действующей на магниты, предотвращение размагничивания магнитов, а также увеличение КПД и удельных момента и мощности машины. Электрическая машина содержит корпус статора и втулку ротора, сделанные из нешихтованного ферромагнитного материала, вал, два или более шихтованных пакета статора, установленные 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 на статоре в осевых промежутках между парами пакетов статора и ротора. Постоянные магниты установлены в пазы пакетов ротора. При этом на дне каждого паза ротора имеется магнитопроводящий выступ, на который крепятся магнит или магниты. Сечение выступа в наиболее узком месте меньше сечения выступа, прилегающего к полюсу постоянного магнита. 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Электрическая машина, характеризующаяся тем, что имеет:

- корпус статора из нешихтованного ферромагнитного материала,

- вал,

- втулку из нешихтованного ферромагнитного материала, насаженную на вал,

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

- шихтованные пакеты ротора с p/2 зубцами, установленные на втулку напротив пакетов статора и с угловым смещением между соседними пакетами на полюсное деление, то есть на угол 360°/р,

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

- один магнит или несколько электроизолированных постоянных магнитов, установленных хотя бы в один паз пакетов ротора, формирующих на каждом пакете ротора только южные или только северные полюса, причем эти полюса на соседних пакетах противоположны по направлению, при этом на дне каждого паза ротора имеется магнитопроводящий выступ, на который крепятся магнит или магниты, причем сечение выступа в наиболее узком месте меньше сечения выступа, прилегающего к полюсу постоянного магнита.

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, в которой магниты своим полюсом полностью примыкают к выступу.

5. Электрическая машина по п.1, в которой магниты сужаются к зазору.

6. Электрическая машина по п.1, имеющая бандаж на роторе, выходящий в зазор.

7. Электрическая машина по п.1, в пазах ротора которой располагаются дополнительные немагнитные элементы.