Магнитоэлектрический двигатель Советский патент 1991 года по МПК H02K1/06 H02K26/00 

со С

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов. Целью изобретения является уменьшение удельной массы и повышение быстродействия Двигатель содержит статор 1, беспазовый магнитопровод 2, многофазную якорную обмотку 3. Ротор-индуктор 5 выполнен из тангенциально намагниченных магнитов 6 и магнитомягких полюсов. Длина ротора-индуктора 5 и его диаметр выполнены в соответствии с соотношением, приведенным в описании изобретения. 7 ил.

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к электрическим двигателям с возбуждением от постоянных магнитов.

Целью изобретения является уменьшение удельной массы и повышение быстродействия.

На фиг. 1, 2 представлен продольный и поперечный разрезы магнитоэлектрического двигателя; на фиг. 3, 4 - катушки якорной обмотки для двух вариантов двигателя с полюсами прямоугольной формы и с полюсами квадратной формы; на фиг. 5 - кривая размагничивания материала SmSos, из которого изготовлены постоянные магниты индуктора, представленная в относительных единицах и (В и Н соответственно текущие значения индукции и напряженности поля, Нс - коэрцитивная сила. Вг - остаточная индукция), которую можно приближенно считать линейной; на фиг. 6, 7

- графики зависимости удельного объема и удельного момента инерции индуктора от его числа пар полюсов, построенные для оптимального значения относительной длины Аопт.

Магнитоэлектрический двигатель содержит статор 1, беспазовый магнитопро- вод 2, многофазную якорную обмотку 3, выполненную из катушек 4, ротор-индуктор 5, выполненный из постоянных тангенциально намагниченных магнитов 6 и магнитомягких полюсов 7, магниты 6 прилегают к полюсам 7 своими полюсами 8 с одноименной намагниченностью.

Длина ротора-индуктора 4 Lp в отношении к его наружному диаметру Dp выполнена по соотношению

о

XI XI

со

о

СЛ

Члт(1 +ГДР m - число фаз обмотки якоря;

q - число пазов на полюс и фазу;

Р - число пар полюсов.

Работа магнитоэлектрического двигателя осуществляется следующим образом.

При включении многофазной якорной обмотки 3 на напряжение сети образуется вращающееся магнитное поле, которое посредством пускового средства (не показано) втягивает ротор 5 в синхронный режим работы. В синхронном режиме возникает взаимодействие вращающегося поля обмотки 3 и поля постоянных магнитов 6, в результате которого образуется вращающий момент. При пропускании по обмотке 3 постоянного тока создается момент при неподвижном роторе 5.

М Коб

Р -WslV-ir. Ks

где Коб - обмоточный коэффициент;

Р - число пар полюсов;

Ws - число витков фазы обмотки 3;

Ф магнитный поток ротора-индуктора 4 на пару полюсов;

U - напряжение питания;

Rs сопротивление фазы обмотки 3.

Из выражения (1) видно, что при выполнении условия Ws Ф.Г const, Rs const, обеспечивающего неизменность пускового момента ЭД, можно уменьшить размеры и момент инерции ротора 5, если одновременно уменьшить магнитный поток и пропорционально увеличить число витков фазы обмотки 3.

Возможность увеличения числа витков при сохранении неизменным сопротивления фазы обмотки 3 поясняется с помощью фиг. 3, 4.

На фиг. 3 видно, что при равных площадях полюсов индуктора 5 периметр катушки 4 обмотки 3, соответствующий квадратной форме полюсов, меньше периметра катушки 4 при прямоугольной форме полюсов 7. Следовательно, используя один и тот же провод при выполнении катушки 4 в форме квадрата, можно добиться увеличения числа витков фазы, сохраняя неизменным сопротивление секции обмотки 3,

Однако при одинаковой площади полюсов 7 квадратной и прямоугольной формы полюсная дуга квадратного полюса 7 больше, чем полюсная прямоугольного полюса 7, что требует увеличения диаметра индуктора 5 для размещения заданного числа полюсов 7 квадратной формы. Это не позволяет достигнуть наилучшего быстродействия двигателя Оксидно, что при неизменном числе пас п- югов Р существует оптимальное сося нот- НИР длиной

10

15

20

25

и шириной Гр полюса 7 индуктора 5, а следовательно, и оптимальная длина Аопт, обеспечивающая при прочих равных условиях наименьшую массу и момент инерции ротора 5.

В выражении (1) параметры Ws, Фг и Rs выразим через основные конструктивные параметры магнитоэлектрического двигателя.

Так как сопротивление фазы определяется выражением:

,(2)

где /эудельное сопротивление обмоточного провода;

Iw - средняя длина витка катушки;

SM - площадь поперечного сечения обмоточного провода, то число витков фазы

SM

(3)

/o-Tvv

Определяют среднюю длину витков, используя чертеж катушки 4 изображенный на фиг. 3, 4. Средний виток катушки 4 имеет ширину, равную полюсному делению.

к- Dp

Т 2Р

Ширина одной стороны катушки 4

Тк

т л Рр m q 2 Р m q

(4)

Средняя длина витка катушки 4 с учетом выражения для гк

35

U + + 2т + 2тк 2рА+я(1+1)(5)

4Q Подставляя значение Iw в выражение для Ws получим:

Ws

Rs SM Р

/ -Ор 2РА+л:(1 +1/mq)

(6)

Магнитный поток ротора 5 определяется выражением

ф р фгВ индукторе 5 установленные рядом тангенциально намагниченные постоянные магниты 6 создают встречно направленные поля. Складываясь в межполюсном пространстве, заполненном магнитомягким материалом, они создают в воздушном зазоре двигателя общий магнитный поток полюса 7, определяемый выражением

Ьм Вг Ом

а

(7)

5 1677805б

где Ьм - относительная индукция в нейт-Подставляя значения Ws и Ф соответ- ральном сечении магнита 6, U -ственно из формул (6) и (7) с учетом (8) в площадь поперечного сечения постоянныхвыражение (1) для пускового момента маг- магнитов 6.нитоэлектрической машины, после преоб- hM - высота постоянного магнита 65 разований получим выражение для вдоль радиуса индуктора 5,определения диаметра ротора 5 двигателя:

а- коэффициент рассеяния магнитного

потока индуктора 5.Dp

Пренебрегая насыщением магнитнойж р и МпГор; 4цепи индукцию в нейтральном сечении маг-10 8 К б Кн s В Р2 U I

нита (координаты точки пересечения кривой2I 1Гл

размагничивания и луча, соответствующего х ( 1 4--) Г1 4- - h r 1

относительной проводимости воздушногоmcl L л3«п(1-«п)Нс-1

зазора на фиг. 5), можно найти путем реше-(9)

кия системы уравнений15 Так как объем цилиндрического сплошного ротора 5 магнитоэлектрического двига(Ь 1 - h ;теля и его момент инерции определяются

Ь h - Лг соответственно выражениями: д

описывающих соответственно кривую раз- 0 Vp - А Dp , (10)

магничивания и луч проводимости воздуш-

ного зазора. Решая эту систему уравнений,$

получают, 2 V2/A2 , (11)

цп

д.25

Ьм s- т где плотность материала ротора 5, то с

1 + Af 2 Р д Кн Вг 10учетом выражения(Э) будем иметь

Л3 On (1 -On) Не„ / Мп 3 w

о

35

- проводимость воздушного зазора двига-г РА+яГ 1 + VI

теля на пару полюсов; L m Q J

д Br.QM Br-hM Lp nooBQг 2Р2.КЬ.Вг-107-|1з -УДель -нГЧ -нГи -Па°- 1+ onCi-oo) Л

димость постоянного магнита;40

Q$ On г Lp - площадь полюса в на-ный Объем ротора 5, зависящий от конструкправлении, перпендикулярном радиусу ро-тивных особенностей индуктора и свойств

т°Ра материала постоянных магнитов б,

On Тпн/ - коэффициент полюсной ду-

ги; 45|J 1174.8 Vp3 V(v;/A) -удельный

Гпн - наибольшая ширина полюсамомент инерции ротора для у 8000кг/м3

(фиг. 2);(13) ,

д- длина воздушного зазора двигателяПутем исследования функции Vp f(P, A)

вдоль его радиуса;и (P. AJ на минимум получим оптимальLM- т- г и (1 - Оп) - длина ное значение относительно длины ротора 5

магнита по оси намагничивания;, 1 ч

- дt п + )

д - -рг- коэффициент длины воздуш- Jg-

М5Dp r

ного зазора;55

коэффициент высоты магнитаобеспечивающее минимальный объем и MO- DPмент инерции ротора при прочих равных (фиг. 2).условиях, а следовательно и максимальное

быстродействие.

35

При любых других значениях Я , отличных от оптимальных, значение удельного объема и удельного момента инерции ротора 5 будут больше, а динамические характеристики двигателя будут хуже.

Таким образом, выполнение магнитоэлектрического двигателя с оптимальной относительной длиной ротора

я

1

Aorrr--р(1 +)по изобретению обеспечивает по сравнению с прототипом наименьшую его массу и момент инерции, а следовательно, наилучшие динамические показатели, в частности быстродействия. Формула изобретения Магнитоэлектрический двигатель, содержащий статор с беспазовым магнито- проводом и многофазной якорной обмоткой, расположенный внутри статоФиг.1

ра, ротор-индуктор с постоянными магнитами, размещенными между магнитомЯгкими полюсами, намагниченными тангенциально и размещенными с прилеганием одноименных полюсов магнитов к магнитомягким полюсам, отличающийся тем, что, с целью уменьшения удельной массы и повышения быстродействия, длина ротора - индуктора Lp и его диаметр Dp выполнены в соответствии с соотношением

5

1

Я(1 + -1-)

vm n

m q

где m - число фаз якорной обмотки;

q - число пазов на полюс и фазу;

Р - число пар полюсов ротора-индуктора.

Фиг.1

01/3.3

Фиг А

фиг. 5

„ 1.//7г/ VP, 1U

123456189 10

Фиг. 6

п кг-м 4Пзи

Jn -10

./

2,0 1,6

V

I

1,г

w

0,8

о,в

w

0,2