Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно, к многофазным электрическим машинам.

Уровень техники

В настоящее время значительное внимание в электромашиностроении уделяется электрическим машинам с явнополюсными статором и ротором, число полюсов которых не равно друг другу. Действительно, по сравнению с традиционными машинами, имеющими неявнополюсный статор с распределенной в пазах магнитопровода статора фазной обмоткой, данный тип машин имеет ряд существенных преимуществ: Во-первых, благодаря тому, что обмотка статора в таких машинах выполняется в виде совокупности сосредоточенных катушек, каждая из которых охватывает один полюс статора, вылет лобовой зоны обмотки получается существенно меньше, чем у распределенной обмотки, что уменьшает габариты и вес машины. Кроме того, изготовление статора с сосредоточенными катушками значительно проще, чем традиционного. Во-вторых, данный тип машин обладает существенно более высокими удельными показателями (Вт/кг), что позволяет увеличить мощность (момент, силу) при сохранении габаритов машины.

Поле возбуждения в машинах с неравным числом полюсов ротора и статора, как правило, создается с помощью постоянных магнитов, которые не требуют подвода энергии к вращающемуся ротору, а сами представляют собой источники магнитного поля. Отсутствие на роторе обмотки возбуждения, которая является источником значительных тепловыделений, позволяет упростить схему охлаждения ротора и, в ряде случаев, достичь больших значений мощности машины за счет увеличения длины ротора.

Конфигурация магнитной цепи ротора (расположение магнитов) в значительной степени определяет удельные характеристики машины. Так, в патенте US 6949856 описана многофазная электрическая машина с неравным числом полюсов ротора и статора, в которой система возбуждения ротора выполнена на основе радиально намагниченных постоянных магнитов, что не позволяет получить достаточно большую индукцию магнитного поля в зазоре между ротором и статором. В евразийском патенте 008613 В1 использована конструкция, в которой магниты намагничены тангенциально, что позволяет за счет наращивания радиальной высоты магнита повысить индукцию магнитного поля в зазоре между ротором и статором. Использование такой конструкции действительно эффективно, однако требует увеличения радиального размера активной зоны ротора, причем в значительно большей степени, чем этого требовала бы спинка в случае радиально намагниченных магнитов. Другим недостатком данной конструкции магнитной цепи ротора, которая, в основном, имеет значение для машин с неравным числом полюсов ротора и статора, является значительное поле рассеяния магнитов со стороны, противоположной рабочему воздушному зазору между ротором и статором. Ввиду наличия явных полюсов на статоре магнитное сопротивление рабочего зазора потоку магнитов значительно изменяется при вращении ротора, что приводит к пульсации указанного выше потока рассеяния с полюсной частотой статора. Данная пульсация воспринимается несущим цилиндром, к которому закреплены полюса ротора, что приводит к высоким тепловыделениям от вихревых токов.

Уменьшение радиального размера активной зоны индуктора (ротора) при сохранении индукции магнитного поля (или, наоборот, увеличение индукции при сохранении радиальной зоны) возможно при расположении магнита под углом к радиальной оси машины, как это сделано в известном патенте SU797006A1. Здесь под углом к радиальной оси установлены дополнительные магниты, которые направлены на увеличение потока основных магнитов, расположенных по-прежнему радиально. Конструкция, предложенная в патенте, обладает рядом существенных недостатков, в частности имеются участки магнитопроводящей стали, которые соединяют разные полюсы магнитов, что приводит к повышенным полям рассеяния, снижению рабочего потока и характеристик машины. Кроме того, магниты разных типоразмеров затрудняют изготовление индуктора и усложняют крепление его элементов.

Последни недостаток устранен в патенте WO2007/0081 10A1 , где представлен ротор, каждый полюс которого формируется парой магнитов, установленных симметрично относительно радиальной оси под некоторым углом к ней в отверстия пакета листов магнитопроводящей стали. При этом ближайшие друг к другу ребра магнитов одного полюса фактически состыкованы, а под магнитами установлены немагнитные вставки, существенно снижающие потоки рассеяния. Поскольку в данной конструкции железо магнитопровода ротора является элементом для закрепления постоянных магнитов, появляются перешейки из магнитопроводящей стали, соединяющие полюса ротора противоположной полярности. Это является существенным недостатком используемой в патенте конструкции, поскольку основной магнитный поток между ротором и статором, обуславливающий нормальное функционирование электрической машины, не будет замыкаться через статор до тех пор, пока эти участки ротора не насытятся потоками рассеяния до такой степени, что их сопротивление не станет соизмеримым с сопротивлением основному потоку через рабочий зазор.

Описанные выше недостатки конструкций в целом устранены в патенте ЕА 009822В1 , где потоки рассеяния снижены как за счет сведения ребер магнитов, так и за счет немагнитопроводящих вкладышей. Таким образом, данный патент может рассматриваться как ближайший аналог. Магниты в аналоге размещены под углом около 45 градусов к радиальной оси, т.е. угол между магнитами выбран равным 90 градусов. Однако, как будет показано ниже, этот угол не является оптимальным и существует возможность увеличить индукцию магнитного поля в воздушном зазоре за счет изменения этого угла, что позволит улучшить удельные характеристики машины (увеличить момент).

С точки зрения минимизации потерь на поверхности несущего цилиндра ротора от вариации полей рассеяния, конструкция, заявленная в патенте ЕА 009822В1 , также не является оптимальной для машин с неравным числом полюсов ротора и статора. Дело в том, что даже при сведении ближайших друг к другу ребер магнитов одного полюса поле рассеяния довольно значительно. Это связано с тем, что в машине с неравным числом полюсов статора и ротора (якоря и индуктора) сопротивление магнитной цепи для магнитов одного полюса различное, что приводит к разному значению индукции в них и, в результате, в точке сведения магнитов два встречно направленных поля не компенсируют друг друга полностью и разностное поле проникает в несущий цилиндр. Кроме того, как показывает практика, в реальных конструкциях индукторов не удается окончательно свести ребра магнитов, при этом всегда существует щель шириной, по крайней мере, несколько миллиметров, которая является источником поля рассеяния, вариация которого при высокой частоте вращения ротора (или большом числе полюсов статора) может вызывать локальный нагрев конструкции.

Другой, по-прежнему нерешенной, задачей является способ уменьшения радиальной толщины активной зоны индуктора. Даже при размещении магнитов под углом для увеличения индукции магнитного поля в рабочем зазоре приходится увеличивать высоту магнита (размер генерирующей плоскости магнита). Последнее часто невозможно именно из-за ограничений на радиальный размер зоны. Пока единственным решением является переход на большее число полюсов индуктора, что приводит к уменьшению ширины полюса и, соответственно, высоты магнита, необходимой, чтобы создать на поверхности этого полюса требуемое поле. Очевидно, что увеличение числа полюсов приводит к пропорциональному росту основной частоты тока, тепловыделений в магнитопроводе якоря и проблемам с электропитанием такой машины.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в снижении указанных недостатков, имеющихся в уровне техники, и увеличении электромагнитной силы (момента), уменьшении толщины активной зоны ротора, а также снижении амплитуды вариации полей рассеяния на поверхности конструктивных элементов индуктора, связанной с полюсностью статора.

Для решения указанной задачи предоставляется вентильная электрическая машина, имеющая явнополюсный якорь, каждый полюс которого окружен идентичной катушкой или идентичной группой нескольких катушек, и явнополюсный индуктор с четным числом полюсов чередующейся полярности. Представленная машина отличается тем, что отношение числа полюсов якоря к числу полюсов индуктора является дробным, преимущественно в диапазоне от 0.75 до 1.5, а сам индуктор образован совокупностью следующих друг за другом блоков, каждый из которых состоит из пакета пластин магнитопроводящей стали и двух призматических магнитов, примыкающих к нему с двух сторон гранями одинаковой полярности, образующей полярность блока, так что наименьший угол между указанными гранями составляет 30-75 градусов, а биссектриса этого угла направлена в сторону якоря. Пакеты соседних блоков отделены друг от друга зазорами, которые могут быть воздушными прослойками, толщиной не менее толщины магнита, а также пакетами пластин магнитопроводящей стали, имеющих контакт с пакетами блоков только через магниты этих блоков и зазоры толщиной не менее толщины магнита, при этом все последовательные блоки одной полярности образуют полюс индуктора данной полярности, а со стороны, противоположной якорю, пакеты пластин магнитопроводящей стали формируют практически непрерывную поверхность со щелями, толщиной не более 1 -2% от толщины магнита. Зазоры, разделяющие пакеты пластин магнитопроводящей стали индуктора, могут быть заполнены изоляционным немагнитопроводящим материалом. В одном из вариантов выполнения машины индуктор выполнен подвижным и, в частности, называется ротором, а якорь выполнен неподвижным и, в частности, называется статором. В другом варианте выполнения индуктор может быть выполнен неподвижным и, в частности, называться статором, а якорь может быть выполнен подвижным и, в частности, называться ротором.

Индуктор может быть выполнен цилиндрическим и расположен коаксиально с якорем внутри якоря, а также может быть выполнен цилиндрическим и расположен коаксиально с якорем снаружи якоря. В предпочтительном варианте электрическая машина представляет собой линейный двигатель.

На решение задачи настоящего изобретения также направлен явнополюсный индуктор для вентильной электрической машины, имеющий четное число полюсов чередующейся полярности и образованный совокупностью следующих друг за другом блоков, каждый из которых состоит из пакета пластин магнитопроводящей стали и двух призматических магнитов, примыкающих к нему с двух сторон гранями одинаковой полярности, образующей полярность блока, так что наименьший угол между указанными гранями составляет 30-75 градусов, а биссектриса этого угла направлена в сторону якоря. Пакеты соседних блоков отделены друг от друга зазорами, которые могут быть воздушными прослойками, толщиной не менее толщины магнита, а также пакетами пластин магнитопроводящей стали, имеющих контакт с пакетами блоков только через магниты этих блоков и зазоры толщиной не менее толщины магнита, при этом все последовательные блоки одной полярности образуют полюс индуктора данной полярности, а со стороны, противоположной якорю, пакеты пластин магнитопроводящей стали формируют практически непрерывную поверхность со щелями, толщиной не более 1 -2% от толщины магнита. Зазоры, разделяющие пакеты пластин магнитопроводящей стали, могут быть заполнены изоляционным немагнитопроводящим материалом. В одном из вариантов явнополюсный индуктор выполнен подвижным и, в частности, называется ротором, а в другом варианте индуктор может быть выполнен неподвижным и, в частности, называться статором.

Предложенные конструкции позволяет решить проблему концентрации магнитного потока, т.е. увеличения удельных характеристик машины, при широких полюсах индуктора, когда предельно допустимая толщина активной зоны не позволяет разместить магниты нужной высоты даже при их наклоне относительно нормали к поверхности полюса. Благодаря предложенным решениям возможно получение вентильной электрической машины, обладающей большей мощностью при сохранении габаритных размеров и обеспечивающей более высокие характеристики магнитных потоков по сравнению с уровнем техники.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема расположения магнитов в индукторе машины, обеспечивающая возможность увеличения поля в рабочем зазоре при сокращенной толщине активной зоны индуктора, а также зона повышенных тепловыделений в несущей конструкции из-за вариации полей рассеяния магнитов.

На фиг. 2а проиллюстрированы причины возникновения несбалансированных полей рассеяния в машине с дробным отношением числа полюсов якоря к числу полюсов индуктора. На фиг. 26 показан способ шунтирования таких полей.

Способ формирования протяженных полюсов индуктора при сохранении требуемого коэффициента концентрации потока и ограниченной толщине радиальной зоны индуктора представлен на фиг. 3.

Фигура 4 иллюстрирует пример осуществления машины с использованием предложенной концепции построения магнитной системы индуктора.

Осуществление изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в создании конструкции электрической машины, в которой устранены указанные недостатки и обеспечен технический результат, заключающийся в увеличении электромагнитной силы (момента), уменьшении толщины активной зоны ротора, а также снижении амплитуды вариации полей рассеяния на поверхности конструктивных элементов индуктора, связанной с полюсностью статора.

Для решения поставленной задачи предлагается электрическая машина, имеющая явнополюсный якорь, каждый полюс которого окружен идентичной катушкой или идентичной группой нескольких катушек, и явнополюсный индуктор с четным числом полюсов чередующейся полярности, отличающаяся тем, что отношение числа полюсов якоря р _я к числу полюсов индуктора р _и является

дробным.

Очевидно, что в такой машине фазовый сдвиг ЭДС (токов) катушек двух соседних полюсов статора составит ^и / · π . Для определения оптимального диапазона, из которого целесообразно выбирать указанное соотношение полюсов, рассмотрим два характерных зн 2 .

В первом случае на один полюс статора приходится два полюса индуктора. Учитывая, что два соседних полюса индуктора имеют противоположную полярность, то такая магнитная конфигурация обеспечивает замыкание потока двух соседних полюсов индуктора поперек полюса якоря в его части, близкой к рабочему зазору. Доля полезного потока, пронизывающего полюс якоря вдоль и создающего ЭДС в катушке полюса якоря довольно мала, что приводит к уменьшению электромагнитной силы (момента) и снижению удельных характеристик машины. Очевидно, что увеличение числа полюсов индуктора на полюс якоря (снижение нее 0,5) еще больше ухудшает ситуацию, т.к. потоки всех вновь

добавляемых полюсов индуктора (сверх той пары, которая была выше) замыкаются поперек полюса якоря и не дают олезный поток.

Во втором случае, при два полюса якоря приходятся на один

полюс индуктора и все катушки якоря образуют систему двух фаз со сдвигом 90 градусов. Ввиду того, что полюс индуктора значительно (в общем случае в два раза) шире полюса якоря, через каждый полюс якоря в течение значительного времени будет проходить постоянный магнитный поток, а значит генерироваться нулевая ЭДС. Фактически кривая ЭДС будет представлять собой всплески соответствующей полярности, возникающие в моменты набегания или сбегания полюса якоря с широкого полюса индуктора. Первая гармоника ЭДС такой кривой будет иметь пониженную амплитуду, что приведет к пониженной мощности и моменту машины. При увеличении числа полюсов якоря на один полюс индуктора ситуация будет усугубляться, поскольку период основной гармоники сохраниться, а интервал времени, в течение которого полюс якоря будет находиться в постоянном потоке увеличится (соответственно уменьшится время, в течение которого поток в полюсе будет изменяться, т.е. время в течение которого ЭДС не равна нулю).

бразом, возможный диапазон отношения чисел полюсов есть азывает, что наилучшие комбинации этом, конечно, исключается вариант = 1 , соответствующей однофазной машине с пульсирующим магнитным

полем. Как показал проведенный анализ, наименьшие вариации силы (момента), а, следовательно, и набольше ение средней силы (момента) достигаются, когда в несокращаемой дроби разница между числителем и знаменателем

составляет 1 или 2, при этом числитель этой дроби указывает на количество независимых фаз, которое получается при данном соотношении чисел полюсов.

В предлагаемом варианте электрической машины индуктор выполнен с возбуждением от постоянных магнитов. Причем для увеличения индукции возбуждения в рабочем зазоре между индуктором и якорем используется эффект концентрации магнитного потока, генерируемого магнитом, за счет того, что магнит имеет большую активную поверхность (грань, перпендикулярная вектору намагничивания), чем активная поверхность полюса (поверхность, направленная в рабочий зазор).

Обычно в аксиальном направлении активная зона машины представляет собой регулярную структуру, тогда степень концентрации потока определяется размерами элементов в поперечном сечении машины. Геометрический коэффициент концентрации магнитного потока может быть определен как

где h _M - высота магнита (длина ребра перпендикулярного вектору намагничивания),

Ъ _р - ширина полюса (длина проекции активной поверхности полюса на плоскость поперечного сечения).

Если потоки рассеяния внутри индуктора маленькие, то можно считать, что коэффициент К _ф численно равен отношению средней индукции на активной поверхности полюса к средней индукции на активной поверхности магнита.

Очевидно, что увеличение коэффициента К _ф , т.е. увеличение высоты магнита, приводит к увеличению индукции в рабочем зазоре, силы (момента) и мощности машины. В предлагаемом варианте машины каждый полюс индуктора образован по крайней мере одним блоком 14 (см. фиг. 1 ), состоящим из пакета пластин (листов) магнитопроводящей стали 6 и пары магнитов 5, расположенных под углом к оси симметрии поперечного сечения этого полюса так, чтобы раствор угла, образованного магнитами, был обращен к якорю Такое расположение магнитов позволяет сократить толщину активной зоны ротора при сохранении высоты магнита и коэффициента концентрации. При этом, необходимым условием для снижения полей рассеяния, замыкающихся между пакетами пластин магнитопроводящей стали б и 7, является отсутствие магнитопроводящих элементов, расположенных между соседними полюсами в зоне рабочего зазора.

При расположении магнитов согласно фиг. 1 желательно, также, свести ближайшие ребра двух магнитов друг к другу на минимально возможное расстояние. Это снизит в этой зоне поле рассеяния магнитов, вариация которого при вращении ротора создает повышенные тепловыделения в зоне 10 несущей конструкции 8 (см. фиг. 1 ).

В случае, когда ребра магнитов расположены достаточно близко, геометрический коэффициент концентрации может быть примерно определен как

К _ф w (sin а/2) ^-1 , где а - угол раствора магнитов. Таким образом, уменьшение угла между магнитами одного полюса приводит к увеличению коэффициента концентрации магнитного потока. Однако, это не приводит к пропорциональному увеличению поля в рабочем зазоре и удельных характеристик машины. Данный факт связан с тем, что с уменьшением угла растет магнитное сопротивление полюса и, как следствие, суммарное сопротивление всей магнитной цепи. Последнее снижает индукцию в магните В _м и на поверхности полюса В _р , сохраняя, в первом приближении, их отношение на уровне величины, обратной коэффициенту концентрации. Степень отклонения характеристики В (К _ф ) от линейной функции определяется тем вкладом, который вносит сопротивление полюса в суммарное магнитное сопротивление, и определяется, в первую очередь, величиной рабочего воздушного зазора, толщиной магнитов и степенью насыщения остальных участков магнитной цепи. Кроме того, при увеличении К _ф , растет поле рассеяния в щель между сближенными ребрами магнитов, что также понижает В _р . Как показывают проведенные расчеты, в зависимости от указанных выше факторов, наиболее оптимальный диапазон углов между магнитами составляет 30-75 градусов. При угле меньше 30 градусов индукция в рабочем зазоре низкая из-за низкой индукции в магните (при разумной толщине магнита), а при угле больше 75 градусов, несмотря на высокую индукцию в магните, индукция в рабочем зазоре низкая вследствие малого коэффициента концентрации.

Как уже упоминалось, сведение ближайших друг к другу ребер магнитов одного полюса снижает поле рассеяния в зоне несущей конструкции индуктора довольно значительно. Однако, обеспечение даже нулевого зазора между указанными ребрами не снимает окончательно проблему при дробном числе полюсов якоря на один полюс индуктора. В такой машине сопротивление магнитной цепи для магнитов одного полюса различное (см. фиг. 2а), так как полюса якоря 1 1 расположены неодинаково относительно полюсов справа и слева от рассматриваемого полюса, расположенного в середине. Это приводит к разному значению индукции в магнитах и, в результате, в точке сведения магнитов два встречно направленных поля не компенсируют друг друга полностью и разностное поле проникает в несущую конструкцию. Вариация такого поля при вращении (перемещении) ротора даже на холостом ходу может создавать значительные тепловыделения от вихревых токов.

Для снижения тепловыделений целесообразно под зоной стыковки магнитов полюса располагать магнитопроводящий элемент, который будет шунтировать потоки рассеяния, не допуская их проникновение в несущую конструкцию 8 (фиг. 26). Данный элемент (шунт) необходимо выполнять из пакета пластин (листов) магнитопроводящей стали. Как показывают проведенные расчеты, шунт должен быть отнесен от точки стыковки (линии сведения) ребер магнитов на расстояние не меньше толщины магнита, причем образовавшаяся полость может быть заполнена любым изоляционным материалом 12. Достаточная высота шунта - 5-10 мм, при этом допускается поперек шунта наличие технологических щелей 13 толщиной не более 1-2% от толщины магнита.

Предложенная конструкция позволяет решить проблему концентрации магнитного потока, т.е. увеличения удельных характеристик машины, при широких полюсах индуктора, когда предельно допустимая толщина активной зоны не позволяет разместить магниты нужной высоты даже при их наклоне относительно нормали к поверхности полюса. Традиционный путь решения состоит в увеличении числа полюсов индуктора для сокращения ширины полюса. Часто это невозможно, т.к. приводит к пропорциональному увеличению основной частоты тока (напряжения), что вызывает рост потерь в магнитопроводе якоря и сложностям с электропитанием машины. В рамках настоящей конструкции эту задачу можно решить без увеличения числа полюсов за счет разбиения каждого полюса на несколько блоков одной полярности. При этом конструкция каждого блока идентична изложенной выше, а шунт с увеличенной высотой исполняет роль спинки (ярма), связывающей все блоки между собой (фиг. 3).

На фиг. 4 представлен пример осуществления электрической машины с цилиндрическим индуктором 1 , расположенным внутри якоря 2 (представлена четверть поперечного сечения машины). Индуктор выполнен вращающимся и 2011/000006 представляет собой ротор машины, а якорь - неподвижным и представляет собой статор машины.

Магнитная система якоря состоит из двенадцати полюсов 1 1 , равномерно распределенных по окружности и объединяющих их ярма (спинки) 4. Каждый полюс якоря окружен катушкой 3, которая является идентичной копией остальных одиннадцати катушек. Якорь 2 установлен в корпус 9. машины.

Магнитная система индуктора состоит из четырнадцати идентичных блоков, каждый из которых формирует полюс индуктора и состоит из пакета пластин магнитопроводящей стали 6 и двух призматических магнитов 5, примыкающих к нему с двух сторон гранями одинаковой полярности, так что наименьший угол между указанными гранями составляет 60 градусов, а ближайшие углы соприкасаются. Магнитная связь между соседними блоками осуществляется с помощью пакетов пластин магнитопроводящей стали 7, каждый из которых имеет шунтирующий хвостовик, прикрывающий несущий цилиндр 8 от полей рассеяния магнитов. Стягивание пакетов 6 и 7 в аксиальном направлении осуществляется с помощью шпилек, пропущенных в отверстиях пакетов. Крепление пакетов б к несущему цилиндру 8 выполнено по торцам, а пакетов 7 - с помощью клиновидных шпонок, входящих в соответствующие пазы в пакетах. Полярность каждого полюса индуктора соответствует полярности магнитов, вектор намагниченности которых указан на фиг.4 стрелками.

Отношение числа полюсов якоря к числу полюсов индуктора составляет 6/7 , что определяет фазовый сдвиг между соседними катушками, равный / x l 80° = 210° и позволяет выделить 6 независимых фаз, каждая из которых может быть получена последовательным или параллельным соединением двух диаметрально противоположных катушек (причем одна из катушек этой пары должна быть включена встречно). За счет соединения соответствующих фаз в звезду или треугольник, можно получить две стандартные трехфазные системы, с фазовым сдвигом относительно друг друга 30 градусов.