вентильная электрическая машина

область техники, к которой относится изобретение

настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно, к вентильным электрическим машинам.

уровень техники

в электрических машинах традиционного исполнения с цилиндрическим ротором и активной зоной преобразования электромеханической энергии, образованной поверхностью магнитопровода ротора и коаксиальной поверхностью магнитопровода статора с распределенной по окружности в пазах магнитопровода фазной обмоткой, одним из недостатков является увеличение габаритной длины машины по сравнению с активной длиной ротора за счет длины вылетов лобовых частей обмотки статора. другим недостатком указанного типа машин является наличие пазовой зоны магнитопровода статора, которая примерно в два раза уменьшает сечение стали, по которому проходит основной магнитный поток, тем самым ограничивая величину магнитной индукции поля возбуждения из-за насыщения магнитопровода зубцов пазовой зоны. кроме того, выполнение распределенной обмотки для мощных электрических машин весьма трудоемко, т.к. требует пайки отдельных проводников с последующим нанесением изоляции в труднодоступной зоне предварительно уложенной в пазы обмотки.

указанные недостатки в принципе устранены в электрических машинах с сосредоточенной обмоткой на статоре, к которым относятся многофазные машины с явнополюсными статором и ротором, имеющие неравное количество полюсов статора и ротора. в таких машинах, как правило, отсутствует система возбуждения ротора. характерной особенностью данных машин является путь прохождения

магнитного потока статорных катушек поперек ротора по диаметральному направлению, создание электромагнитного момента в каждый момент времени в основном диаметрально противоположными полюсами статора.

в патенте US 6949856 описана аналогичная многофазная электрическая машина, имеющая сосредоточенные катушки на статоре. известная электрическая машина содержит явнополюсный цилиндрический ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения, и явнополюсный статор, расположенный коаксиально с ротором. система возбуждения создает в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах противоположно. число полюсов статора не равно числу полюсов ротора, а электрическое подключение катушек статора стандартно для трёхфазных электрических машин. соседние по окружности катушки статора соединены последовательно, что приводит к уменьшению суммарного электромагнитного момента машины. 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 некоторых предложениях, из которых наиболее близким к заявленному является решение, описанное в патенте US 6917133, предлагается конфигурация постоянных магнитов в форме угла с раствором сторон, обращенных к рабочему воздушному зазору. в этих машинах железо магнитопровода ротора является одновременно конструктивным элементом для закрепления постоянных магнитов, запрессованных в вырубленные в листах железа ротора полости. по этой причине в роторе имеются замкнутые участки магнитопровода вокруг каждого постоянного магнита, по которым магнитный поток замыкается как между противоположными (N и S) полюсами самого магнита так и между соседними противоположными (N и S) полюсами ротора внутри самого ротора. таким образом, магнитопроводящие участки ротора, шунтирующие противоположные полюса самих постоянных магнитов и соседние противоположные полюса ротора внутри самого ротора являются одним из основных недостатков данного типа машин; 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. исходя из этого основная часть патентных предложений связана с попытками уменьшить данные потоки рассеяния.

раскрытие изобретения

задача настоящего изобретения состоит в создании электрической машины, более простой в конструктивном исполнении, в которой устранены указанные недостатки и обеспечен технический результат, заключающийся в увеличении электромагнитного момента и уменьшении амплитуды пульсирующего электромагнитного момента, а также ротора для такой машины

для этой цели предлагается вентильная электрическая машина, содержащая явнополюсный ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения, образованной постоянными магнитами и создающей в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах ротора противоположно, при этом система возбуждения каждого полюса ротора выполнена из двух постоянных магнитов, расположенных относительно друг друга под углом, обращенным вершиной от рабочего зазора между ротором и статором, и явнополюсный статор, число полюсов которого отлично от числа полюсов ротора, причем каждый полюс статора окружен идентичной катушкой, т.е. статор имеет сосредоточенную обмотку.

соотношение чисел полюсов ротора и статора определяется следующим образом. задается число фаз машины т . им соответствуют т подряд идущих полюсов статора. поскольку каждый полюс статора окружен ровно одной катушкой, то эти катушки и будут представлять фазы машины. затем выбирается число полюсов ротора п , которые будут взаимодействовать с сектором, образованным ранее выбранным числом т подряд идущих полюсов статора. это число п должно быть целым, и не иметь общих делителей с числом фаз т . затем выбирается количество групп катушек или, что то же самое, количество групп полюсов статора (ротора) р таким образом, чтобы общее число полюсов ротора N _p = пр было четным.

соответственно, изобретение предлагает объединение последовательно расположенных катушек статора в идентичные группы таким образом, чтобы все катушки каждой группы принадлежали к разным фазам, а полярности полюсов статора, создаваемые катушками каждой группы, чередовались. последнее достигается за счет изменения направления тока на противоположное в соседних катушках внутри каждой группы.

идентичность магнитного состояния групп катушек статора определяется двумя факторами:

- идентичностью взаимного расположения полюсов ротора и статора в пределах каждой группы катушек статора, и

- выбором направления тока в катушках одноименных фаз разных групп, в то время как по величине токи одноименных фаз в разных группах равны. для выполнения второго условия используется следующие правила выбора направления токов в идентичных фазах соседних групп.

если, количество полюсов ротора п , взаимодействующих с одной группой катушек статора, является четным, то магнитные потоки поля в одинаковых катушках разных групп равны по знаку, направления тока в таких катушках совпадают, следовательно обращенные к ротору полярности полюсов статора, создаваемые этими катушками, одноименны.

если же количество полюсов ротора п , взаимодействующих с одной группой катушек статора, является нечетным, то магнитные потоки поля в одинаковых катушках соседних групп противоположны по знаку. в этом случае для идентичности магнитного состояния токи в одинаковых катушках соседних групп должны быть противоположны по знаку, чтобы полярности полюсов статора, создаваемые этими катушками были разноименны.

подобный выбор соотношения чисел полюсов ротора и статора можно обосновать в предположении синусоидальности распределения магнитного поля исходя из следующих выражений:

U ₁ = U ₀ sin(ω(t - t, )) = U ₀ sm(ωt - φ _г ) ,

ω ^ω мex = ² ¥ ^' мex '

2π(i-V)

N _p φ, = ωt, = ——π(i-ϊ) , где

N ' , с

/ - номер катушки,

U ₀ - амплитуда напряжения,

U ₁ - напряжение на катушке с номером / , f _мex - механическая частота,

ω - электрическая частота, T - электрический период, ^ω _мex ~ циклическая механическая частота, N _p - число полюсов ротора, N _c - число полюсов статора,

/, - время сдвига полюса ротора от первого полюса статора до полюса с номером / , φ, - электрический сдвиг фазы напряжения на катушке с номером i .

пользуясь приведенными соотношениями, нужно определить, какие катушки будут синфазными, т.е. у каких катушек разность фаз напряжения будет кратна π радианам или, что то же самое, 180 электрическим градусам. разность номеров этих катушек можно определить следующим образом:

N ₀ N _D N ₀ φ, -φ _} = 7t(i-Y)—*—π(J -Y)—Z- = π(i-j)— - = πk,k = 0,1,2,3- > отсюда

-" с -" с с

(i-j)^ = к,к = 0,1,2,3...

поскольку N _p = пp , а N _c = тр , то

(i - J)- = к,к = 0,1,2,3... т

если числа т и п не имеют общих делителей, то синфазными будут катушки с разницей номеров, равной т , т.е. катушки с номерами / , i + т + l , i + 2m + \ и так далее, в зависимости от числа групп катушек статора. если же общий делитель у чисел т и п имеется, то внутри группы также появятся синфазные катушки. в самом деле, пусть m - m _λ s , п = щs , где s - целое число больше единицы. тогда синфазными будут катушки с разницей номеров, равной m _x . поскольку m _x < m , то эти катушки будут принадлежать одной группе.

из выражения (i - j) — = к, к = 0,1,2,3... следует также, каким образом т должны чередоваться полярности полюсов статора, окруженных идентичными катушками соседних групп. для таких катушек разница номеров составляет т , и разность фаз будет равна п -180 электрических градусов. если п четно, то эта разница кратна 360 электрических градусов, т.е. идентичные катушки находятся в

фазе, и полярности полюсов статора совпадают, а если нечетно, идентичные катушки находятся в противофазе, и полярности полюсов статора противоположны. видно, что при данном выборе соотношения числа полюсов ротора и статора все фазы внутри группы будут различны, и по окружности статора будет иметься р идентичных групп катушек статора.

катушки статора, принадлежащие к одной фазе, могут быть соединены либо последовательно, либо параллельно в зависимости от нужд конкретной реализации.

за счет принадлежности катушек каждой группы различным фазам имеет место сдвиг фаз, и гармоники пульсирующего магнитного момента каждой из фаз складываются таким образом, что в результирующем пульсирующем моменте остаются только гармоники высших порядков, амплитуда которых достаточно мала, а нулевые гармоники момента складываются, образуя постоянный вращающий момент. таким образом, уменьшается амплитуда пульсирующего электромагнитного момента. система питания данной машины должна обеспечить протекание в фазах симметричной знакопеременной многофазной системы токов. реализации системы питания могут быть различными, например, это может быть вентильный преобразователь.

изложенные признаки не ограничивают осуществление заявленного изобретения только в качестве электрического двигателя или генератора тока с цилиндрическим ротором, расположенным коаксиально со статором. вполне возможна также осуществление данной машины как линейного электрического двигателя.

для увеличения электромагнитного момента необходимо задействовать в каждый момент времени по возможности все полюса статора, а не только диаметрально противоположные, как в известных решениях. для достижения этого необходимо, чтобы магнитный поток каждого полюса ротора взаимодействовал только с ближайшими к нему полюсами статора, что обеспечивает максимальную амплитуду магнитного поля. система возбуждения ротора может выполняться на основе постоянных магнитов, размещенных в радиальных разрезах магнитопровода ротора. однако из- за неравенства числа полюсов ротора и статора возникает азимутальная вариация магнитного сопротивления с кратной этой разности полюсов периодичностью, обуславливающая пульсацию магнитных потоков рассеяния на удаленной от рабочего зазора стороне ротора.

для уменьшения магнитных потоков рассеяния и их пульсации на удаленной от рабочего зазора стороне ротора предлагается блок постоянных магнитов каждого полюса ротора выполнить из двух постоянных магнитов, расположенных относительно друг друга под углом, обращенным вершиной от рабочего зазора между ротором и статором. постоянные магниты каждого полюса по существу соприкасаются ребрами однополярных граней, при этом угол между постоянными магнитами составляет порядка девяноста градусов, а участки ротора, примыкающие к граням постоянных магнитов, параллельным направлению намагниченности и обращенным от рабочего зазора, а также участки ротора между соседними полюсами ротора, примыкающие к обращенным к рабочему зазору граням постоянных магнитов, параллельным направлению намагниченности, выполнены из немагнитного материала. как следует из результатов, полученных в результате численного моделирования, а также предыдущего опыта участки ротора между соседними полюсами ротора, примыкающие к обращенным к рабочему зазору граням постоянных магнитов, параллельным направлению намагниченности, предпочтительно имеют со стороны рабочего зазора глубину порядка удвоенной толщины постоянных магнитов. такое выполнение обеспечивает исключение вокруг каждого постоянного магнита замкнутых участков магнитопровода, шунтирующих противоположные полюса самих постоянных магнитов, и участков магнитопровода, шунтирующих противоположные соседние полюса ротора внутри магнитной системы самого ротора. в результате увеличивается магнитное сопротивление потокам рассеяния как между противоположными (N и S) полюсами самих постоянных магнитов так и между противоположными (N и S) соседними полюсами ротора внутри магнитной системы самого ротора. полярности любых соседних полюсов ротора при этом остаются противоположными, а участки магнитопровода ротора, расположенные с наружной по отношению к воздушному зазору стороны от постоянных магнитов, имеют непрерывный контур вдоль силового бандажного цилиндра толщиной, не превышающей толщину насыщения магнитопровода ротора потоками рассеяния, т.е. не более единиц процентов радиальной толщины активной зоны ротора; в контуре магнитопровода ротора вдоль силового бандажного цилиндра допускаются разрывы, ширина которых не превосходит наименьший радиальный размер магнитопровода, поскольку под действием центробежных сил возможно некоторое увеличение радиуса ротора и длины его окружности.

подобное выполнение магнитной системы ротора обеспечивает увеличение электромагнитного момента, достигаемое за счет задействования в каждый момент

времени по возможности всех полюсов машины, когда магнитный поток каждого полюса ротора взаимодействует только с ближайшими к нему полюсами статора, обеспечивая локализацию магнитного потока и увеличение амплитуды магнитного поля в рабочем зазоре. дополнительно такая конструкция обеспечивает дополнительное увеличение электромагнитного момента за счет концентрации магнитного потока в полюсах ротора, обусловленной конфигурацией постоянных магнитов под углом между их рабочими гранями порядка девяноста градусов. постоянные магниты, практически соприкасающиеся по длине ротора однополярными гранями, образуют конфигурацию, уменьшающую поток рассеяния с внешней по отношению к рабочему зазору стороны ротора и обусловленные ими потери в зоне силового бандажного цилиндра ротора.

предпочтительно участки ротора между соседними полюсами ротора, примыкающие к обращенным к рабочему зазору граням постоянных магнитов, параллельным направлению намагниченности, представляют собой полости, заполненные воздухом.

краткое описание чертежей

на фиг. 1 представлен пример осуществления электрической машины с обращенной геометрией, когда ротор расположен коаксиально со статором снаружи статора.

на фиг. 2 представлена типичная картина магнитного поля в электрической машине, соответствующей примеру на фиг 1.

осуществление изобретения на фиг. 1 представлен пример осуществления многофазной электрической машины с цилиндрическим ротором 2, расположенным снаружи статора 1.

магнитная система статора 1 состоит из двух групп 7а и 76 катушек статора, всего имеется двенадцать полюсов 3 статора, равномерно расположенных по окружности статора 1 и объединенных общим магнитопроводом - спинкой статора 8. каждый из этих полюсов окружен катушкой статорной обмотки 7, то есть статор является явнополюсным. все катушки 7 выполнены идентичными. число различных фаз в данном осуществлении электрической машины равно шести.

катушки статора одноименных фаз можно соединить как последовательно, так и параллельно с учетом соблюдения полярности тока в катушках.

ротор 2 машины состоит из силовой конструкции 9, на которой крепится магнитная система, состоящая из полюсов 4 ротора и постоянных магнитов б системы возбуждения. силовая конструкция обеспечивает удержание центробежных сил, воздействующих на магнитную систему ротора, и передачу вращающего момента на вал машины. постоянные магниты б размещены в межполюсных разрезах 5 ротора, причем каждая пара постоянных магнитов симметрична относительно радиальной оси своего полюса, имея на этой оси точку сопряжения практически соприкасающихся по длине машины ребер однополярных граней и угол между этими гранями порядка девяноста градусов, при этом полярности любых соседних полюсов ротора противоположны.

на фиг. 2 приведена картина магнитного поля в заявленной машине в некоторый произвольно выбранный момент времени. наглядно проиллюстрировано отсутствие магнитного потока между полюсами статора, окруженными катушками одноименных фаз различных групп, в данном случае между диаметрально противоположными полюсами, а также отсутствие магнитного поток рассеяния в области сопряжения постоянных магнитов в зоне силового бандажного цилиндра ротора.