вентильная электрическая машина с регулируемым возбуждением

область техники, к которой относится изобретение

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

предшествующий уровень техники

в известных электрических машинах система возбуждения, как правило находится на роторе, в частности в евразийском патенте Ns 008613 «Mнoгoфaзнaя электрическая мaшинa» описана многофазная электрическая машина, имеющая явнополюсный цилиндрический ротор и явнополюсный статор, расположенный коаксиально с ротором. число полюсов на роторе не равно числу полюсов на статоре. каждый полюс системы возбуждения, расположенный на роторе, содержит постоянные магниты, что не позволяет регулировать напряжение машины при изменении частоты вращения.

при увеличении оборотов в машине напряжение обмотки переменного тока возрастает, что в случае требования поддержания постоянной мощности машины, приводит к увеличению установленной мощности системы питания. (под установленной мощностью системы питания понимается произведение максимальных значений тока и напряжения.) для того, чтобы установленная мощность была бы минимальной необходимо при изменении оборотов сохранять напряжение постоянным.

другим недостатком указанного типа машин является отсутствие возможности жидкостного охлаждения постоянных магнитов в процессе работы машины. поскольку свойства постоянных магнитов зависят от температуры и при увеличении температуры выше определённой величины у магнитов начинается

снижение коэрцитивной силы, то для обеспечения возможности использования двигателей с постоянными магнитами в производствах с повышенной температурой окружающей среды (сталелитейные цеха и др.) задача стабилизации температуры узла с постоянными магнитами приобретает существенное значение. известным решением ослабления потока возбуждения постоянных магнитов в двигателях, работающих от преобразователей частоты, является использование размагничивающей реакции статорных токов. это производится за счет изменения угла отпирания ключей коммутатора в совокупности с увеличением суммарной индуктивности фазы двигателя. такое увеличение достигается за счет введения в цепь ее питания дополнительной внешней индуктивности (реактора). однако для применения данного способа снижения напряжения двигателя необходимо наличие значительного тока в обмотке статора, поэтому в режимах с малой нагрузкой (например, в тяговом электроприводе на высокой частоте вращения) и режимах холостого хода данный способ неприменим, а, следовательно, снижения установленной мощности преобразователя достичь таким способом невозможно.

из уровня техники известны электрические машины индукторного типа с сосредоточенными обмотками (катушками) на статоре, с явнополюсными статором и ротором, имеющие неравное количество полюсов статора и ротора. полюса пассивного ротора имеют общий участок магнитопровода, соединяющий их друг с другом. характерной особенностью таких машин является путь прохождения магнитного потока статорных катушек от одного полюса ротора к другому по общему участку роторного магнитопровода. в данных машинах также происходит возрастание напряжения при увеличении оборотов. как и в выше описанном случае, при требовании поддержания постоянной мощности, величина установленной мощности системы питания (I _max х U _max ) будет возрастать по отношению к требуемой мощности машины.

известно, что в ряде случаев в индукторные машины с сосредоточенными обмотками (катушками) на статоре для регулирования потока возбуждения вводят кольцевидную обмотку возбуждения, магнитная ось которой направлена аксиально. при этом поток возбуждения проходит вдоль оси машины по магнитомягкому корпусу статора, затем проникает радиально в активную зону и возвращается в корпус по магнитомягкому остову ротора. известным недостатком таких машин является ее повышенные габаритные размеры: во-первых, длина из-за необходимости размещения катушки возбуждения и, во-вторых радиальные размеры из-за существенно увеличенной толщины корпуса, торцевых щитов и

остова ротора ввиду необходимости пропускать весь поток возбуждения. при использовании обмотки возбуждения (обмотки постоянного тока), распределенной по окружности статора, приходится отказываться от сосредоточенных катушек и для обмотки переменного тока, что увеличивает размеры машины и усложняет технологию ее изготовления. другим недостатком описанных выше индукторных машин с обмотками возбуждения является наличие значительной постоянной составляющей магнитного поля в активном железе ротора и статора, которая не производит полезной работы (в отличие от машин, где происходит полное перемагничивание обмотки переменного тока) и вызывает лишь ухудшение использования материалов машины.

известны отдельные предложения, например, описанные в патенте US6917133, с конфигурацией постоянных магнитов в форме угла с раствором сторон, обращенным к рабочему воздушному зазору. однако в этой машине постоянные магниты расположены на роторе, что не позволяет применить способ регулирования напряжения машины при изменении частоты вращения. это, в свою очередь, приводит к возрастанию величины установленной мощности системы питания.

в патенте US3289021 описана электрическая машина, которая может быть принята за ближайший аналог предлагаемого решения. данная машина имеет явнополюсный статор с обмоткой возбуждения и обмоткой переменного тока, а также ротор с магнитомягкими секторами, служащами для направления магнитного потока из полюсов возбуждения в полюса обмотки переменного тока. известная электрическая машина не содержит постоянных магнитов, что требует постоянного питания обмотки возбуждения во всех режимах работы и ведет к пониженным энергетическим показателям. кроме того, в указанной электрической машине равенство числа магнитомягких секторов на роторе и числа полюсов обмотки переменного тока на статоре приводит к наличию устойчивых положений ротора, в которых вращающий момент равен нулю (залипание ротора), что в US3289021 предлагается устранить взаимным разворотом двух полуроторов. последнее требует исполнение машины в виде двух полумашин, что существенно усложняет конструкцию, снижает надежность и увеличивает габариты машины.

сущность изобретения

задача настоящего изобретения состоит в создании электрической машины, в которой устранены недостатки известных из уровня техники решений. заявленная

вентильная электрическая машина обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в минимизации установленной мощности системы питания для режимов работы, при которых требуется поддержание постоянной мощности машины при изменении оборотов. также увеличивается гибкость управления машиной в зависимости от требуемого режима работы.

в первом варианте заявленного изобретения для этой цели предлагается вентильная электрическая машина, включающая в себя явнополюсный ротор, образованный совокупностью отдельных равномерно расположенных по окружности ротора полюсов ротора, и явнополюсный статор, содержащий полюса возбуждения и полюса обмотки переменного тока. каждый полюс возбуждения окружен катушкой обмотки возбуждения, а каждый полюс обмотки переменного тока окружен катушкой обмотки переменного тока. полюса возбуждения и полюса обмотки переменного тока чередуются по окружности статора. каждый полюс возбуждения содержит по меньшей мере один постоянный магнит. полярности ближайших друг к другу полюсов возбуждения различны, т.е. чередуются по окружности статора. число полюсов обмотки переменного тока отлично от числа полюсов ротора. угловая протяженность полюса ротора, составляет по существу две трети углового расстояния между центрами соседних полюсов обмотки переменного тока на статоре, иначе говоря, две трети периода статорной структуры. в случае, если угловая протяженность полюса ротора отклоняется от указанного значения в большую или меньшую сторону, начинают проявляться явления, оказывающие негативное влияние на эффективность представленной машины. конкретно, при моделировании машины по настоящему изобретению было обнаружено, что при увеличении полюса ротора увеличиваются паразитные потоки рассеяния полюсов возбуждения, что приводит к снижению уровня эдс и уменьшению эффективности машины. в дополнение к этому, как при увеличении, так и уменьшении полюса ротора, увеличивается амплитуда гармоник высшего порядка в эдс, что ведет к снижению эффективности как машины, так и привода в целом.

предпочтительно, в такой машине каждый полюс возбуждения содержит два постоянных магнита, расположенных друг относительно друга под углом. этот угол обращен вершиной в направлении от зазора между ротором и статором. в вершине постоянные магниты соприкасаются ребрами, причем эти ребра принадлежат однополярным граням.

в другом варианте заявленного изобретения предлагается вентильная электрическая машина, включающая в себя явнополюсный ротор, образованный

совокупностью отдельных равномерно расположенных по окружности ротора полюсов ротора, и явнополюсный статор, содержащий полюса возбуждения и полюса обмотки переменного тока. каждый полюс обмотки переменного тока окружен катушкой обмотки переменного тока, полюса возбуждения и полюса обмотки переменного тока чередуются по окружности статора. полюса возбуждения подразделены на регулируемые полюса возбуждения, каждый из которых окружен катушкой обмотки возбуждения, и нерегулируемые полюса возбуждения, каждый из которых содержит по меньшей мере один постоянный магнит. количество регулируемых полюсов возбуждения равно количеству нерегулируемых полюсов возбуждения, регулируемые полюса возбуждения и нерегулируемые полюса возбуждения чередуются по окружности статора, а полярность всех нерегулируемых полюсов возбуждения идентична. число полюсов обмотки переменного тока отлично от числа полюсов ротора. угловая протяженность полюса ротора составляет по существу две трети углового расстояния между центрами соседних полюсов обмотки переменного тока на статоре.

каждый нерегулируемый полюс возбуждения, предпочтительно, содержит два постоянных магнита, расположенных друг относительно друга под углом. вершина угла обращена вершиной в направлении от зазора между ротором и статором. в вершине постоянные магниты соприкасаются ребрами, причем эти ребра принадлежат однополярным граням.

такие электрические машины могут выполняться как с внутренним ротором, расположенным внутри статора, так и с наружным ротором, расположенным снаружи статора.

система возбуждения создаёт в полюсах возбуждения статора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах возбуждения противоположно. это обеспечивает изменение знака электромагнитной индукции возбуждения по расточке машины. при подаче тока определенной полярности в катушки обмотки переменного тока, обеспечивается силовое взаимодействие магнитных полей каждой пары полюсов возбуждения и обмотки переменного тока. при этом возникает электромагнитная сила, действующая на ферромагнитные элементы (полюса) ротора, стремящаяся разместить их таким образом, чтобы обеспечить наилучшее замыкание суммарного магнитного поля близлежащих катушек обмотки возбуждения и обмотки переменного тока через полюса, которые они окружают. после перемещения ротора на определенный угол требуется сменить полярность тока в некоторых катушках обмотки переменного тока. это

нужно для того, чтобы обеспечить требуемое направление силы, действующей на роторные элементы.

рассмотрим какой-либо полюс обмотки переменного тока. по обе стороны от него (справа и слева по расточке машины) расположены полюса возбуждения. полярности этих полюсов возбуждения имеют противоположные значения. положим, что ферромагнитный элемент (полюс) ротора движется мимо полюса обмотки переменного тока против часовой стрелки (справа налево). при подходе полюса ротора к полюсу обмотки переменного тока он занимает положение, при котором часть полюса ротора расположена над правым полюсом возбуждения, а часть расположена над полюсом обмотки переменного тока. при этом магнитный поток от правого полюса возбуждения проходит через полюс ротора и замыкается на рассматриваемый полюс обмотки переменного тока. при дальнейшем движении полюс ротора отдаляется от правого полюса возбуждения и занимает положение, при котором часть полюса ротора расположена над левым полюсом возбуждения, а часть - над полюсом обмотки переменного тока. при этом магнитный поток от левого полюса возбуждения проходит через полюс ротора и замыкается на рассматриваемый полюс обмотки переменного тока. по этой причине на рассматриваемый полюс обмотки переменного тока замыкается поток противоположного знака от левого полюса возбуждения. таким образом, при работе машины магнитное поле в полюсах обмотки переменного тока будет изменяться не только по величине, но и по знаку, при этом достигается полное перемагничивание катушек обмотки переменного тока, что улучшает характеристики машины.

полюс возбуждения может дополнительно содержать по меньшей мере один постоянный магнит. в одном из вариантов полюс возбуждения содержит один постоянный магнит, намагниченный радиально (перпендикулярно поверхности статора, обращенной в зазор между ротором и статором). еще один вариант предусматривает два постоянных магнита, расположенных друг относительно друга под углом, обращенным вершиной от зазора между ротором и статором. в этом случае постоянные магниты каждого полюса соприкасаются рёбрами однополярных граней. полярности магнитов в соседних полюсах при этом чередуются между собой. возможно также размещение большего количества магнитов в полюсах возбуждения, что в отдельных приложениях, при надлежащей геометрической конфигурации магнитов, может способствовать повышению эффективности распределения магнитного потока.

наличие постоянного магнита позволяет частично снизить потери на возбуждение. само присутствие постоянных магнитов (без тока в катушках возбуждения) уже создаёт поле возбуждения и обеспечивает определённое значение напряжения машины при фиксированном значении оборотов. при необходимости изменения поля возбуждения в обмотку возбуждения подаётся ток, который может как усиливать, так и ослаблять поле постоянных магнитов. тем самым повышается гибкость и степень регулирования машины, позволяя адаптировать ее к разным режимам работы. в некоторых приложениях целесообразным оказывается пространственное отнесение к различным полюсам стационарной части поля возбуждения (создаваемой нерегулируемыми полюсами возбуждения с постоянными магнитами) и изменяемой части поля возбуждения (создаваемой регулируемыми полюсами возбуждения, окруженными катушками обмотки возбуждения).

также при расположение магнитов на неподвижном статорном полюсе возбуждения можно применить жидкостную систему охлаждения узла с постоянными магнитами, что имеет существенное значение при использования двигателей с постоянными магнитами в производствах с повышенной температурой окружающей среды. благодаря этому, электрическую машину по настоящему изобретению можно эффективно применять в условиях неблагоприятных температур, где иные решения сходного типа перегревались бы, а существующие машины с охлаждением полюсов в недостаточной степени отвечают ставящимся требованиям.

перечень фигур 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 режиме холостого хода в электрической машине, соответствующей примеру на фиг 1. на фиг. 3 схематично представлен пример другого варианта осуществления настоящего изобретения, в котором статор содержит регулируемые и нерегулируемые полюса возбуждения.

сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

на фиг. 1 представлен пример осуществления вентильной электрической машины с цилиндрическим ротором 2, расположенным снаружи статора 1. число полюсов ротора на один меньше, чем число полюсов обмотки переменного тока статора. магнитная система явнополюсного статора 1 состоит из двух групп статорных полюсов: полюсов 3 обмотки переменного тока и полюсов 5 возбуждения. каждый полюс обмотки переменного тока окружён катушкой 4 обмотки переменного тока. каждый полюс возбуждения окружён катушкой 6 обмотки возбуждения и содержит пару постоянных магнитов 7, симметричных относительно радиальной оси полюса. магниты каждого полюса практически соприкасаются ребрами однополярных граней. полярности любых соседних полюсов возбуждения противоположны. все статорные полюса объединены общим магнитопроводом (спинкой 8 статора).

число различных фаз в данном осуществлении электрической машины равно шести. в фазу объединяются две диаметрально противоположные катушки.

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

ротор 2 машины состоит из совокупности отдельных равномерно расположенных по окружности пассивных ферромагнитных элементов (полюсов) 9. протяжённость в угловом направлении каждого элемента (полюса) ротора составляет около двух третей периода статорной структуры. ферромагнитные элементы (полюса) механически закреплены на немагнитном цилиндре 10, связанном с валом машины при помощи прочного диска. на фиг. 2 приведена картина магнитного поля в вышеописанном варианте осуществления электрической машины в некоторый произвольно выбранный момент времени. на данной фигуре наглядно видно, как именно магнитное поле полюсов 5 возбуждения взаимодействует с катушками 4 обмотки переменного тока. из картины поля видно, что при вращении ротора (смещении ферромагнитных элементов) полюса 3 обмотки переменного тока пересекаются магнитным полем поочередно то в одном, то в другом направлении, обеспечивая их полное перемагничивание.

на фиг. 3 представлен фрагмент исполнения вентильной электрической машины, содержащей регулируемые и нерегулируемые полюса возбуждения. число полюсов ротора 2 на один меньше, чем число полюсов 3 обмотки переменного тока

статора 1. магнитная система явнополюсного статора 1 состоит из трёх групп статорных полюсов: полюсов 3 обмотки переменного тока, регулируемых полюсов 5 возбуждения 5 и нерегулируемых полюсов 7 возбуждения. каждый полюс 3 обмотки переменного тока окружён катушкой 4 обмотки переменного тока. каждый регулируемый полюс 5 возбуждения окружён катушкой 6 обмотки возбуждения. каждый нерегулируемый полюс 7 возбуждения содержит один постоянный магнит 8, намагниченный радиально (перпендикулярно поверхности статора, обращенной в зазор между ротором и статором). полярности любых соседних полюсов возбуждения противоположны. разумеется, все приведенные варианты осуществления являются лишь примерами, и на практике возможны разнообразные комбинации признаков описанных вариантов. например, возможны варианты исполнения машины, когда нерегулируемые полюса возбуждения содержат не один, а несколько магнитов. конфигурация магнитов может быть, например, такой, как в варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг. 1.