Магнитная цепь электрической машины

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам. Магнитная цепь электрической машины содержит индуктор, имеющий магнитопровод с полюсными выступами, и якорь, имеющий несколько фаз. Магнитопровод каждой фазы состоит из набора по крайней мере трех магнитопроводов, расположенных параллельно или под углом α друг к другу. Технический результат - улучшение массогабаритных показателей электрической машины и вращающего момента. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а более точно к магнитным цепям электрических машин, и может быть применено в вентильно-реактивных или индукторных машинах, в синхронных или асинхронных двигателях, в электрических машинах постоянного и переменного тока.

Известна индукторная электрическая машина (Бут Д.А. Основы электротехники: учебное пособие - М.: изд-во МАИ, 1996 г., стр.165-166, рис.3.29), имеющая индуктор и якорь, причем якорь размещен на наружном цилиндрическом статоре и выполнен в виде общего для всех фаз кольцевого сердечника с полюсными выступами, обращенными к оси двигателя и охваченными фазными катушками, причем полюсные выступы магнитопровода индуктора и якоря имеют малые зубцы. При этом линии основного магнитного потока фазы лежат в плоскости вращения, которая перпендикулярна оси вращения электрической машины. Таким образом, основной магнитный поток в рабочем зазоре разделяется на несколько более узких и параллельных друг другу потоков. Это решение позволяет увеличить магнитный момент электрической машины. Однако основной магнитный поток фазы проходит по общим магнитным цепям других фаз, что ухудшает массогабаритные показатели машины.

Наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому изобретению является магнитная цепь электрической машины, описанная в патенте RU 2159494. Эта цепь содержит магнитопроводы индуктора и якоря, выполненные в виде автономных сердечников с полюсными выступами, расположенных поперек направления относительного рабочего перемещения индуктора и якоря. При этом в положении якоря относительно индуктора, которое соответствует максимальной магнитной проницаемости магнитной цепи данной фазы, магнитные линии основного магнитного потока образуют контур, который лежит в плоскости, перпендикуляр которой совпадет (либо расположен под небольшим углом, не более 35°) с направлением рабочего движения якоря относительно индуктора, через которые замыкается данная магнитная линия. При таком решении основной магнитный поток фазы проходит только по магнитопроводу своей фазы. Это улучшает массогабаритные показатели, но магнитный момент электрической машины при этом остается маленьким.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка магнитной цепи электрической машины, которая обеспечивала бы увеличение магнитного момента и улучшение массогабаритных показателей электрической машины.

Поставленная задача решается тем, что в магнитной цепи электрической машины, состоящей из индуктора, имеющего магнитопровод с полюсными выступами, якоря, имеющего несколько фаз, каждая из которых содержит автономный магнитопровод с полюсными выступами и электрическую обмотку, охватывающую этот магнитопровод, и немагнитных рабочих зазоров, причем якорь и индуктор имеют возможность рабочего перемещения относительно друг друга так, что обеспечивают циклическое согласованное расположение выступов якоря и индуктора напротив друг друга через рабочий зазор единовременно для одной фазы и при положении якоря относительно индуктора, которое соответствует максимальной магнитной проницаемости магнитной цепи данной фазы, магнитная линия основного магнитного потока которой замыкается по контуру так, что перпендикуляр к плоскости, в которой лежит контур, отклоняется от направления движения магнитопровода индуктора относительно магнитопровода якоря, через которые замыкается эта магнитная линия, менее чем на 35 градусов, согласно изобретению магнитопровод каждой фазы якоря состоит из набора по крайней мере трех магнитопроводов, расположенных параллельно или под углом α друг к другу так, что основной магнитный поток фазы расщеплен в немагнитном зазоре на независимые непересекающиеся потоки, при этом магнитопровод индуктора также состоит из набора магнитопроводов, расположенных параллельно или под углом α₁, равным углу α, и количество которых выбирается из соотношения:

N_И≥0.5·m·N_ЯФ, где

N_И - количество магнитопроводов в наборе индуктора;

m - количество фаз якоря;

N_ЯФ - число магнитопроводов в наборе фазы якоря.

Также, согласно изобретению, угол α выбирают в зависимости от количества m фаз якоря и он составляет не более 360°/(0.5·m·N_ЯФ).

Благодаря расщеплению в рабочем немагнитном зазоре основного магнитного потока на несколько более узких потоков увеличивается момент на валу электрической машины, а замыкание основного магнитного потока фазы только по магнитопроводу своей фазы улучшает массогабаритные показатели машины.

В дальнейшем изобретение будет подробно раскрыто в описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает предлагаемую магнитную цепь, поперечный разрез по направлению перемещения индуктора относительно якоря машины;

фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 линейной электрической машины;

фиг.3 - сечение индуктора линейной электрической машины;

фиг.4 - сечение А-А на фиг.1 электрической машины с круговым перемещением, частичный разрез;

фиг.5 - сечение индуктора электрической машины с круговым перемещением, поперечный разрез по оси вращения, частично в разрезе.

Предлагаемая магнитная цепь электрической машины состоит из якоря 1 (фиг.1, фиг.2), индуктора 2, установленного в немагнитном зазоре 3. Якорь 1 и индуктор 2 имеют возможность рабочего перемещения относительно друг друга так, что обеспечивают циклическое согласованное расположение полюсных выступов 6 якоря 1 и индуктора 2 напротив друг друга через рабочий зазор 3 одновременно для одной фазы.

Якорь 1 имеет одну или несколько фаз, магнитопровод каждой из которых охвачен фазной электрической обмоткой 4 и состоит из набора по крайней мере трех магнитопроводов 1а (фиг.2 и 4), расположенных параллельно или под углом α друг к другу так, что основной магнитный поток фазы расщеплен в немагнитном зазоре на независимые непересекающиеся потоки, причем перпендикуляр плоскости, в которой лежит магнитная линия 7 потока, проходящего через магнитопровод 1а набора якоря, отклоняется от направления 8 рабочего движения этого магнитопровода относительно индуктора менее чем на 35°. Причем

N_ЯФ≥3,

где N_ЯФ - число магнитопроводов 1а в наборе фазы якоря.

Для электрических машин с круговым перемещением:

Угол α выбирают из соотношения:

α≤360° (0.5·m·N_ЯФ),

где m - количество фаз якоря.

Магнитопровод индуктора 2 (фиг.3) также состоит из набора магнитопроводов 2а, расположенных параллельно или под углом α₁. Причем

N_И≥3,

где N_И - количество магнитопроводов 2а в наборе индуктора.

При этом выполняется условие, что:

h₁≤r₁,

где h₁ - толщина полюсного выступа 6 (фиг.2, 3, 4, 5),

r₁ - ширина полюсного выступа 6 (фиг.2, 3, 4, 5).

Наилучший результат при использовании предлагаемой магнитной цепи достигается, когда перпендикуляр к плоскости, в которой лежат магнитные линии магнитного потока, проходящего через магнитопровод 1а набора фазы якоря, совпадает с направлением 8 рабочего движения этого магнитопровода относительно индуктора, а также:

α₁=α,

N_И≥0.5·m·N_ЯФ,

h₁≤0,3·r₁

Для линейной электрической машины магнитопроводы 1а и 2а в наборах параллельны и вместо углов α₁ и α используют расстояние h₂ (фиг.2 и фиг.3) следования двух близлежащих магнитопроводов набора в зависимости от длины h_Я якоря:

h_Я/(3·m·N_ЯФ)≤h₂≤h_Я/(0.5·m·N_ЯФ)

Возможно, что магнитная цепь фазы якоря содержит несколько разнесенных в пространстве наборов магнитопроводов, причем каждый набор охвачен собственной фазной электрической обмоткой.

В положении якоря 1 относительно индуктора 2, которое соответствует максимальной магнитной проницаемости магнитной цепи одной фазы, магнитные линии 7 основного магнитного потока, замыкающегося по магнитопроводу 1а набора якоря этой фазы и магнитопроводу 2а набора индуктора, лежат в плоскости, перпендикулярной или находящейся под углом не более 35° к направлению 8 рабочего движения этого магнитопровода 1а якоря относительно магнитопровода 2а индуктора, как это показано на фиг.1. и фиг.2.

Пример 1. Для N_ЯФ=6 и m=3 получаем, что число N_И≥9, а угол α≤40°. В этом случае наиболее целесообразно, чтобы N_И=20, а α=18°. Таким образом магнитопроводы набора индуктора располагаются равномерно по всей окружности.

Пример 2. Для N_ЯФ=10 и m=4 получаем, что число N_И≥20, а угол α≤4.5°. В этом случае наиболее целесообразно, чтобы N_И=45, а α=8°. Таким образом магнитопроводы набора индуктора располагаются равномерно по всей окружности.

При использовании предлагаемой магнитной цепи в вентильных электрических машинах магнитопровод индуктора выполняют из магнитотвердого магнитного материала с постоянной намагниченностью (постоянный магнит). При использовании предлагаемой магнитной цепи в синхронных электрических машинах магнитопровод индуктора охватывают обмоткой возбуждения и подают в нее электрический ток. При использовании предлагаемой магнитной цепи в асинхронных электрических машинах магнитопровод индуктора разделяют на фазы, каждая из которых содержит фазную обмотку, охватывающую фазный магнитопровод индуктора, и замыкают фазные обмотки накоротко, либо замыкают на внешнюю электрическую цепь.

Магнитная цепь работает следующим образом.

Известно, что магнитодвижущая сила F между якорем 1 и индуктором 2 создается благодаря изменению ΔW магнитной энергии фазы магнитной цепи, которая является функцией W(L) от индуктивности L этой фазы. Причем максимальная индуктивность L_MAX получается при совмещении полюсных выступов якоря индуктора друг напротив друга, а минимальная индуктивность L_MIN при разведении полюсов индуктора и якоря на расстояние Δh рабочего хода:

ΔW=W(L_MIN)-W(L_MAX)

F=ΔW/Δh

Так, в прототипе, длина Δh рабочего хода между положениями, соответствующими максимальной и минимальной индуктивностям магнитной цепи фазы, определяется толщиной магнитопровода фазы и определяется фазным углом. А в предлагаемой магнитной цепи, согласно изобретению, это расстояние определяется толщиной h₁ магнитопровода набора и определяется углом α/m, что в N_ЯФ раз меньше, чем в прототипе. Поэтому при равных прочих условиях получаем увеличение магнитодвижущей силы в N_ЯФ раз при уменьшении рабочего хода в N_ЯФ раз (скорости перемещения, скорости вращения). Известно, что магнитный момент электрической машины пропорционален магнитодвижущей силе.

Таким образом, достигается поставленная задача увеличения магнитного момента и улучшение массогабаритных показателей электрической машины.

1. Магнитная цепь электрической машины, состоящая из индуктора, имеющего магнитопровод с полюсными выступами, якоря, имеющего одну или несколько фаз, каждая из которых содержит автономный магнитопровод с полюсными выступами и электрическую обмотку, охватывающую этот магнитопровод, и немагнитных рабочих зазоров, причем якорь и индуктор имеют возможность рабочего перемещения относительно друг друга так, что обеспечивают циклическое согласованное расположение выступов якоря и индуктора напротив друг друга через рабочий зазор единовременно для одной фазы и при положении якоря относительно индуктора, которое соответствует максимальной магнитной проницаемости магнитной цепи данной фазы, магнитная линия основного магнитного потока которой замыкается по контуру так, что перпендикуляр к плоскости, в которой лежит контур, отклоняется от направления движения магнитопровода индуктора относительно магнитопровода якоря, через которые замыкается эта магнитная линия, менее чем на 35°, отличающаяся тем, что магнитопровод каждой фазы якоря состоит из набора по крайней мере трех магнитопроводов, расположенных параллельно или под углом α друг к другу так, что основной магнитный поток фазы расщеплен в немагнитном зазоре на независимые непересекающиеся потоки, при этом магнитопровод индуктора также состоит из набора магнитопроводов, расположенных параллельно или под углом α₁, равным углу α, и количество которых выбирается из соотношения

N_И≥0.5·m·N_ЯФ,

где N_И - количество магнитопроводов в наборе индуктора;

m - количество фаз якоря;

N_ЯФ - число магнитопроводов в наборе фазы якоря.

2. Магнитная цепь по п.1, отличающаяся тем, что угол α выбран в зависимости от количества m фаз якоря и составляет не более 360°/(0.5·m·N_ЯФ).