Синхронная электрическая машина

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к электрическим машинам, и может быть использовано в качестве низкооборотных высокомоментных двигателей мотор-колес для привода транспортных средств, двигателей привода лифтов, автомобильных стартер-генераторов и низкооборотных генераторов для ветроустановок и бесплотинных гидростанций и т.п. Сущность изобретения состоит в том, что синхронная электрическая машина содержит статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой расположена на отдельном зубце, катушки в катушечной группе соединены между собой встречно, и индуктор ротора, полюса которого выполнены с чередующейся полярностью, при этом число катушек в каждой катушечной группе статора составляет λ=3, 5, 7... - целое положительное нечетное число, большее или равное 3. Объединение катушек в группы, согласно данному изобретению, таким образом, чтобы число зубцов Z статора, число λ катушек в катушечной группе статора, число d катушечных групп в фазе и число р пар полюсов ротора были связаны определенными соотношениями, позволяет достичь технический результат, состоящий в повышении КПД и улучшении виброакустических показателей синхронной электрической машины при одновременном удешевлении ее изготовления за счет использования в данной электрической машине технологичной обмотки статора. 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в качестве низкооборотных высокомоментных двигателей мотор-колес для привода транспортных средств, двигателей привода лифтов, автомобильных стартер-генераторов и низкооборотных генераторов для ветроустановок и бесплотинных гидростанций и т.п.

Известен трехфазный генератор (А.с. СССР №430471 по МПК Н02К 19/16, бюл. №20, 1974 г., авторы Абрамов А.И., Иванов-Смоленский А.В. и Петров Г.Н.), статор которого выполнен с числом зубцов, меньшим утроенного числа пар полюсов, и на каждом втором зубце поочередно расположена высоковольтная концентрическая обмотка. Недостатком этого технического решения является расположение обмотки не на каждом, а лишь на каждом втором зубце. В результате зависимость электродвижущей силы (ЭДС) от времени обладает широким спектром высших гармонических составляющих, что ухудшает виброакустические показатели генератора и не позволяет ему работать параллельно с сетью. Кроме того, железо полюсов статора и медь обмотки статора в этой конструкции используются не оптимально.

Прототипом настоящего технического решения является синхронный электродвигатель (А.с. СССР №1345291 по МПК Н02К 19/02, бюл. №38, 1987 г., автор Шевченко А.Ф.), содержащий статор с трехфазной обмоткой (в заявляемом изобретении - многофазной катушечной обмоткой) и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов (в заявляемом изобретении - один индуктор ротора, полюса которого образованы постоянными магнитами с чередующейся полярностью)..., катушки обмотки статора, принадлежащие одной фазе, расположены на полюсах (в заявляемом изобретении - на отдельных зубцах), сдвинутых на 360 эл. град., включены встречно.

Недостатком прототипа является то, что сдвиг на 360 эл. град. между катушками одной фазы делает гармонический состав зависимости ЭДС от времени этого двигателя весьма обширным, что ухудшает виброакустические показатели, создает дополнительные потери мощности и ухудшает КПД.

Целью настоящего изобретения является создание синхронной электрической машины с повышенным КПД, приемлемыми виброакустическими показателями и технологичной катушечной обмоткой статора (якоря), в которой каждая катушка расположена на отдельном зубце.

Указанная цель достигается в соответствии с настоящим изобретением благодаря соблюдению следующих соотношений между числом катушечных групп в фазе d, числом зубцов статора Z и числом пар полюсов ротора р:

где k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5... - целое положительное число или число, отличающееся от него на 0.5, и

при этом Z/p≠2 и число катушек в катушечной группе статора λ=3, 5, 7... - целое положительное нечетное число больше 3.

В случае, если k в соотношении (1) целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k, отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно. При соблюдении этого соотношения наведенные в каждой из катушечных групп ЭДС геометрически складываются, при отступлении от него вычитаются, что приводит к потере полезной мощности машины.

Соотношение (1) позволяет получить

- в генераторном режиме работы электрической машины - одинаковые по фазе напряжение и ток во всех катушечных группах одной и той же фазы,

- в двигательном режиме - одинаковое положение сердечников каждой группы одной и той же фазы относительно полюсов индуктора.

Выражение (2) определяет границы соотношения числа зубцов статора и числа пар полюсов ротора при условии, что оно не равно 2. В случае если Z=2·p, положение ротора относительно статора, когда ось каждого зубца статора совпадает с осью каждого полюса ротора, является очень устойчивым. Для вывода электрической машины из этого положения необходимо затратить значительное количество энергии.

В то же время наиболее оптимальными вариантами является выполнение электрической машины с указанным соотношением, близким к двум, в частности, исходя из соотношения (3):

округленным до ближайшего целого числа.

Техническим результатом является существенное сокращение амплитуд высших гармонических составляющих зависимости ЭДС от времени, что приводит к снижению доли «добавочных» потерь мощности от высших гармонических и увеличению КПД электрической машины как минимум на 2÷4%.

На фиг.1 изображен эскиз примера выполнения активной части синхронной электрической машины в соответствии с настоящим изобретением - вариант с числом зубцов 1 сердечника статора Z=18, на котором размещена трехфазная обмотка 2, где А, В, С - названия фаз, 0 - нейтральная точка, фаза состоит из двух катушечных групп 3 и 4, соединенных параллельно при помощи проводников 5. Число пар полюсов ротора р=8, полюса ротора образованы при помощи шестнадцати постоянных магнитов 6 чередующейся полярности, прикрепленных к ярму 7 ротора. Ярмо 7 ротора должно быть изготовлено при помощи механообработки из отливки или поковки конструкционной стали с высокой магнитной проницаемостью, например, стали 10. При частотах перемагничивания, меньших 10÷15 Гц, сердечник статора, состоящий из зубцов 1 и ярма 8, может быть изготовлен аналогично ярму 7 ротора. При больших значениях упомянутой частоты сердечник статора должен быть шихтован из листов электротехнической стали, направление шихтовки - параллельно оси вращения машины. С целью снижения стоимости сердечника статора он может быть изготовлен из порошкового магнитомягкого материала, например, путем прессования.

Катушки обмотки 2 статора наматываются из обмоточного провода, например медного эмаль-провода, на электроизолирующие каркасы либо на зубцовую изоляцию на каждый зубец 1 сердечника статора. Для снижения электрических («омических») потерь катушечная группа либо фаза в целом может наматываться непрерывным проводом. Для упрощения и автоматизации технологии намотки обмотки 2 сердечник статора может быть выполнен разъемным, то есть зубцы 1 и ярмо 8 изготавливаются отдельно, на зубцы 1 наматывается обмотка 2, а затем зубцы 1 скрепляют с ярмом 8. После окончания обмоточных работ для увеличения электрической прочности изоляции и повышения ее надежности производится пропитка обмотки лаком или компаундом.

Для получения ЭДС максимальной амплитуды число катушек в группе λ=3. Для борьбы с высшими гармоническими составляющими зависимости ЭДС от времени возможно выполнение групп с числом катушек λ=5 или 7. Соседние катушки в катушечной группе должны быть соединены встречно, поскольку они находятся в основном под полюсами ротора противоположной полярности.

На фиг.2 показан эскиз выполнения активной части синхронной электрической машины в соответствии с настоящим изобретением, когда катушечные группы статора соединены между собой последовательно при помощи проводников 5.

Устройство работает следующим образом. Магнитный поток каждого постоянного магнита 6 проходит через воздушный зазор, ближайший зубец 1 статора, ярмо 8 статора, следующий зубец 1 статора, воздушный зазор, следующий постоянный магнит 6 и замыкается по ярму 7 ротора. В двигательном режиме на зажимы каждой фазы обмотки 2 статора синхронной машины подается переменное напряжение, по обмотке протекает ток, вызывая вращающуюся МДС статора. При протекании электрического тока в обмотке 2 статора происходит силовое взаимодействие магнитного потока обмотки 2 с основным магнитным потоком магнитов 6. Перемещаясь, волна МДС статора вращает ротор, магнитный поток полюсов 6 перемещается от одного зубца к следующему, при этом наводит электродвижущую силу (ЭДС) в активной части проводников обмотки 2, находящейся в пазах между зубцами. Величина ЭДС обусловлена величиной магнитного потока полюсов и частотой вращения ротора. При вращении ротора синхронная машина будет отдавать механическую мощность в нагрузку. В режиме генератора ротор синхронной машины приводится во вращение сторонним источником механической энергии, например ветродвигателем, при этом вращающий момент прикладывают к ротору, например, с помощью шкива с ременной передачей. Поле постоянных магнитов, перемещаясь вместе с ротором, пересекает проводники обмотки статора, в которых наводится ЭДС. Если цепь нагрузки замкнута, по обмотке протекает ток. Получаемая при этом электрическая энергия передается в нагрузку.

Следует отметить, что при питании обмотки 1 статора от инвертора постоянного тока для эффективной работы машины в двигательном режиме вводится обратная связь по положению ротора. Например, в трехфазной обмотке при помощи датчика в каждый момент времени должны быть включены те две фазы, ось центрального зубца катушечных групп которых ближе к оси ближайшего по ходу поворота межмагнитного промежутка, полярность включания катушечной группы такова, чтобы зубцы притягивались к следующему по ходу поворота магниту, именно на зубцы этих двух фаз действует наибольшая электромагнитная сила. При использовании датчика Холла в качестве чувствительного элемента датчика положения ротора он может быть размещен между статором и ротором на стороне статора, обращенной к постоянным магнитам ротора, непосредственно в основном рабочем воздушном зазоре между коронками зубцов. Дополнительную магнитную систему для датчика положения ротора создавать не надо. Это дает возможность:

- упростить конструкцию за счет отказа от дополнительной магнитной системы;

- снизить требования к чувствительности применяемых датчиков Холла, так как используется магнитное поле силовых постоянных магнитов;

- более точно обеспечить моменты переключения фаз, так как именно в рабочем зазоре проходит истинный фронт полей постоянных магнитов;

- обеспечивать более высокую стабильность работы датчиков;

- упростить контрольные операции при производстве и диагностике.

Такое размещение датчиков стало возможным благодаря тому, что магнитное поле реакции якоря сконцентрировано в зубцах, каждый из которых охватывается отдельной катушкой. В результате поле реакции якоря меньше, чем при традиционной конструкции зубцовой зоны, и концентрируется в шлицевых областях пазов. Оно перпендикулярно оси паза и направлено от одного зубца к соседнему по направлению минимальной чувствительности датчика Холла. Таким образом, датчик практически не реагирует на поле реакции якоря, что обеспечивает гарантированные условия надежной работы и плавного вращения.

Следует отметить, что полюса индуктора ротора могут быть выполнены с обмоткой возбуждения, как в традиционной синхронной машине.

Примеры осуществления изобретения. Согласно расчетам можно привести следующие примеры оптимальной реализации электрической машины с трехфазной обмоткой статора (таблица).

Таблица
№	1	2	3	4
Z	18	27	30	36
λ	3	3	5	3
d	2	3	2	4
p	8	12	13	16

Промышленная применимость. При осуществлении изобретения в соответствии с №2 (таблица) была получена величина длительно развиваемого момента упора 40 Н·м, при массе двигателя 9 кг и максимальном КПД 92%. Максимальная частота вращения ротора составила 70 об/мин.

1. Синхронная электрическая машина, содержащая статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой расположена на отдельном зубце, катушки в катушечной группе соединены между собой встречно, и индуктор ротора, полюса которого выполнены с чередующейся полярностью, отличающийся тем, что число катушек в каждой катушечной группе статора λ=3, 5, 7... - целое положительное нечетное число, большее или равное 3, число d катушечных групп в фазе, число Z зубцов статора и число р пар полюсов ротора связаны соотношениями:

1<Z/p<4,

при Z/р≠2 и

P/d=k,

где k=1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5... - целое положительное число или число, отличающееся от него на 0,5, при этом обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, если k - целое число, а при k, отличном от целого числа на 0,5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно.

2. Синхронная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что на полюсах индуктора ротора расположена обмотка возбуждения.

3. Синхронная электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что число пар полюсов ротора устанавливают при округлении до ближайшего целого числа результата формулы:

р=4·λ·d/3.

4. Синхронная электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что снабжена датчиками углового положения ротора, действие которых основано на эффекте Холла, расположенных на статоре и обращенных своим чувствительным элементом к ротору.

5. Синхронная электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что катушечные группы соединены между собой последовательно.

6. Синхронная электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что катушечные группы соединены между собой параллельно.

7. Синхронная электрическая машина по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что индуктор ротора расположен с внутренней стороны по отношению к статору.

8. Синхронная электрическая машина по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что индуктор ротора расположен с внешней стороны по отношению к статору.