Бесконтактная магнитоэлектрическая машина
Изобретение относится к области электротехники, в частности - к высокомоментным электрическим двигателям и электроприводам, и к высокочастотным электрическим генераторам. Сущность изобретения состоит в том, что в бесконтактной магнитоэлектрической машине, содержащей якорь, каждая из фаз которого состоит из катушек, охватывающих по одному зубцу якоря, и индуктор с полюсами, согласно данному изобретению катушечная группа фазы обмотки якоря состоит из одной катушки, сердечник индуктора состоит из скрепленных между собой первого и второго сердечников и намагниченного в осевом направлении постоянного магнита, расположенного между сердечниками индуктора, первый и второй сердечники индуктора размещены друг относительно друга так, что ось каждого зубца первого сердечника совпадает с осью каждого паза второго сердечника индуктора. При выполнении определенных соотношений между числом зубцов якоря и числом зубцов индуктора при использовании данного изобретения достигается технический результат, состоящий в обеспечении большого удельного вращающего момента при низких частотах вращения в двигательном режиме и большой удельной мощности при высоких частотах в генераторном режиме. 15 з.п. ф-лы, 28 ил., 1 табл.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям и электроприводам, и высокочастотным электрическим генераторам.
Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами (Патент RU 2303849 C1, МПК Н02К 21/18, H02K 21/14, автор Шкондин В.В.), содержащий, по крайней мере, одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора и количество полюсов в одном ряду n удовлетворяет соотношению n=10+4·k, где k-целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Недостатком аналога является сложность и значительная стоимость конструкции, определяемая большим числом постоянных магнитов.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению (его прототипом) является электромеханический преобразователь вентильного электродвигателя (Авторское свидетельство SU 1700704 А1, МПК 6 Н02К 29/12, авторы Бродовский В.М., Беленький Ю.М., Лузин М.И., Мрочковский Н.Н.), содержащий статор с числом зубцов ZS=m·k·n, где m - число фаз якорной обмотки, k - число катушечных групп в фазе, n - число зубцов статора в катушечной группе, каждая из которых состоит из последовательно встречно соединенных между собой катушек, охватывающих по одному зубцу статора, ротор с чередующимися по полярности полюсами, число которых 2р=ZS±k, обмотку датчика углового положения, содержащую m фаз, каждая из которых содержит две последовательно соединенные между собой полуфазы и составляет с источником переменного напряжения высокой частоты со средней точкой полумостовую схему, отличающийся тем, что каждая катушечная группа якорной обмотки содержит число катушек n-1, а статор состоит из скрепленных между собой двух крайних пакетов и одного среднего пакета, у которого на месте зубцов, расположенных между катушечными группами, закреплены постоянные магниты, намагниченные в аксиальном направлении с чередованием полярности, при этом на зубцах статора, расположенных между катушечными группами, установлены катушки тахометрической обмотки. Недостатком аналога является сложность и значительная стоимость конструкции, определяемая большим числом постоянных магнитов.
Целью настоящего изобретения является упрощение и удешевление конструкции за счет повышения уровня ее технологичности и применения одного (цельного) постоянного магнита, намагниченного в аксиальном (осевом) направлении тороидальной формы (или магнита многоугольной формы, сходной с тороидальной), при сохранении приемлемых энергетических и массогабаритных показателей. Для машин большой мощности возможно применение вместо одного цельного постоянного магнита ряда постоянных магнитов в форме сегментов, намагниченных в осевом направлении, собранных в форме тора или многоугольника.
Следует отметить, что в настоящем изобретении, как и в большинстве электрических машин, магнитный поток возбуждения создается постоянными магнитами индуктора, а обмотка якоря размещена на сердечнике якоря. В предлагаемой конструкции индуктор является ротором, а якорь - статором. Однако для ряда применений возможно использование якоря в качестве ротора, а индуктора - в качестве статора, или якорь и индуктор - в качестве роторов, вращающихся друг относительно друга. В этом случае для создания бесконтактной магнитоэлектрической машины напряжение на якорь может подаваться через вращающийся трансформатор.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
фиг.1 показывает общий вид бесконтактной магнитоэлектрической машины традиционной конструкции, т.е. якорь (статор) расположен снаружи, индуктор (ротор) - внутри;
фиг.2 - общий вид бесконтактной магнитоэлектрической машины обращенной конструкции, т.е. индуктор (ротор) расположен - снаружи, якорь (статор) - внутри;
фиг.3 - цельный постоянный магнит индуктора;
фиг.4, 5 - варианты разрезного постоянного магнита индуктора;
фиг.6-28 - примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений, схем обмоток и диаграмм токов (МДС).
В соответствии с настоящим изобретением число зубцов якоря Z1, число фаз m=2, 3, 4, 5, 6…, число модулей с=1, 2, 3, 4…, число зубцов фазы якоря в одном модуле Z1m=1, 2, 3, 4…, число зубцов Z2S первого сердечника индуктора и второго Z2N сердечника индуктора бесконтактной магнитоэлектрической машины удовлетворяет соотношениям (1) и (2)
Модулем бесконтактной магнитоэлектрической машины является соотношение группы из наименьшего количества рядом расположенных зубцов якоря, на которых размещены катушки всех фаз обмотки якоря и соответствующих им зубцов индуктора. Модуль является «элементарной машиной» в составе бесконтактной магнитоэлектрической машины, число модулей может быть не менее одного. Модуль определяется соотношением: Mz=m·Z1m/(m·Z1m±1). Обозначать модуль удобно следующим образом, например, для фиг.20 при соотношении числа зубцов якоря и числа зубцов первого сердечника индуктора Z1/Z2N=9/6, модуль Mz=3/2, число модулей с=3.
Катушки обмотки в фазе якоря должны быть соединены между собой таким образом (согласно или встречно), чтобы векторы наведенных в них ЭДС, геометрически складываясь, образовывали максимальную суммарную ЭДС фазы якоря магнитоэлектрической машины.
Катушки обмотки фазы якоря разных модулей могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, а при с=4, 6, 8, 10… - последовательно-параллельно, т.е. образовывать параллельные ветви.
На фиг.6-28 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1) и (2) в виде поперечных сечений якоря и первого и второго сердечников индуктора бесконтактной магнитоэлектрической машины и схем обмоток якоря. Соответствие фигур чертежей поперечных сечений и фигур схем обмоток якоря поясняется в таблице. Положение сердечников индуктора относительно сердечника якоря на фигуре соответствует моменту времени, связанному с положением векторов токов, показанным на соответствующей фигуре схемы соединений обмотки якоря (таблица).
| Таблица Соответствие фигур чертежей поперечных сечений якоря, первого и второго сердечников индуктора, а также фигур схем соединений обмоток якоря |
||||||||
| Фигура | m | Z1m | с | Знак «+» или «-» в формуле (2) | Z1 | Z2N=Z2S | Примечание | |
| чертежа поперечного сечения | схемы обмотки и диаграмма токов (МДС) | |||||||
| 6 | 7 | 3 | 2 | 1 | - | 6 | 5 | |
| 8 | 9 | 4 | 1 | 1 | + | 4 | 5 | |
| 10 | 11 | 5 | 1 | 1 | - | 5 | 4 | |
| 12 | 13 | 6 | 1 | 1 | - | 6 | 5 | |
| 14 | 13 | 6 | 1 | 1 | + | 6 | 7 | |
| 15 | 16 | 3 | 1 | 2 | - | 6 | 4 | |
| 17 | 16 | 3 | 1 | 2 | + | 6 | 8 | Обращенная конструкция |
| 18 | 19 | 3 | 1 | 3 | - | 9 | 6 | |
| 20 | 19 | 3 | 1 | 3 | - | 9 | 6 | Полузакрытый паз якоря |
| 21 | 22 | 4 | 1 | 2 | - | 8 | 6 | |
| 23 | 24 | 4 | 2 | 1 | - | 8 | 7 | |
| 25 | 26 | 2 | 2 | 2 | - | 8 | 6 | Двухфазная обмотка с углом сдвига токов 90° |
| 27 | 28 | 2 | 4 | 1 | - | 8 | 7 |
Рассмотрим конструкцию бесконтактной магнитоэлектрической машины с внешним индуктором и внутренним якорем в соответствии с настоящим изобретением. Сердечник 1 якоря, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, бесконтактной магнитоэлектрической машины размещен в корпусе 2, также выполненном из материала с высокой магнитной проницаемостью. На каждом из зубцов якоря размещена катушечная обмотка 3 якоря. Индуктор при помощи подшипников 4, вала 5 и подшипниковых щитов 6 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из магнитной или немагнитной стали. Если вал магнитный, то на нем закреплена немагнитная втулка 7, толщина которой в радиальном направлении значительно превышает зазор между якорем и индуктором. Активная часть индуктора состоит из первого сердечника 8, первой магнитной втулки 9, постоянного магнита 10, второго сердечника 11 и второй магнитной втулки 12. Первый 8 и второй 11 сердечники, а также втулки 9 и 12 выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью. Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 1 якоря должен быть выполнен шихтованным из электротехнической стали. Сердечники 8 и 11 могут быть выполнены шихтованными из электротехнической стали. С целью удешевления конструкции сердечники 8 и 11 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. В этом случае они крепятся непосредственно к втулке 7, т.е. втулки 9 и 12 не устанавливаются. Постоянный магнит 10 выполнен в форме тора и намагничен в осевом направлении. Для машин малой мощности тор выполняют цельным (фиг.3), для машин большой мощности - составным из сегментарных постоянных магнитов, намагниченных в осевом направлении (фиг.4, 5). Первый 8 и второй 11 сердечники индуктора напрессовываются соответственно на магнитные втулки 9 и 12, а постоянный магнит 10 крепится к немагнитной втулке 7 между магнитными втулками 9 и 12. Если вал 5 выполнен из немагнитной стали (преимущественно для машин малой мощности), то магнитные втулки 9 и 12, а также постоянный магнит 10 крепятся непосредственно к валу. Первый 8 и второй 11 сердечники индуктора расположены друг относительно друга таким образом, что ось каждого зубца первого сердечника 8 совпадает с осью каждого паза второго сердечника 11 индуктора. Таким образом, при показанной на фиг.1 намагниченности постоянного магнита 10 «S-N» полюса первого сердечника 8 индуктора намагничены как южные «S», а полюса второго сердечника 11 индуктора намагничены как северные «N». Магнитный поток индуктора, вызванный постоянным магнитом 10, проходит через вторую втулку 12, второй сердечник 11 индуктора, зазор между якорем и индуктором, сердечник 1 якоря и магнитный корпус 2, зазор между якорем и индуктором, и замыкается через первый сердечник 8 индуктора и первую втулку 9.
Немагнитная втулка 7 необходима в случае магнитного вала и служит для того, чтобы магнитный поток постоянного магнита 10 не замыкался через втулки 9 и 12 и вал 5, а также через вал 5, подшипники 4, подшипниковые щиты 6 и корпус 2.
В случае конструкции с внешним индуктором (фиг.2, 17) роль корпуса играет немагнитная втулка 7.
Число пар полюсов p9 индуктора определяется р=Z2N=Z2S, где Z2N=Z2S - число зубцов на любом («северном» или «южном») сердечнике индуктора.
Бесконтактная магнитоэлектрическая машина работает в двигательном и генераторном режимах. Питание бесконтактной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме осуществляется от источника переменного напряжения постоянной или регулируемой частоты, а также от источника постоянного напряжения посредством инвертора, включающего фазы якоря в зависимости от показаний датчика углового положения индуктора с целью достижения максимального вращающего момента (режим вентильного двигателя).
Рассмотрим двигательный режим. На фазы обмотки 3 якоря подают переменное напряжение, по обмотке протекает ток, наводящий МДС. На фигурах 7, 9, 11, 13, 16, 19, 22, 24, 26, 28 представлены векторные диаграммы токов (МДС) 13 для соответствующих многофазных обмоток, представленных на этих же фигурах. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени и векторные диаграммы токов 13 поворачиваются в осях координат ху (фиг.7, 9, 11, 13, 16, 19, 22, 24, 26, 28). Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 3 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе и цифрой, обозначающей номер зубца сердечника 1 якоря. Например, катушка С3 - катушка фазы С, расположенная на третьем зубце сердечника 1 якоря. На фиг.7, 9, 11, 13, 16, 19, 22, 24, 26, 28 обозначено направление токов в катушках в соответствии с проекцией векторов токов на ось у. При этом зубцы якоря, на которых катушки расположены катушки обмотки якоря, образуют южные полюса «S» и северные полюса «N». Вследствие этого к ротору приложен вращающий момент, т.е. при изменении питающих напряжений с частотой f (Гц) ротор вращается с частотой вращения n=60·f/p (об/мин).
Техническим результатом настоящего изобретения является получение
- большого удельного вращающего момента при низких частотах вращения в двигательном режиме,
- больших удельных мощностей при высоких частотах в генераторном режиме.
При работе в двигательном режиме при соответствующем выборе размеров постоянных магнитов и витков обмотки якоря бесконтактная магнитоэлектрическая машина может являться синхронным компенсатором реактивной мощности.
Рассмотрим генераторный режим. При вращении индуктора сторонним источником момента с частотой вращения n в направлении, указанном стрелкой, поток индуктора пересекает витки катушек обмотки 3 якоря, в которых наводится ЭДС. Если цепь нагрузки замкнута, то по обмотке протекает ток, электрическая мощность отдается потребителю.
Фазы обмотки якоря могут быть соединены в звезду, а также в многоугольник.
1. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина, содержащая якорь с числом зубцов Z1=m·Z1m·с, где m=2, 3, 4, 5, 6… - число фаз обмотки якоря, каждая из фаз состоит из катушек, охватывающих по одному зубцу якоря, и индуктор с полюсами, отличающаяся тем, что катушечная группа фазы обмотки якоря состоит из одной катушки, сердечник индуктора состоит из скрепленных между собой первого и второго сердечников и намагниченного в осевом направлении постоянного магнита, расположенного между сердечниками индуктора, первый и второй сердечники индуктора размещены относительно друг друга так, что ось каждого зубца первого сердечника совпадает с осью каждого паза второго сердечника индуктора, бесконтактная магнитоэлектрическая машина состоит из модулей - «элементарных машин», число зубцов на любом сердечнике индуктора Z2N=Z2S=(m·Z1m±1)·с, где с=1, 2, 3, 4… - число модулей, Z1m=1, 2, 3, 4… - число зубцов фазы якоря в одном модуле.
2. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянный магнит выполнен цельным.
3. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что постоянный магнит выполнен наборным из нескольких постоянных магнитов.
4. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен внутри якоря.
5. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи якоря.
6. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что ее питание в двигательном режиме осуществляется от источника переменного напряжения постоянной частоты.
7. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что ее питание в двигательном режиме осуществляется от источника переменного напряжения регулируемой частоты.
8. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что ее питание в двигательном режиме осуществляется от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего напряжение на фазы якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.
9. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что при с>1 катушки обмотки якоря разных модулей одной и той же фазы обмотки соединены последовательно.
10. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что при с>1 катушки обмотки якоря разных модулей одной и той же фазы обмотки соединены параллельно.
11. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что при с=4, 6, 8, 10… катушки обмотки якоря разных модулей одной и той же фазы обмотки соединены последовательно - параллельно (смешанно).
12. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что фазы обмотки при m≥3 соединены в звезду.
13. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что фазы обмотки при m≥3 соединены в многоугольник.
14. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что якорь является статором, а индуктор - ротором.
15. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что якорь является ротором, а индуктор - статором.
16. Бесконтактная магнитоэлектрическая машина по п.4 или 5, отличающаяся тем, что якорь и индуктор являются роторами, вращающимися относительно друг друга.
