Магнитоэлектрическая машина с улучшенной равномерностью вращения

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в электромашиностроении. Технический результат заключается в уменьшении пульсаций реактивного момента магнитоэлектрической машины. При этом обеспечивается улучшение равномерности вращения, повышение энергетических показателей, снижение шума и вибрации магнитоэлектрической машины. В предложенной магнитоэлектрической машине, включающей в свой состав якорь с обмоткой, уложенной в z пазов, и неявнополюсный ротор с постоянными магнитами, скос пазов якоря выполнен на угол α, соответствующий целому числу периодов зубцовой гармоники.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в электромашиностроении.

Известно, что в магнитоэлектрической машине наблюдается эффект "залипания" ротора, что значительно ухудшает плавную работу привода на малых частотах вращения ротора, уменьшая тем самым диапазон регулирования частоты вращения привода и ограничивая область его применения [1, с.45].

Основной причиной нарушения плавного движения ротора ("залипания" ротора) является реактивный момент, который уменьшает пусковой момент магнитоэлектрической машины, вызывает остановку ротора в определенных положениях и увеличивает неравномерность вращения магнитоэлектрической машины [2, с.38].

Под реактивным моментом магнитоэлектрической машины понимают момент, возникающий в электрической машине за счет зубчатого строения якоря, асимметрии его магнитной цепи и неравномерного рабочего зазора [2, с.38].

Реактивный момент, являющийся одной из составляющих пульсаций вращающего момента, не зависит от формы потребляемого тока и питающего напряжения, так как сохраняется и в обесточенном состоянии магнитоэлектрической машины.

Вследствие зубчатого строения статора кривая реактивного момента отличается от синусоиды и при разложении ее в ряд Фурье получается спектр гармоник, которые называют зубцовыми [5, с.456-457].

Скос пазов является самым эффективным способом борьбы с зубцовыми гармониками.

Наиболее близкой к заявленному техническому решению является электрическая машина с выполненным скосом пазов статора на полюсную дугу, равную целому числу зубцовых делений статора [5, с.457-459]. Недостатком данного технического решения является большая дискретность принимаемого скоса пазов и, как следствие, уменьшение коэффициента скоса и ЭДС, что приводит к снижению энергетических показателей электрической машины.

Задача изобретения состоит в минимизации реактивного момента, который является причиной снижения равномерности вращения ротора магнитоэлектрической машины.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в снижении пульсаций реактивного момента магнитоэлектрической машины, содержащей якорь с обмоткой, уложенной в z пазов, и неявнополюсный ротор с постоянными магнитами, выполнением скоса пазов якоря на угол α, соответствующий целому числу периодов зубцовой гармоники.

Теоретический анализ и расчет реактивного момента представляет значительные трудности. В общем виде выражение для реактивного момента Мр магнитоэлектрической машины можно записать следующим образом [2, с.38]

М р = k Ф d λ ( θ ) d θ ,                                          (1)

где k - конструктивный коэффициент;

Ф - магнитный поток постоянного магнита, Вб;

λ - проводимость магнитной цепи, Гн;

θ - угол поворота ротора, эл. град.

Зависимость проводимости λ от угла поворота θ обусловлена влиянием зубчатости якоря и может быть записана в виде [3, с.201]

λ ( θ ) = λ 0 + n = 1 λ п cos ( z θ n ) ,                              ( 2 )

где n - номер гармоники;

λ0 - постоянная составляющая магнитной проводимости, Гн;

λп - переменная составляющая магнитной проводимости, Гн;

z - число зубцов.

Тогда

М р = k Ф d d θ ( λ 0 + n = 1 λ п cos ( z θ n ) )            (3)

Из формулы (3) видно, что момент Мр изменяется по закону косинуса и является нежелательной пульсацией, таким образом, число пульсаций реактивного момента за один оборот кратно числу зубцов якоря z и составляет [4, с.12]

N = 2 z                                                                   (4)

Так как пульсации имеют зубцовый порядок, то целесообразно рассматривать зубцовую гармонику с порядковым номером n, соответствующим числу зубцов z

n = N p                                                                       (5)

где p - число пар полюсов магнитоэлектрической машины.

Пульсации, вызванные остальными гармониками, будут иметь существенно меньшие значения и ими можно пренебречь [5, с.457].

В литературе [5, с.459] приведен метод снижения гармоник зубцового порядка, заключающийся в выполнении скоса пазов на полюсную дугу, равную целому числу зубцовых делений якоря.

При этом в одно зубцовое деление, на которое выполняется скос пазов, может укладываться несколько периодов зубцовой гармоники. Существенное ослабление пульсаций можно получить, выполнив скос пазов на угол, соответствующий одному периоду зубцовой гармоники, т.к. среднее значение амплитуды Az одного периода зубцовой гармоники имеет нулевое значение [6, с.526]

< A z > = lim T z 1 2 T z 0 T z cos ( t ) d t = 0,                                   (6)

где Tz - период зубцовой гармоники, эл. град.

Следовательно, величину скоса пазов необходимо выбирать из условия кратности периоду зубцовой гармоники Tz в эл. град.

α = T z i ,                                                                           ( 7 )

где i=1, 2, 3, … - порядковый номер гармоники;

T z = 360 n                                                                           ( 8 )

На основании формул (4)-(8) получаем

α = 360 p 2 z i                                                                    ( 9 )

Определение угла скоса пазов по формуле (9) при различных i позволяет получить ряд значений, при которых пульсации реактивного момента будут минимальны.

При выборе числа i необходимо учитывать, что большим значениям i соответствует большая величина скоса пазов и меньшая амплитуда пульсаций, сохраняющаяся за счет наличия в кривой реактивного момента других гармоник высшего порядка.

Скос пазов выполняется известным способом при изготовлении пакета якоря [7, с.84-85].

Например, скашивание пазов может выполняться после пакетирования, изолирования и заполнения намотанными катушками якоря при помощи специального устройства с гидравлическим приводом, которое поворотом скашивает якорь на требуемый угол скоса, используя для этого либо специальный паз, либо выпуклость на внешнем диаметре якоря. Рекомендаций по размеру этого паза не существует, так как его глубина и ширина определяются размером якоря и зависят от угла скоса наименьшего из сердечников. После этой операции скошенные якоря можно скреплять или склеивать. Во время сварки якоря рекомендуется, чтобы сварочный шов был параллелен скосу и проходил по оси зубцов по наружному диаметру якоря, чтобы обеспечить оптимальное сечение магнитопровода в этой части магнитной цепи якоря.

Таким образом, решена поставленная задача по минимизации реактивного момента, заключающаяся в снижении пульсаций реактивного момента, а следовательно, улучшении равномерности вращения магнитоэлектрической машины.

Предлагаемое техническое решение, помимо улучшения равномерности вращения, позволяет повысить энергетические показатели (КПД, cos(φ)), снизить шум и вибрации магнитоэлектрической машины.

Примером реализации предлагаемой магнитоэлектрической машины с улучшенной равномерностью вращения может служить вентильный электродвигатель постоянного тока ДБМ142-18-3 с постоянными магнитами разработки предприятия-заявителя ОАО "Электропривод". Электродвигатель ДБМ 142-18-3 имеет z=45; p=3.

α = 360 p 2 z i = 360 3 2 45 4 = 48 э л . г р а д . ,

при этом пульсация реактивного момента составляет 0,27% (опытное значение) от номинального вращающего момента, что обеспечивает улучшенную равномерность вращения.

При создании предложенной магнитоэлектрической машины на предприятии-заявителе ОАО "Электропривод" практически была решена задача разработки ряда вентильных электродвигателей постоянного тока с постоянными магнитами для прецизионных электроприводов металлообрабатывающего оборудования (технологических роботов), одним из требований к которым является высокая равномерность вращения и точность позиционирования.

Источники информации

[1] Лузин М.И. Магнитоэлектрический вентильный двигатель с улучшенными массогабаритными показателями и малым значением момента «залипания» ротора [Текст] / М.И.Лузин // Электричество. - 2010. - №6. - с.45-48.

[2] Дубенский А.А. Бесконтактные двигатели постоянного тока [Текст] / А.А.Дубенский. - М.: Энергия, 1967. - 144 с.

[3] Осин И.Л. Электрические машины автоматических устройств [Текст]: учеб. пособие для вузов / И.Л.Осин, Ф.М.Юферов. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 424 с.

[4] Ефимов В.В. Численное и экспериментальное моделирование электромеханических компонентов автоэлектронных систем [Текст]: Автореферат диссертации канд. техн. наук / В.В.Ефимов. - Чебоксары: ЧГУ, 2011. - 23 с.

[5] Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств [Текст]: учебник для студентов вузов, обучающихся по спец. "Электромеханика" / Ф.М.Юферов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1988. - 479 с.

[6] Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров [Текст] / Г.Корн, Т.Корн; под ред. И.Г.Арамановича; пер. с англ. - М.: Наука, 1968. - 720 с.

[7] Виноградов Н.В. Производство электрических машин [Текст]: учебное пособие для Втузов / Н.В.Виноградов. - 2-е изд., перераб. - М., Энергия, 1970. - 288 с., с ил.

Магнитоэлектрическая машина, содержащая якорь с обмоткой, уложенной в z пазов, и неявнополюсный ротор с постоянными магнитами, изготовленная со скосом пазов якоря и отличающаяся тем, что скос пазов выполнен на угол α, соответствующий целому числу периодов зубцовой гармоники.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и машиностроения, в частности, к погружным электродвигателям для подъема пластовой жидкости. Предлагаемый погружной электродвигатель содержит статор с зубчатым магнитопроводом и размещенный внутри него ротор.

Заявленное изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается особенностей выполнения синхронных электродвигателей с постоянными магнитами для дренажного насоса.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается особенностей конструктивного выполнения статоров вращающихся электрических машин, возбуждаемых постоянными магнитами.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к двигателям и генераторам с постоянными магнитами, в частности к магнитоэлектрическим генераторам электроэнергии.

Изобретение относится к области электротехники и касается выполнения электрических машин, в частности однофазных генераторов переменного тока. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в существенном повышении КПД и улучшении электромеханических характеристик однофазных генераторов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании магнитоэлектрических генераторов тока для ветряных электростанций и микроГЭС.

Изобретение относится к электротехнике, к производству электрической энергии. Технический результат заключается в повышении кпд путем использования энергии электромагнитов постоянного тока.

Изобретение относится к области электротехники и касается изготовления роторов электрических машин. Предложен способ изготовления ротора (14) для электрической машины (13), включающий следующие стадии его осуществления: а) изготовление магнитного элемента (8) посредством склеивания друг с другом постоянных магнитов (1, 1', 1", 1'") с помощью первого клея, при этом каждый постоянный магнит (1, 1', 1", 1'") имеет одну сторону (2) с магнитным северным полюсом (N) и одну сторону (3) с магнитным южным полюсом (S), при этом постоянные магниты (1, 1', 1", 1'") при склеивании расположены так, что стороны магнитных северных полюсов (N) или стороны магнитных южных полюсов (S) образуют общую нижнюю сторону (3, 3', 3", 3'") магнитного элемента (8), при этом первый клей в затвердевшем состоянии имеет твердую консистенцию; b) склеивание нижней стороны магнитного элемента (8) с ярмом (12) с помощью второго клея, при этом второй клей в затвердевшем состоянии является мягким и эластичным, что исключает разрыв второго клея при повышении температуры расширения магнитного элемента (8) и ярма (12).

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к электрическим машинам с поперечным магнитным потоком. Предлагаемая электрическая машина с поперечным магнитным потоком содержит, по меньшей мере, три фазы, каждая из которых образована сердечником статора и обмотками.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к исполнительным электромагнитным механизмам систем автоматики. .

Изобретение относится к области электротехники и ветроэнергетики. Предлагаемый статор ветроэлектроагрегата содержит магнитопроводы, систему возбуждения, стяжные элементы и обмотку, при этом согласно изобретению статор выполнен в виде П-образной скобы и пакета пластин, на которых установлены сердечники с рабочей катушкой и катушкой возбуждения, а средняя часть указанного пакета жестко связана со средней частью указанной П-образной скобы.

Изобретение относится к области электротехники и машиностроения, в частности, к погружным электродвигателям для подъема пластовой жидкости. Предлагаемый погружной электродвигатель содержит статор с зубчатым магнитопроводом и размещенный внутри него ротор.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано в высокооборотных электрических машинах различного назначения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается особенностей конструктивного выполнения однофазных двигателей переменного тока.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении кпд устройства и обеспечении максимальной рабочей гибкости за счет регулировки и оптимизации положения статора и ротора.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается особенностей конструктивного выполнения статоров вращающихся электрических машин, возбуждаемых постоянными магнитами.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается выполнения синхронного микродвигателя (СД) с электромагнитным униполярным возбуждением.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к двигателям и генераторам с постоянными магнитами, в частности к магнитоэлектрическим генераторам электроэнергии.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным асинхронным электродвигателям с пусковой обмоткой, и может быть использовано в электроинструменте и бытовой технике, например в холодильных компрессорах, имеющих существенную нагрузку на валу в момент пуска и нередко работающих в условиях пониженного напряжения питающей сети.

Изобретение относится к электротехнике, к статору вращающейся электрической машины (1) с постоянным возбуждением. В середине первой группы (10a) катушек размещен средний зубец (8a), который имеет первую ширину MB среднего зубца.

Изобретение относится к ветроэлектрическому генератору (1) с замкнутым внутренним охлаждающим контуром со статором (4), выполненным из листового металла, который имеет систему обмоток, которая на торцевых сторонах статора образует лобовые части (10) обмоток, причем статор (4) по меньшей мере в зоне своего листового пакета окружен охлаждающей оболочкой (3), причем постоянные магниты (18) ротора (5) размещены на выполненной как полый вал оболочке (6) явнополюсного ротора, причем оболочка (6) явнополюсного ротора через несущие элементы (28) на своих торцевых сторонах с валом (7) или хвостовиками вала соединена без возможности проворачивания, причем полый вал в своей внутренности имеет по меньшей мере одну трубу (29, 33), боковая поверхность которой проходит на эквидистантном расстоянии от оболочки (6) явнополюсного ротора, и причем на торцевых сторонах ротора (5) размещены вентиляторы (24, 25). Труба внутри полого вала размещена так, что внутри полого вала созданы охлаждающие каналы. Техническим результатом является обеспечение достаточного охлаждения. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в электромашиностроении. Технический результат заключается в уменьшении пульсаций реактивного момента магнитоэлектрической машины. При этом обеспечивается улучшение равномерности вращения, повышение энергетических показателей, снижение шума и вибрации магнитоэлектрической машины. В предложенной магнитоэлектрической машине, включающей в свой состав якорь с обмоткой, уложенной в z пазов, и неявнополюсный ротор с постоянными магнитами, скос пазов якоря выполнен на угол α, соответствующий целому числу периодов зубцовой гармоники.

Наверх