ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники и преимущественно может быть использовано в конструкциях электрических машин, а именно вентильных электродвигателей и синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов.
Известны магнитоэлектрические двигатели и генераторы (Специальные электрические машины. Под ред. А.И.Бертинова. - М.: Энергоиздат, 1982, с.251-254, 301-310), которые содержат статор с многофазной якорной обмоткой и ротор-индуктор, магнитный поток которого создается постоянными магнитами.
Недостатками указанных известных магнитоэлектрических машин являются сравнительно низкие динамические и энергетические показатели, обусловленные отличием объема его индуктора от оптимального значения, обеспечивающего минимальную массу и момент инерции ротора при заданных механической и внешней характеристиках.
Известны магнитоэлектрические машины (Адволоткин Н.П., Гращенков В.Т., Овчинников И.Е. и др. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока. - П.: Энергоиздат, 1984, с.35-40), которые содержат статор с многофазной якорной обмоткой и ротор-индуктор с закрепленными на нем постоянными магнитами, выполненные с минимально возможными диаметрами.
Недостаток указанных известных технических решений заключается в значительных технологических трудностях изготовления длинного ротора-индуктора с малым диаметром, обладающего заданной механической жесткостью. Кроме того, ограничение длины ротора-индуктора с целью обеспечения заданной механической жесткости приведет к ограничению его магнитного потока и увеличению частоты вращения двигателя, что снижает ресурс приводов.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является известный вентильный электродвигатель (SU 1830174 A3, 1993), который содержит пазовый шихтованный статор с многофазной якорной обмоткой с магнитомягкими секциями и ротор с пазами, в котором размещены постоянные магниты, образующие переменно-полюсную систему, причем активная длина L ротора и диаметр D ротора выбраны из эмпирических соотношений L/D=(3,2-3,6)(1,1+0,1p)/p при p≤4 или L/D=(4,8-5,4)/p при p>4, где p - число пар полюсов.
Указанные соотношения были получены авторами изобретения, являющегося ближайшим аналогом, опытным путем и позволили выбрать соотношение активной длины L ротора и диаметра D ротора, которое обеспечивает по сравнению с перечисленными выше аналогами более эффективное использование активных материалов за счет уменьшения массы и объема ротора при сохранении заданной механической характеристики электрической машины.
Вместе с тем, дальнейшие исследования коллектива авторов настоящего изобретения, в состав которого входит и один из авторов ближайшего аналога, показали, что возможности повышения эффективности использования активных материалов электрической машины за счет рационального выбора параметров, характеризующих конструкцию ротора, не были исчерпаны в конструкции ближайшего аналога.
Поэтому недостатками ближайшего аналога являются недостаточно высокие динамические и энергетические показатели, которые обусловлены недостаточно рациональным выбором объема его ротора, не позволяющего обеспечить минимальную массу и момент инерции ротора при заданных механической и внешней характеристиках.
Задачей настоящего изобретения является улучшение энергетических и динамических характеристик электрической машины за счет повышения эффективности использования активных материалов.
Поставленная задача решена, согласно настоящему изобретению, тем, что электрическая машина, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, пазовый шихтованный статор с многофазной якорной обмоткой и ротор с пазами, в которых размещены постоянные магниты, образующие переменно-полюсную систему, отличается от ближайшего аналога тем, что активная длина L ротора выбрана равной (2,8-3,1)τ, где τ - полюсное деление ротора.
Выбор активной длины L ротора, равной от 2,8 до 3,1 величины полюсного деления τ ротора, позволяет улучшить энергетические и динамические характеристики электрической машины за счет повышения эффективности использование активных материалов, поскольку обеспечивает увеличение числа витков фазы якорной обмотки при заданной длине обмоточного провода, определяющей заданное сопротивление якорной обмотки, за счет минимизации средней длины ее витка. В результате увеличения числа витков фаз якорной обмотки повышается магнитодвижущая сила якоря электродвигателя или электродвижущая сила якоря электрогенератора, что обеспечивается за счет повышения эффективности использования активных материалов.
Указанное необходимое соотношение между значением активной длины L ротора и значением полюсного деления τ ротора получено авторами настоящего изобретения опытным путем. При этом в случае выбора значения активной длины L ротора за пределами указанного интервала значений не обеспечивается существенное уменьшение средней длины витка и, тем самым, существенное увеличение числа витков фазы якорной обмотки, что препятствует достижению указанного технического результата.
На чертеже показан поперечный разрез заявляемой электрической машины, где 1 - статор, 2 - магнитопровод статора, 3 - якорная обмотка, 4 - ротор, 5 - постоянные магниты и 6 - магнитомягкие полюсы.
Электрическая машина содержит статор 1 с магнитопроводом 2 статора, выполненным шихтованным из электротехнической стали. В пазах магнитопровода 2 статора уложена якорная обмотка 3. Электрическая машина также содержит ротор 4, установленный внутри статора 1 и содержащий постоянные магниты 5 и магнитомягкие полюсы 6, причем постоянные магниты 5 прилегают к магнитомягким полюсам 6 своими полюсами с одноименной намагниченностью.
В случае использования электрической машины в качестве электродвигателя протекающий в якорной обмотке 3 электрический ток создает в магнитопроводе 2 статора 1 магнитный поток, который через воздушный зазор между статором 1 и ротором 4 взаимодействует с магнитным потоком постоянных магнитов 5, вызывая вращение ротора 4.
В случае использования электрической машины в качестве электрогенератора возникающий в результате вращения ротора 4 переменный магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 5, наводит в якорной обмотке 3 электродвижущую силу.
1
1
1
1
1
1
2
1
2
1
Для иллюстрации повышения эффективности использования активных материалов благодаря настоящему изобретению рассмотрим пример, в котором сравним два электродвигателя с одинаковым числом p пар полюсов. Пусть первый электродвигатель снабжен ротором, имеющим диаметр D и активную длину L=3τ(согласно настоящему изобретению), где τ - полюсное деление ротора первого электродвигателя, τ=πD/(2p), а второй электродвигатель снабжен ротором, имеющим диаметр D=0,85D и активную длину L=6τ.
П
M
Ф
X
Е
М
Е
М
Е
О
Ф
Ф
Ф
w
Ф
О
Ф
w
w
w
w
Как известно, значения пускового момента и угловой частоты вращения при идеальном холостом ходе электродвигателя, соответственно, определяются выражениями М=CU/R и Ω=-U/С, где С и С - коэффициенты момента и электродвижущей силы, соответственно, С=С=КрwФ; U - напряжение питания; R - сопротивление фазы обмотки статора, R=ρlw/q; К - обмоточный коэффициент; w - число витков в обмотке фазы; Ф - магнитный поток в воздушном зазоре на пару полюсов; ρ - удельное сопротивление обмоточного провода; q - сечение обмоточного провода; l - средняя длина витка обмотки, l=2D(L/D+πK/(2p)); D - диаметр ротора; K - коэффициент, зависящий от конструкции обмотки.
ф1
1
ф2
2
Ф1
Ф2
1
2
Из приведенных выражений следует, что для получения одинаковых значений пускового момента и угловой частоты вращения при идеальном холостом ходе первого и второго электродвигателей необходимо выполнение условия wФ=wФ(1), где w и w - числа витков в обмотке фазы первого и второго электродвигателей, соответственно; Ф и Ф - магнитные потоки в воздушном зазоре на пару полюсов первого и второго электродвигателей, соответственно.
1
1
2
2
1
2
2
2
2
1
2
2
<mrow><msub><mtext>S</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>3</mn><msubsup><mi>τ</mi><mrow><msub><mrow /><mn>1</mn></msub></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Магнитные потоки полюса первого и второго электродвигателей определяются выражениями Ф=BS и Ф=BS, где B - магнитная индукция в воздушном зазоре, принятая одинаковой для обоих электродвигателей; S и S - площади полюса первого и второго электродвигателей, соответственно,
и S=Lτ=6ττ, где τ - полюсное деление ротора второго электродвигателя.
2
2
2
1
<mrow><msub><mtext>S</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><mn>6</mn><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>6</mn><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mi>π</mi><msub><mi>D</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>p</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>5,1</mn><msubsup><mi>τ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Поскольку τ=πD/(2p) и D=0,85D, то
w1
1
1
1
1
1
w2
2
2
1
1
1
Тогда средние длины витка обмоток первого и второго электродвигателей имеют значения l=2L+2τ=6τ+2τ=8τ, и l=2L+2τ=12τ+1,7τ=13,7τ,, соответственно.
Ф1
Ф
w1
Ф
1
Ф2
Ф
w2
Ф
1
В результате этого число витков в обмотке фазы первого электродвигателя равно w=qR/(ρl)=qR/(8τρ), а число витков в обмотке фазы второго электродвигателя равно w=qR/(ρl)=qR/(13,7τρ).
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>Ф</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>Ф</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>q</mi><msub><mi>R</mi><mi>Ф</mi></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>B</mi><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>3</mn><msubsup><mi>τ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mi>B</mi><mi>q</mi><msub><mi>R</mi><mi>Ф</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0,375</mn><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mi>B</mi><mi>q</mi><msub><mi>R</mi><mi>Ф</mi></msub><mo>/</mo><mi>ρ</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>Ф</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>Ф</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>q</mi><msub><mi>R</mi><mi>Ф</mi></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>13,7</mn><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>B</mi><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>5,1</mn><msubsup><mi>τ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mi>B</mi><mi>q</mi><msub><mi>R</mi><mi>Ф</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>13,7</mn><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0,372</mn><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mi>B</mi><mi>q</mi><msub><mi>R</mi><mi>Ф</mi></msub><mo>/</mo><mi>ρ</mi></mrow>
Поэтому
, a
.
П
X
Таким образом, условие (1) практически выполняется и значения пускового момента М и угловой частоты Ω вращения при идеальном холостом ходе первого и второго электродвигателей практически одинаковы.
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>π</mi><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mi>D</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>π</mi><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>D</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>4</mn><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0,85</mn><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mn>4</mn><mo>=</mo><mn>1,445</mn><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Вместе с тем объемы роторов первого и второго электродвигателей равны
и
, соответственно.
1
1
1
2
1
2
1
1
2
Следовательно, первый электродвигатель при значительно меньшей активной длине L=3τ ротора, выбранной в соответствии с настоящим изобретением, и незначительно большем его диаметре D по сравнению со вторым электродвигателем, ротор которого имеет диаметр D=0,85D и активную длину L=6τ, характеризуется объемом ротора V, имеющим значение, приблизительно в 1,5 раза меньшее объема ротора V второго электродвигателя. При этом энергетические и динамические характеристики первого и второго электродвигателей оказываются практически одинаковыми.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает улучшение энергетических и динамических характеристик электрической машины за счет повышения эффективности использования активных материалов.