БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к многофазным синхронным электрическим машинам с постоянными магнитами и может быть использовано в автономных системах электрооборудования в качестве источника переменного или постоянного тока или в качестве электромеханической части бесконтактного двигателя постоянного или переменного тока.
Синхронные электрические машины с постоянными магнитами, как генераторы, так и двигатели, находят в последнее время все более широкое применение. Однако в таких машинах при неправильно выбранных соотношениях числа полюсов и числа зубцов могут наблюдаться значительные пульсации реактивного момента и, как следствие, увеличение неравномерности вращения ротора, в особенности при малых нагрузках и малых частотах вращения. Это приводит к снижению пускового момента двигателя, увеличению шумов, вибрации, дополнительных потерь в обмотках, повышенному нагреву и снижению к.п.д. машины.
o
По патенту RU 2091969 известен безколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с Z одинаковыми равномерно распределенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка, и ротор с 2р чередующимися полюсами из постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении, где число зубцов статора Z, кратное числу фаз m, и число полюсов ротора 2р выбираются такими, чтобы разница между ними 2К, где К целое положительное число, была минимальной, и m-фазная обмотка, представляющая собой концентрическую обмотку, каждая фаза которой состоит из 2К катушечных групп, намотана таким образом, чтобы направление намотки на зубцах статора чередовалось внутри каждой катушечной группы и чтобы на зубцах одной фазы, сдвинутых на 180/К, направление намотки было согласным при нечетном К и встречным при четном К.
Недостатками известного устройства являются: неравномерность вращения ротора, повышенный шум и вибрация.
о
Наиболее близким к заявленному техническому решению является известная по патенту RU 2143777 бесконтактная электрическая машина содержащая статор, на Z-зубцах которого намотана m-фазная обмотка, ротор с 2р чередующимися полюсами, где число зубцов статора Z кратно числу фаз m, а число Z и число полюсов ротора 2р выбираются такими, чтобы разница между ними была 1, где 1 - минимальное целое число. При этом m-фазная обмотка, каждая фаза которой состоит из 1 катушечных групп, намотана так, что направления намотки на зубцах статора внутри каждой катушечной группы чередуются и что на зубцах одной фазы, сдвинутых на 180/1, направление было согласным при нечетном 1 и встречным при четном 1, а сдвиг между фазами m=/m при m=21; m=[3-(-1)m/2/m при m=(21+1), где 1=1,2….
Недостатками известного устройства является повышенный реактивный момент при некоторых соотношениях числа полюсов и числа зубцов, а также ограниченная область применения, поскольку известное устройство предназначено только для случаев, когда числа зубцов и полюсов близки. Повышенные реактивные моменты возникают, когда число зубцов z и число полюсов 2р не являются взаимно простыми и имеют общий делитель, больший единицы.
Техническим результатом заявленной полезной модели являются снижение реактивного момента и расширение области применения электрической машины.
Технический результат достигается тем, что в бесконтактной электрической машине, содержащей статор с z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка, и ротор с 2р чередующимися полюсами, согласно полезной модели, число зубцов статора z и число полюсов ротора 2р выбрано таким образом, чтобы соотношение между ними определялось выражением z=m(2p±l). при 2р не кратном m.
Предлагаемое соотношение, согласно которому число зубцов статора z и число полюсов ротора 2р выбирают так, чтобы z=m(2р±1) при 2р не кратном m, применимо, если требуется, чтобы число зубцов z было в разы больше, чем число полюсов 2р. В этом случае реактивные моменты будут минимальны, поскольку число зубцов z и число полюсов 2р являются взаимно простыми и наибольший общий делитель (НОД) числа зубцов z и числа полюсов 2р равен единице. Такая конструкция устройства (бесконтактной электрической машины) позволяет существенно расширить область его применения и изготавливать электрические машины с равномерным вращением ротора.
Сущность заявленной полезной модели поясняется рисунками:
На рис.1 изображен вариант исполнения устройства с 16 полюсами и 21 зубцом статора.
На рис.2 изображен вариант исполнения устройства с 14 полюсами и 21 зубцом статора.
На рис.3 показано значения реактивного момент двигателя с 8 парами полюсов ротора и 51 зубцом статора.
При вращении ротора относительно статора на каждый зубец статора периодически будет действовать момент, определяемый положением зубца относительно магнитной системы полюсов. Если форма и взаимное расположение зубцов, а также форма и взаимное расположение полюсов симметричны, реактивный момент фактически будет определяться расположением оси симметрии зубца относительно оси симметрии ближайшего полюса.
Например, при выполнении устройства с 16 полюсами и 21 зубцом статора, как показано на рис.1. когда число зубцов и число полюсов не имеют общих делителей, кроме единицы, и ось симметрии какого-либо зубца находится на оси симметрии какого-либо полюса (зубец 1 и полюс 1). В этом случае действующий на рассматриваемый зубец реактивный момент исходя из симметрии магнитного поля системы будет равен нулю. А на каждый зубец, находящийся слева от рассматриваемого зубца, будет действовать такой же по значению реактивный момент, но противоположного знака, что и на зубец, находящийся симметрично справа от рассматриваемого зубца, так как эти зубцы равно, но противоположно смещены относительно ближайших полюсов.
Для рассматриваемого варианта исполнения в Таблице 1 приведено угловое положение зубцов и полюсов, а также взаимное расположение каждого зубца относительно ближайшего к нему полюса в том случае, когда оси симметрии первого зубца и первого полюса совпадают.
Из приведенной таблицы видно, что для каждого зубца статора, кроме первого, имеется соответствующий ему и находящийся на таком же угловом расстоянии относительно первого симметричный зубец. Действующие на них моменты будут равны и противоположны друг другу.
Очевидно, что действующий на статор реактивный момент будет определяться интегральным значением моментов сил от всех зубцов статора. В таком случае суммарный реактивный момент, действующий на статор, также будет равен нулю и ротор будет находиться в «точке залипания». За время одного оборота для каждого зубца число таких «точек залипания» будет равно числу полюсов 2р. Общее же число «точек залипания» за один оборот для всех зубцов, с учетом того, что число зубцов и число полюсов не имеют общих делителей, будет равно произведению числа зубцов z на число полюсов 2р. При смещении ротора из «точки залипания» относительно статора возникает рассогласование симметрии зубцов относительно полюсов, что приводит к возникновению реактивного момента между статором и ротором в направлении к «точке залипания».
Если же число зубцов z и число полюсов 2р имеют общие делители, то в одинаковом угловом положении относительно своего ближайшего полюса будут находиться одновременно несколько зубцов, и количество их будет равно наибольшему общему делителю (ПОД) числа зубцов z и числа полюсов 2р. Общее число «точек залипания» будет в этом случае в НОД раз меньше и будет равно произведению числа зубцов на число полюсов, деленное на наибольший общий делитель (НОД) числа зубцов и числа полюсов. Соответственно «угловое расстояние» между ближайшими «точками залипания» увеличится в НОД раз, что приведет к увеличению неравномерности вращения ротора. Реактивные моменты «двигающихся в фазе» НОД зубцов будут складываться, и значение действующего на все зубцы суммарного максимального положительного и суммарного отрицательного реактивных моментов в положениях между «точками залипания» также возрастут в НОД раз, что тоже приведет к увеличению неравномерности вращения ротора.
При выполнении устройства с 14 полюсами и 21 зубцом статора, как показано на рис.2 для числа зубцов и числа полюсов наибольший общий делитель (НОД) будет равен 7. В Таблице 2 приведены угловые положения зубцов и полюсов для данного случая. Из таблицы видно, что 7 зубцов каждой из 3 групп всегда имеют одинаковое угловое положение относительно ближайшего к ним полюса.
Это означает, что при вращении ротора относительно статора реактивный момент достигает своего максимального значения синхронно на семи зубцах.
Предлагаемое техническое решение было проверено изготовлением опытной партии двигателей. Данные двигатели имеют восемь пар полюсов, на статоре расположен 51 зубец, номинальное значение момента на валу двигателя 2,5 н*м. Были произведены измерения величины реактивного момента в зависимости от взаимного углового положения ротора относительно статора.
Измерения производились с помощью специально изготовленного стенда, обеспечивающего поворот ротора относительно статора с шагом 0,2 градуса с одновременным измерением усилия (реактивного момента), создаваемое статором. В качестве измерителя усилия использовались электронные весы модели ML-A01-100.
Результаты измерений реактивного момента двигателя в интервале от 0 до 180 градусов (половина оборота ротора относительно статора) представлено на рис.3.
Табл. 1.
Угловое расположение зубцов и полюсов для состоящих из 21 зубца статора и 16 полюсов ротора.
номера полюсов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
положения полюсов
0
22, 1
45
67,.5
90
113
135
158
180
203
225
3.48
248
270
315
338
номера зубцов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
положения зубцов
0
17,1
34,3
51,4
68,6
85,7
103
120
137
154
171
189
206
223
240
257
274
291
309
326
343
смещение зубца
0,00
-5,36
-10,71
6,43
1,07
-4,29
-9,64
7,50
2,14
-3,21
-8,57
8,57
3,21
-2,14
-7,50
9,64
4,29
-1,07
-6,43
10,71
5,36
Симметричные зубцы
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
Табл. 2.
Угловое расположение зубцов и полюсов для состоящих из 21 зубца статора и 14 полюсов ротора.
номера полюсов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
положения полюсов
0
25,7
51,4
77,1
103
129
154
180
206
231
257
283
309
334
номера зубцов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
положения зубцов
0
17,1
34,3
51,4
68,6
85,7
103
120
137
154
171
189
206
223
240
257
274
291
309
326
343
смещение зубца
0,00
-8,57
8,57
0,00
-8,57
8,57
0,00
-8,57
8,57
0,00
-8,57
8,57
0,00
-8,57
8,57
0,00
-8,57
8,57
0,00
-8,57
8,57
зубцы с равным смещением
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3