ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, и может найти применение при создании асинхронных и синхронных электродвигателей и электрогенераторов.
Известны электрические машины малой и средней мощности серии 4А с магнитными клиньями в полузакрытых пазах, которые соединяются с воздушным зазором узким каналом (шлицом) шириной 1,8-6 мм и длиной в 0,5-1,1 мм [1].
Недостатком данного устройства является то, что магнитный клин, будучи расположен внутри паза, оказывает слабое влияние на выравнивание магнитного поля в воздушном зазоре. Для устранения этого существенного недостатка необходимо, чтобы тело клина, помимо части паза, занимало бы и его шлиц.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению и взятым за прототип является электрическая машина производства ЗАО «ЧЭАЗ» 5ДВМ, содержащая статор с полузакрытыми пазами и уложенной в его пазы обмоткой, и ротор с постоянными магнитами [2].
Недостатком данной электрической машины является то, что в местах напротив пазовых щелей имеются значительные провалы магнитной индукции.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение равномерности вращения электрической машины.
Технический результат - уменьшение вихревых токов в постоянных магнитах ротора, снижение их нагрева и уменьшение зубцовых пульсаций электромагнитного момента.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в электрической машине содержащей статор с полузакрытыми пазами, магнитные клинья для фиксации обмотки статора и ротор с постоянными магнитами магнитные клинья выполнены т-образными и расположены таким образом, что тело магнитного клина помимо части паза занимает и его шлиц, при этом относительная магнитная проницаемость материала клина не менее 40.
Отличительной особенностью данного технического решения является то, что в электрической машине магнитные клинья выполнены т-образными и расположены таким образом, что тело магнитного клина помимо части паза занимает и его шлиц, при этом относительная магнитная проницаемость материала клина не менее 40.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства (датчик положения ротора, подшипники и прочие элементы, не меняющие сущность изобретения, не представлены); на фиг. 2 - магнитные клинья, обычной конструкции в полузакрытых пазах статора электрической машины; на фиг. 3 - магнитные клинья т-образной формы, занимающие помимо части паза и его шлиц; на фиг. 4 - график зависимости магнитной индукции в воздушном зазоре от угла поворота ротора при отсутствии магнитных клиньев; на фиг. 5 - график зависимости магнитной индукции в воздушном зазоре от угла поворота ротора при установке магнитных клиньев т-образной формы с относительной магнитной проницаемостью  на фиг. 6 - график зависимости магнитной индукции в воздушном зазоре от угла поворота ротора при установке магнитных клиньев т-образной формы с относительной магнитной проницаемостью  на фиг. 7 - график зависимости магнитной индукции в воздушном зазоре от угла поворота ротора при установке магнитных клиньев традиционной конструкции; на фиг. 8 - электромагнитный момент обесточенного статора при отсутствии магнитных клиньев в пазах; на фиг. 9 - электромагнитный момент обесточенного статора при наличии магнитных клиньев в пазах.
Заявляемое устройство состоит из ротора 1 с постоянными магнитами 5, корпуса 2 статора, активного сердечника 3 статора с зубцами 6 и полузакрытыми пазами, обмотки 4 статора и магнитных клиньев 7.
Работа электрической машины осуществляется следующим образом. На обмотку 4 статора подается напряжение питания, которое формируется системой управления в зависимости от положения ротора 1 с постоянными магнитами 5. Возбуждение происходит от постоянных магнитов 5 ротора 1. Магнитный поток, создаваемый обмоткой 4 статора, замыкается по активному сердечнику 3 статора. Формируемый вектор магнитного поля статора приводит во вращение ротор 1 электрической машины. При вращении ротора 1 магнитные клинья 7 выравнивают магнитную индукцию в воздушном зазоре электрической машины.
Численный расчет электрической машины с постоянными магнитами позволяет оценить влияние геометрии и магнитной проницаемости магнитного клина на распределение магнитной индукции в воздушном зазоре.
Распределение радиальной составляющей магнитной индукции в воздушном зазоре при отсутствии магнитных клиньев в пазах и ширине полюса 150 эл. град, показано на фиг. 4, где видны значительные провалы индукции в местах напротив пазовых щелей. Особенно большой величины (до 50%) они наблюдаются на поверхности расточки статора, на которой также возникают значительные (свыше 100%) импульсные выбросы индукции на углах зубцов.
При наличии в пазах, включая пазовые щели, магнитных клиньев с относительной магнитной проницаемостью  указанные провалы и выбросы значительно уменьшаются (фиг. 5).
При  кривые индукции становятся практически гладкими (фиг. 6).
У электрической машины с магнитными клиньями, углубленными в шлицы пазов (фиг. 6), амплитуда наиболее значительной гармоники магнитной индукции  с номером ν=6 на поверхности магнитов составляет всего 0,0076 Тл. Имеем снижение амплитуды этой гармоники, вызывающей потери в магнитах, в 13 раз. Такая электрическая машина практически не будет иметь потерь в магнитах.
При установке традиционных магнитных клиньев, не входящих в шлиц паза, распределение магнитной индукции в воздушном зазоре (фиг. 7) остается почти таким же, как и при отсутствии магнитных клиньев (фиг. 4). Амплитуда гармоники магнитной индукции  с номером ν=6 на поверхности магнитов в это случае будет составлять 0,059 Тл, т.е. уменьшается всего лишь в 1,7 раза (вместо 13 раз при магнитных клиньях, заходящих в шлиц).
Переменная составляющая магнитной индукции, вызванная z зубцами статора и показанная на фиг. 4, перемещается относительно поверхности магнитов со скоростью вращения  ротора, наводя в теле магнита вихревые токи.
Установка магнитных клиньев в пазах статора, как видно из фиг. 6 и фиг. 7, практически устраняет высокочастотную составляющую магнитной индукции в воздушном зазоре и, тем самым, решает проблему недопустимого нагрева постоянных магнитов.
При отсутствии скоса пазов статора магнитная проводимость воздушного зазора будет иметь сильно выраженную зависимость от углового положения ротора. В результате появляется электромагнитный момент реактивного происхождения при обесточенном статоре. Кривая этого момента, подсчитанная по формуле метода натяжений [5]
где  - активная длина, максимальный наружный диаметр и полюсное деление ротора;  - нормальная и тангенциальная составляющие соответственно магнитной индукции и напряженности магнитного поля в воздушном зазоре, показана на фиг. 8.
Номинальный момент рассматриваемой электрической машины равен 47,7 Н⋅м. Амплитуда реактивного момента (момента «залипания»), как видно из рис. 9, может достигать 38% от номинального момента.
На рис. 9 показана кривая реактивного момента этой же электрической машины, но уже с магнитными клиньями в пазах статора. Видим, что максимум реактивного момента уменьшился в шесть раз, составив уже 6,3% от номинального момента.
Эффект снижения зубцовых пульсаций электромагнитного момента, распространяется не только для рассмотренной электрической машины, но также и для любых других электрических машин, имеющих полузакрытые пазы на статоре.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет уменьшить зубцовые пульсации электромагнитного момента, уменьшить вихревые токи в массиве постоянных магнитов и снизить их нагрев.
Источники информации
1. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. - М.: Энергоиздат, 1982. -504 с.
2. БКЖИ.521571.001 РЭ, Руководство по эксплуатации «Двигатели вентильные 5 ДВМ».
3. Афанасьев А.А. Метод сопряжения конформных отображений в задачах электромеханики. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2011. - 390 с.
4. Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г. Добавочные потери в электрических машинах. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 214 с.
5. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах. - М.: Высш. шк., 1989. - 312 с.