ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНАЯ РЕАКТИВНАЯ МАШИНА
REACTIVE SWITCHED RELUCTANCE MACHINE

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам вентильно-индукторного реактивного типа, и может быть использовано для приводных и генераторных установок в промышленности и на транспорте, предусматривающих повышенные требования к КПД и удельной мощности.
Известна конструкция m-фазной реактивно-индукторной электрической машины, содержащей зубчатый статор, на зубцах которого расположены катушки статорной обмотки, и зубчатый ротор, не содержащий обмоток [Miller, TJ.E. Switched Reluctance Motor and Their Control. / TJ.E. Miller. -Magna Physics Publishing and Oxford University Press, 1993. - 198 p., см. фиг. 1.1, стр. 2.]. При этом катушки полюсов одной фазы обмотки располагаются через угловой интервал π/k, где k - число пар полюсов одной фазы.
В машинах такой конструкции возникают повышенные потери из-за большой длины силовых линий рабочего магнитного потока, замыкающихся по кольцевому сердечнику через полюсы одной из фаз, между которыми располагаются полюсы остальных фаз.
Также известна конструкция вентильного реактивно-индукторного двигателя [Патент RU2068608 С1], содержащая безобмоточный ротор с зубцами и статор, зубцы (полюса) которого охвачены катушками и размещены так, что образуется m-фазная магнитная система, в которой число зубцов на статоре Zc=k×2m выбирается кратным 2 m, число зубцов ротора Zp=Zc±k, где k=2, 3, 4, а катушки двух m-фазных сосредоточенных обмоток статора размещены на зубцах (полюсах) таким образом, чтобы все магнитодвижущие силы в одноименных фазах одной и той же обмотки были направлены одинаково или от статора к ротору, или от ротора к статору.
Основной магнитный поток при такой конструкции возбужденного полюса замыкается через соседние зубцы статора, которые относятся к другим фазам.
Недостатком такой конструкции является высокий уровень взаимоиндукции катушек разных фаз, что приводит к возникновению дополнительных тормозных моментов при вращении ротора и снижает эффективность электромеханического преобразования энергии.
Также известна конструкция индукторного двигателя [Патент RU2068608 С1], состоящая из ротора в виде шихтованного зубчатого магнитопровода и статора, содержащего в пазах шихтованного зубчатого магнитопровода катушки обмотки. В пазах статора выполнены ферромагнитные выступы, которые позволяют уменьшить магнитную индукцию в наиболее напряженном в магнитном отношении участке ярма и за счет этого уменьшить потери мощности на перемагничивание магнитопровода статора.
Такая конструкция хоть и позволяет уменьшить потери мощности на перемагничивание по отношению к выше приведенным аналогам, однако эти потери достаточно высоки из-за большой длины силовых линий рабочего магнитного потока, замыкающего по кольцевому сердечнику через полюсы одной из фаз.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция вентильно-индукторной электрической машины [Патент RU2571955 С1], состоящая из ротора в виде шихтованного зубчатого магнитопровода и статора, содержащего в пазах шихтованного зубчатого магнитопровода катушки обмотки. При этом зубцы статора, принадлежащие одной фазе, разделены на активные зубцовые фрагменты с катушками с шагом зубцовых фрагментов, равным шагу зубцового деления ротора.
При такой конструкции магнитопровода практически отсутствует индуктивная связь не только с соседними фазами, но и с катушками, расположенными на других зубцах одной и той же фазы. Магнитные силовые линии возбужденной фазы замыкаются через фрагменты одного зубца статора, а не по кольцевому магнитопроводу. При этом значительно уменьшается длина магнитных линий рабочего потока, снижаются магнитные потери, уменьшаются потоки рассеяния и повышается кратность изменения магнитной проводимости при согласованном и рассогласованном положении зубцов статора и ротора и, соответственно, увеличивается эффективность электромеханического преобразования энергии.
Однако, хотя такая конструкция и позволяет несколько увеличить эффективность электромеханического преобразования, но катушки обмотки обладают низким потокосцеплением, и магнитный поток, возбуждаемый катушкой, взаимодействует только в одной зубцовой зоне, что снижает удельные показатели: крутящий момент и мощность машины.
Технической задачей является повышение эффективности электромеханического преобразования энергии в вентильно-индукторной реактивной машине.
Поставленная задача решается за счет того, что в вентильно-индукторной реактивной машине, включающей ротор в виде зубчатого сердечника и статор, состоящий из фрагментов зубчатого сердечника, содержащего в пазах катушки, а зубцы статора, принадлежащие одной фазе, разделены на активные зубцовые фрагменты с катушкой с шагом зубцов в фрагменте, равным шагу зубцов ротора, при этом фрагменты статора выполнены из отдельных С-образных сердечников, и только одна катушка расположена в пазах рядом находящихся С-образных сердечников, попарно объединяя их в каждом фрагменте. При этом вентильно-индукторная реактивная машина может быть изготовлена в цилиндрическом, линейном, торцевом или многодисковом исполнении.
Техническая задача решается за счет того, что при таком расположении сердечников и катушек статора потокосцепление катушки повышается, причем одна катушка возбуждает магнитный поток сразу в четырех зубцах фрагмента ротора и статора. Вследствие более высокого потокосцепления катушки необходимое суммарное сечение катушек всей машины в сравнении с прототипом будет меньше и, соответственно, уменьшается их масса и потери в них, тем самым увеличивается удельная мощность и КПД машины. При этом уменьшение количества катушек в четыре раза ведет к повышению технологичности изготовления статора, т.к. менее трудоемко изготовить и закрепить одну катушку вместо четырех.
Изготовить предлагаемую вентильно-индукторную реактивную машину можно в следующих исполнениях:
- цилиндрическом, как с внешним, так и с внутренним ротором,
- линейном, когда статор и ротор изготовляются в виде параллельных сплошных сердечников с обращенными друг к другу зубцами и катушками, расположенными в пазах индуктора,
- торцевом или многодисковом.
Изобретение поясняется на примере трехфазной вентильно-индукторной реактивной машины с числом зубцов ротора 22, статора 24.
На Фиг. 1 показано поперечное сечение активной части машины. На Фиг. 2 показано сечение 1-1 фрагмента статора. На Фиг. 3 показана схема замыкания силовых линий магнитного поля в режиме двигателя, а на Фиг. 4 - схема замыкания силовых линий магнитного поля в режиме генератора.
На приведенных Фиг. 1, 2 изображены: 1 - сердечник ротора, 2 - катушка, 3 - граница фрагмента, 4 - С-образный сердечник. Буквами А-В-С на Фиг. 1 указана принадлежность С-образных сердечников к соответствующим фазам. На Фиг. 3, 4 стрелками показано направление движения ротора.
Питание катушек одной фазы осуществляется от отдельного полупроводникового ключа. Работа машины в режиме двигателя осуществляется следующим образом: в катушки С-образных сердечников, относящихся к одной и той же фазе, относительно которых ротор находится в рассогласованном положении, подключается напряжение, под действием которого протекает электрический ток, в результате чего возбуждаются магнитные поля, проходящие через С-образные сердечники статора и зубцы ротора. При этом возникает электромагнитный момент, стремящийся повернуть ротор в направлении согласованного положения (Фиг. 3). Для устойчивого вращения ротора требуется поочередно подавать и снимать питание с катушек С-образных сердечников в зависимости от углового положения ротора. В режиме генератора напряжение подключается в катушки, относительно которых ротор находится в согласованном положении, в результате чего возбуждаются магнитные поля, возникает тормозящий электромагнитный момент и вырабатывается ток (Фиг. 4).
Сравнительные расчеты, выполненные с помощью компьютерного моделирования, и испытание макетного образца показали, что предложенная конструкция более эффективна, и это позволяет сделать вывод о целесообразности промышленного применения.