Синхронный вентильный электродвигатель с совмещенными обмотками и способ формирования совмещенной обмотки
SYNCHRONOUS BRUSHLESS DC ELECTRIC MOTOR WITH COMBINED WINDINGS AND METHOD FOR FORMATION OF COMBINED WINDING

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вентильным электродвигателям, и может быть использовано в конструкции привода линейной электропогружной насосной установки.
В технике часто возникает потребность в двигателях с низкими скоростями вращения (от единиц до нескольких десятков оборотов в минуту) без использования механических редукторов. Применение редукторов нежелательно по причинам их повышенного шума, значительной массы и габаритов, люфтов и ряда других отрицательных последствий.
Одним из способов получения малой скорости вращения ротора электродвигателя является выполнение магнитной системы с конфигурацией зубцовой зоны и схемы обмотки статора с разными числом полюсов на статоре и на роторе, создавая таким образом эффект электромагнитного редуцирования.
Также одним из основных требований к эксплуатации электродвигателей является повышение экономичности, плавности движения и коэффициента полезного действия (КПД). Такого результата достигают посредством применения совмещенных обмоток, на данный момент наиболее известной обмоткой данного типа является «Славянка». Указанная схема намотки подразумевает параллельное соединение двух трехфазных обмоток в звезду и треугольник. Благодаря совмещённым обмоткам параметры двигателей значительно улучшаются, в частности повышается энергоэффективность, при этом уменьшается применение дорогостоящих электротехнических материалов.
В заявляемом изобретении реализованы принципы построения тихоходных электрических машин в совокупности с применением совмещенной обмотки со всеми ее преимуществами.
Из заявки на изобретение США US20130038144A1 от 14.02.2013 известен статор электродвигателя погружной насосной установки содержащий множество катушек и проставок между ними, намотанных из одного проводника определенной длинны, с чередованием трех, указанных наборов катушек с разным направлением тока. Концы обмотки статора соединены в звезду в конце последнего набора катушек. Количество катушек в каждом наборе кратно трем. Также согласно описанному изобретению каждый набор катушек содержит множество катушек, расположенных в смежных парах, причем одна из пары катушек намотана в противоположном направлении по отношению к другой из катушек указанной пары. Двигатель, описанный в данном варианте выполнения изобретения является тихоходным, так как, согласно описанию количество пар полюсов статора превышает количество пар полюсов подвижной части (слайдера).
К недостаткам описанного технического решения можно отнести то, что в обычном вентильном двигателе с обмоткой соединенной по схеме звезда или треугольник магнитное поле обмотки не синусоидально и имеет ступенчатый вид кривой магнитодвижущей силы (М.Д.С.) при питании от источника синусоидального напряжения, что приводит к модулированию тягового усилия слайдера и вызывает нежелательные акустические шумы и вибрации двигателя, обусловленные электромагнитными силами.
Так же из патента на изобретение RU 2568646 от 20.11.2015 МПК H02K 17/14, H02K 3/28 известна совмещенная обмотка электрической машины с числом магнитных полюсов p=12 и числом пазов z=36, включающая в себя пространственно – совмещенную композицию двух трехфазных взаимозависимых частей (обмоток), собранных одна в звезду, другая в треугольник. При этом сдвиг между соседними полюсами звезды и треугольника составляет 0,5 паза.
Недостатком описанного технического решения является невозможность применения данной обмотки в конструкции электродвигателя с явновыраженными полюсами ротора при разнополюсности статора и ротора, в частности в конструкции линейного погружного электродвигателя.
За ближайший аналог взято техническое решение, известное из патента на полезную модель RU 113090 от 27.01.2012, согласно которому машина синхронная вращающаяся с совмещенными обмотками, включает в себя шестифазную обмотку, состоящую из двух трехфазных совмещенных обмоток, соединенных соответственно в звезду и треугольник при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном √3, при этом на каждую фазу приходится равное число пазов, катушки различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы индукции магнитного потока каждой из соседних фаз образуют между собой угол в 30 эл. градусов. Нечетные фазы соединены в звезду, а четные - в треугольник или наоборот, а выводы их фаз, отстоящие друг от друга на 30 эл. градусов, соединены между собой и образуют точки подключения фаз.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в улучшении эксплуатационных характеристик вентильного электродвигателя.
Технический результат, получаемый от реализации заявляемого изобретения заключается в увеличении тягового усилия, повышении выходного момента электродвигателя, уменьшении величины пусковых токов, а также в обеспечении синусоидальности кривой магнитодвижущей силы (М.Д.С.), чем обеспечивается максимальная плавность хода подвижной части электродвигателя.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что синхронный вентильный электродвигатель содержит девятифазную обмотку, которая состоит из трех трехфазных обмоток, соединенных параллельно, - две из которых соединены в звезду и одна – в треугольник. При этом обмотка состоит из набора катушек, объединенных в группы с равным числом катушек, размещенных с учетом поочередной смены направления тока в рамках одной группы, и является частью магнитной системе, у которой число зубцов статора отличается от числа магнитных полюсов подвижной части электродвигателя на величину кратную двум, образуя результирующее магнитное поле с числом магнитных полюсов статора, равным числу магнитных полюсов подвижной части. Причем группы катушек расположены попарно с чередованием соединения в звезду и треугольник, образуя в каждой паре угол между векторами индукции магнитного потока 90 эл. градусов, при этом группы катушек, относящиеся к одной фазе смещены относительно групп катушек относящихся к другим фазам на 120 эл. градусов.
Также согласно преимущественному варианту выполнения в группе катушек, по меньшей мере, две катушки представляют одну фазу и образуют один полюс, одна из указанной пары катушек соединена в звезду, а вторая – в треугольник с аналогичными катушками других фаз, причем каждая пара катушек в группе имеет обратную полярность по отношению к предыдущей.
Согласно еще одному возможному варианту выполнения обмотки статора вентильного электродвигателя, одна часть набора катушек образует группы соединенные в звезду, а вторая – в треугольник со смещением в пространстве относительно друг друга на 90 эл. градусов.
Согласно описанным вариантам выполнения конструкции, способ формирования совмещенной обмотки электрической машины, заключается в том, что обмотку формируют из трех трехфазных обмоток соединенных параллельно, две из которых соединены в звезду и одна – в треугольник. Обмотки формируют из набора катушек, объединенных в группы с равным числом катушек и размещают с учетом поочередной смены направления тока в рамках группы. Указанные группы катушек формируют таким образом, что, по меньшей мере, две катушки представляют одну фазу и образуют один полюс. Одну часть катушек из группы соединяют в звезду, а вторую в треугольник с аналогичными катушками других фаз, причем каждую пару катушек в группе, выполняют с обратной полярностью по отношению к предыдущей, в результате чего формируют результирующее магнитное поле с числом магнитных полюсов статора, равным числу магнитных полюсов подвижной части электродвигателя. При этом, группы катушек формируют таким образом, что угол вектора магнитного потока между группами составляет 90 эл. градусов, а группы катушек, относящиеся к одной фазе, смещают относительно групп катушек относящихся к другим фазам на 120 эл. градусов
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими графическими материалами:
фиг.1 – схема совмещенной обмотки синхронного вентильного электродвигателя;
фиг.2 – кривая магнитодвижущей силы (М.Д.С.) в немагнитном зазоре.
Настоящее изобретение раскрыто на примере линейного вентильного электродвигателя, применяемого в линейных электропогружных насосных установках, но также может быть использовано и в других известных конструкциях вентильных синхронных электродвигателей.
В общем варианте исполнения линейный электродвигатель представляет собой устройство, создающее усилие в осевом направлении, обеспечивающее возвратно-поступательное движение подвижной части линейного привода (слайдера) в полости неподвижного статора.
Согласно описаному варианту реализации заявляемого изобретения, слайдер помещен в полости статора с образованием зазора с его обмотками и выполнен из набора постоянных магнитов с заданным количеством пар магнитных полюсов «р», которое больше числа пар магнитных полюсов статора на величину кратную двум, что является одним из основных признаков «тихоходной» электрической машины. В описанном варианте реализации изобретения, число пар полюсов ротора составляет р=19.
Статор описанного в изобретении синхронного вентильного электродвигателя, содержит девятифазную совмещенную обмотку с числом магнитных полюсов p>10, и числом пазов z=36 либо z=72.
Указанная обмотка состоит из трех трехфазных обмоток с одинаковым числом пазов на фазу, соединенных параллельно (фиг.1), две из которых соединены в звезду (на схеме показаны сплошной линией в виде трапеций с разной толщиной линий для каждой из фаз А,В,С) и одна – в треугольник (на схеме показана штриховой линией в виде прямоугольников, с разной толщиной линий для каждой фазы).
Как показано на схеме (фиг.1), обмотка состоит из набора катушек объединенных в группы с равным числом катушек для каждой фазы. Катушки в рамках одной группы, размещены с учетом поочередной смены направления тока, причем группы катушек расположены попарно с чередованием соединения в звезду и треугольник, образуя в каждой паре угол между векторами магнитного потока 90 эл. градусов, при этом группы катушек, относящиеся к одной фазе смещены относительно групп катушек относящихся к другим фазам на 120 эл. градусов.
Описанная обмотка и слайдер (на фиг.1, показан в виде поочередно расположенных магнитов с полюсами «S», «N»), образуют магнитную систему, у которой число зубцов статора отличается от числа магнитных полюсов подвижной части электродвигателя (слайдера), на величину кратную двум. Также в указанной магнитной системе, формируется результирующее магнитное поле с числом магнитных полюсов статора равным, числу магнитных полюсов подвижной части.
Согласно одному из возможных вариантов выполнения обмотки в группе катушек, по меньшей мере, две катушки представляют одну фазу и образуют один полюс, при этом одна из указанной пары катушек соединена в звезду, а вторая – в треугольник с аналогичными катушками других фаз. Также каждая пара катушек в группе имеет обратную полярность по отношению к предыдущей паре.
Возможен также вариант соединения катушек в обмотку, при котором одна часть набора катушек образует группы соединенные в звезду, а вторая в треугольник со смещением в пространстве относительно друг друга на 90 эл. градусов.
Выполнение статора электродвигателя с обмоткой (фиг.1) согласно описанному изобретению позволяет получить электрическую машину с числом пар полюсов на слайдере 2р=38 при числе пазов на статоре z=36 либо z=72.
В соответствии с приведенными выше конструктивными особенностями выполнения, совмещенную девятифазную обмотку формируют из трех трехфазных обмоток соединенных параллельно, две из которых соединены в звезду и одна – в треугольник. Указанные обмотки формируют из набора катушек, объединенных в группы с равным числом катушек и размещают с учетом поочередной смены направления тока в рамках группы. Группы катушек формируют таким образом, что, по меньшей мере, две катушки представляют одну фазу и образуют один полюс, одну часть катушек из группы соединяют в звезду, а вторую в треугольник с аналогичными катушками других фаз. Каждую пару катушек в группе, выполняют с обратной полярностью по отношению к предыдущей, в результате чего формируют результирующее магнитное поле с числом магнитных полюсов статора, равным числу магнитных полюсов подвижной части электродвигателя. При этом, группы катушек формируют таким образом, что угол вектора магнитного потока между группами составляет 90 эл. градусов, а группы катушек, относящиеся к одной фазе, смещают относительно групп катушек относящихся к другим фазам на 120 эл. градусов.
Работу синхронного вентильного электродвигателя с применением описанной тихоходной совмещенной девятифазной обмотки статора можно описать следующим образом.
Посредством того, что в один из моментов времени, векторы направления магнитного поля, создаваемые током, протекающим по одной фазе обмотки статора, совпадает с вектором магнитного поля слайдера, а двум другим нет, в немагнитном зазоре образуется результирующий вектор направленный параллельно оси слайдера (в осевом направлении), при этом на слайдер начинает действовать сила, стремящаяся привести его в устойчивое положение. Это, в свою очередь, приводит к созданию движущего момента, так как, слайдер позиционирован относительно статора таким образом, что сума векторов магнитного поля в радиальном направлении ровна нулю.
В обмотке статора протекает синусоидальный ток, фазы соединенные в звезду размещены в пространстве на 120° относительно друг друга, фазы соединенные в треугольник – аналогично. При этом обмотки соединенные в треугольник смещены относительно обмоток соединенных в звезду на половину пазового деления при z=36 либо на одно пазовое деление при z=72.
Смещение обмоток соединенных в звезду относительно обмоток соединенных в треугольник приводит к созданию пульсирующего магнитного поля в каждом пазе, при этом суммирующий вектор максимального магнитного потока перемещается последовательно по пазам статора. Магнитное поле, созданное постоянными магнитами слайдера, увлекается за вектором магнитного поля, который создается обмоткой  статора, создавая движущий момент, действующий на подвижную часть электродвигателя.
При помощи средства управления (контролера) подают напряжение на обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был равен вектору магнитного поля слайдера. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки статора электродвигателя, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на слайдер. Управление реализуется таким образом, чтобы создавать и поддерживать в зазоре между статором и слайдером бегущее магнитное поле, которое увлекает за собой слайдер.
Смена направления движения слайдера задается программно, числом периодов подаваемого на обмотку статора напряжения.
Реализация заявляемого изобретения способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая увеличение тягового усилия с повышением выходного момента электродвигателя. Также удается достичь синусоидальности кривой магнитодвижущей силы (М.Д.С.), как это показано на (фиг.2), благодаря чему, обеспечивается максимальная плавность хода подвижной части электродвигателя (слайдера) и увеличивается его ресурса.
Заявляемое техническое решение предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления раскрыт в описании и показан посредством приведенных графических материалов. Описанный вариант реализации изобретения не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы, в рамках существенных признаков, раскрытых в формуле.