МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СО ВСТРОЕННЫМ МАГНИТНЫМ РЕДУКТОРОМ (ВАРИАНТЫ)
MAGNETOELECTRIC VALVE MOTOR WITH BUILT-IN MAGNETIC REDUCTION GEAR (VERSIONS)

Изобретение относится к электротехнике, в частности к совмещенным электрическим машинам, обладающим свойствами магнитоэлектрических вентильных двигателей и магнитных редукторов.
Известен вентильный электродвигатель со встроенным механическим многоступенчатым редуктором с планетарной или фрикционной передачей [1]. В этом двигателе с помощью блока электроники и датчиков положения, размещенных на валах каждой ступени передачи и на валу ротора электродвигателя, частота вращения привода контролируется с высокой степенью точности. Такое устройство совмещенной электрической машины недостаточно надежно из-за наличия трущихся элементов механических передач.
3
3
Механические передачи шумят, подвержены износу, перегреву, повреждениям при перегрузке, а также требуют периодической смазки. Эти недостатки, присущие механическим редукторам, отсутствуют у магнитных редукторов. Прогресс в области технологии магнитной передачи привел к развитию нового класса электрических машин: магнитно-редукторных машин. Эти машины вмещают магнитный механизм, интегрированный в машину с постоянными магнитами в том же объеме. Возможность такой интеграции продиктована тем, что плотность электромагнитного момента у магнитного редуктора примерно в 10 раз выше, чем у вентильного двигателя с постоянными магнитами. У магнитного редуктора она может достигать значений более 100 кНм/м [2], а у магнитоэлектрического вентильного двигателя составляет 10 кНм/м [3, 4].
Традиционная конструкция магнитного редуктора при наличии на статоре постоянных многополюсных магнитов, а также трехфазной малополюсной обмотки с числом пар полюсов таким же, как и у постоянных магнитов внутреннего (быстроходного) ротора, приобретает свойства регулируемого вентильного двигателя, имеющего встроенный магнитный редуктор [5, 6]. В такой совмещенной электрической машине (будем считать ее прототипом) ротор вентильного двигателя будет одновременно и ротором магнитного редуктора. На статоре располагается как малополюсная обмотка переменного тока вентильного двигателя, так и постоянные магниты редуктора. Одним из недостатков этой конструкции является наличие двух роторов, при этом выходной вал быстроходного ротора может отсутствовать. Другим недостатком такой совмещенной электрической машины является большое магнитное сопротивление магнитному потоку, созданному обмоткой статора: для замыкания по ярму внутреннего ротора магнитному потоку приходится преодолевать помимо двух воздушных зазоров еще и два немагнитных участка в виде постоянных магнитов на статоре и на внутреннем роторе.
Техническим результатом заявляемого изобретения является сокращение использования постоянных магнитов и уменьшение механической сложности магнитоэлектрического вентильного двигателя со встроенным магнитным редуктором.
1
2
1
Этот технический результат достигается тем, что в магнитоэлектрическом вентильном двигателе со встроенным магнитным редуктором, содержащим малополюсную трехфазную обмотку статора с числом пар полюсов р, модулятор с числом ферромагнитных шихтованных стержней z, внутренний шихтованный сердечник, на поверхности которого расположены многополюсные постоянные магниты с числом пар полюсов р=z-р, статор, на котором расположена обмотка, выполнен из магнитомягкого материала и не содержит постоянные магниты. При этом по первому варианту внутренний шихтованный сердечник жестко закреплен неподвижно и имеется один выходной вал, который соединен с вращающимся модулятором. По второму варианту модулятор жестко закреплен неподвижно и имеется один выходной вал, который соединен с вращающимся внутренним шихтованным сердечником.
Для магнитного редуктора с трехфазной обмоткой на статоре справедлива формула:
1
2
где Ω, Ω - скорости вращения в рад/с соответственно модулятора и внутреннего сердечника; ω - угловая частота вращения поля обмотки статора.
При этом ротором может являться как модулятор, выполненный из ферромагнитных стержней, так и внутренний шихтованный сердечник, на поверхности которого расположены многополюсные постоянные магниты.
Вращение ротора происходит в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля обмотки статора с магнитным полем постоянных магнитов, расположенных на внутреннем шихтованном сердечнике, посредством ферромагнитных магнитомягких полюсов, изменяющих (модулирующих) гармоники магнитных полей статора и внутреннего шихтованного сердечника с постоянными магнитами. В предлагаемом магнитоэлектрическом вентильном двигателе со встроенным магнитным редуктором питание обмотки статора осуществляется от статического преобразователя частоты (ПЧ), режим работы ключей ПЧ синхронизирован с угловым положением ротора с помощью датчика положения ротора (ДПР). Благодаря ДПР основная гармоника тока статора будет всегда в противофазе с ЭДС холостого хода обмотки статора, что является одной из основных особенностей работы вентильного двигателя.
При взаимодействии магнитных полей, созданных внутренним шихтованным сердечником с постоянными магнитами на поверхности и вращающимся магнитным полем, созданным трехфазной обмоткой статора, ротор начинает вращаться, тем самым электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Два воздушных зазора, то есть между статором, на котором расположена обмотка, и модулятором, модулятором и внутренним шихтованным сердечником с постоянными магнитами на поверхности являются дополнительными сопротивлениями в данной магнитной системе.
1
2
Магнитный поток с числом пар полюсов р наружного воздушного зазора, проходя через модулятор во внутренний зазор, будет иметь в нем число пар полюсов р. Применение модулятора магнитного поля обеспечивает снижение скорости вращения вала ротора относительно скорости магнитного поля. За счет магнитной редукции в магнитоэлектрическом вентильном двигателе со встроенным магнитным редуктором обеспечивается уменьшение угловой скорости вращения выходного вала аналогично применению механической передачи.
Возможны два варианта конструкции рассматриваемого магнитоэлектрического двигателя со встроенным магнитным редуктором:
Вариант 1.
2
Внутренний шихтованный сердечник с многополюсными постоянными магнитами жестко закреплен неподвижно (Ω=0), выходной вал сочленен с вращающимся модулятором, скорость вращения которого, в соответствии с формулой (1), будет равна:
Вариант 2.
1
Модулятор жестко закреплен неподвижно (Ω=0), выходной вал сочленен с вращающимся внутренним шихтованным сердечником с многополюсными постоянными магнитами, скорость вращения которого, в соответствии с формулой (1), будет равна:
2
2
В виду принципиально малого различия чисел z и р (z≈p) скорости роторов в формулах (2) и (3) будут близки друг к другу, отличаясь знаками.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На чертеже изображен поперечный разрез магнитоэлектрического вентильного двигателя со встроенным магнитным редуктором. Двигатель содержит многополюсные постоянные магниты 1 на поверхности неподвижного (вариант 1) внутреннего шихтованного сердечника 2, модулятор 3, сердечник статора 4 с трехфазной малополюсной обмоткой 5.
2
2
1
1
Заявляемое изобретение функционально подобно магнитному редуктору на постоянных магнитах [7]: неподвижные многополюсные постоянные магниты 1 с числом пар полюсов р на внутреннем шихтованном сердечнике подобны неподвижным постоянным магнитам на статоре магнитного редуктора, имеющим также число пар полюсов р; вращающееся магнитное поле статора 4 с числом пар полюсов р подобно постоянным магнитам вращающегося внутреннего ротора магнитного редуктора с таким же числом пар полюсов р.
В основе работы магнитоэлектрического вентильного двигателя со встроенным магнитным редуктором лежит свойство магнитного редуктора с двумя воздушными зазорами, разделенными ферромагнитным ротором со сквозными пазами (модулятором), создавать в каждом воздушном зазоре силовое взаимодействие только определенных гармоник (одного порядка) магнитного поля. У конкретного воздушного зазора имеется только одна своя рабочая гармоника, причем рабочая гармоника другого зазора пропускается данным зазором «транзитом» без силового функционального отклика.
1
1
2
2
Магнитное поле малополюсной обмотки 5 статора, имеющее число пар полюсов р, после прохождения модулятора 3 с числом стержней z приобретает число пар полюсов z-р=р и будет взаимодействовать с многополюсными постоянными магнитами 1 на внутреннем шихтованном сердечнике, имеющими такое число пар полюсов р. При этом особенностью заявляемого изобретения является то, что магнитному потоку обмотки статора нужно преодолеть два воздушных зазора и только один немагнитный участок в виде постоянного магнита на внутреннем сердечнике.
Источники информации:
1. Пат. 2027283 РФ, МПК Н02K 7/116. Электродвигатель со встроенным редуктором / Хейкки Тапани Койвикко. - 4742437/07; заявлено 10.11.1989; опубл. 20.01.1995.
2. Rens, J.A novel high-performance magnetic gear / J. Rens, K. Atallah, D. Howe, S. Calverley // IEEE Transactions on Magnetics. - 2001. - T. 37, №4. - C. 2844.
3. Torque Density of PM motors Developed under Government Programs [Электронный ресурс]: отчет о НИР: Report 06-08 / Precision Magnetics Inc.; Dantam K.R. - 2008. - 7 c. - Режим доступа: https://ru.scribd.com/document/87569175/Torque-Density-of-PM-Motors.
4. A new PM Machine topology for low-speed, high-torque drives / K. Atallah [и др.] // Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines. - 2008. - 4 c.
5. K. Atallah, J. Rens, S. Mezani, and D. Howe, "A Novel "Pseudo" Direct-Drive Brushless Permanent Magnet Machine," Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 44, pp. 4349-4352, 2008.
6. P.O. Rasmussen, T.V. Frandsen, K.K. Jensen, and K. Jessen, "Experimental Evaluation of a Motor-Integrated Permanent-Magnet Gear," Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 49, pp. 850-859, 2013.
7. Пат. 5633555 США, МПК Н02К 7/10. Magnetic drive arrangement comprising a plurality of magnetically cooperating parts which are movable relative to one another / Бернд Акерманн, Лео Хондс. - 391733; заявлено 21.02.1995; опубл. 27.05.1997.
8. Дергачёв П.А., Кирюхин В.П., Кулаев Ю.В., Курбатов П.А., Молоканов О.Н. Анализ двухступенчатого магнитного мультипликатора // Электротехника. 2012. №5. С. 39-46.
9. Афанасьев А.А. Расчет мультипликатора // Электричество. 2013. №10. С. 42-48.
10. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. М.: Высш. шк., 1988, 479 с.
11. Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: В 2 кн. Кн. 1: Вентильные электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 509 с.