ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROMECHANICAL CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в качестве низкооборотных высокомоментных двигателей и низкооборотных генераторов.
Известна электрическая машина переменного тока (Патент RU 2167482 С1, авторы Иванов-Смоленский А.В., Глазков В.П. МПК 7 H02K 3/12, H02K 3/04), содержащая катушки обмотки якоря, имеющие шаг, равный зубцовому делению, отличающаяся тем, что число пар полюсов p связано с числом пазов Z соотношением 1<Z/p<4, а число пазов на полюс и фазу меньше единицы. Недостатком аналога является недостаточно четкая проработка формулы изобретения. Так при Z/р=2, (т.е. Z=2·р) невозможно создание машины с числом фаз более одной, магнитное поле - пульсирующее, а приемлемых характеристик удается добиться лишь при вращающемся поле. Кроме того, наблюдается «залипание» - устойчивое положение, когда зубцы якоря встают напротив полюсов индуктора. Вывести машину из этого состояния крайне трудно. Кроме того, судя по чертежам, в аналоге речь идет о машине с возбуждением от постоянных магнитов, применимом лишь для машин малой и средней мощности.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является Электромеханический преобразователь (Патент RU 2302692 С1, авторы Авдонин А.Ф., Дашко О.Г., Захаренко А.Б. и др. МПК Н02К 19/10), содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов-магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная, отличающийся тем, что число полюсов 2·р, число пар лотосов p, число сердечников статора Z и число катушечных групп в фазе d связаны соотношениями:
где: l=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5… - целое положительное число или число, отличающееся от него на 0.5, при этом, если l - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при l - отличном от целого числа на 0.5 и d равно четному числу (2, 4, 6 …), обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно и
и при этом
Недостатком прототипа является то, что вышеприведенные формулы связи охватывают не всю гамму оптимальных исполнений магнитоэлектрических машин с дробным числом пазов на полюс и фазу q<1, где q=Z/2·p·m, m - число фаз.
Целью настоящего изобретения является расширение границ применимости запатентованного ранее технического решения.
Обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу q<1, расположенные на статоре, имеют обширный гармонический состав МДС. Однако две гармоники МДС имеют наибольшую амплитуду и вращаются в противоположных направлениях с различными, хотя и близкими друг к другу числами пар полюсов. МДС такой обмотки можно записать следующим образом:
1m
2m
1
1
2
1
1
2
1
2
1
1
2
где F, F - амплитуды гармоник с наибольшей амплитудой, ω - угловая частота, t - время, p, p - числа пар полюсов упомянутых гармоник. Если сделать ротор, имеющий число пар полюсов p, равное числу пар полюсов p, то гармоника с числом пар полюсов p станет основной, а гармоника с числом пар полюсов p - наибольшей из создающих потери мощности. Если сделать ротор, имеющий число пар полюсов p, равное числу пар полюсов p, то гармоника с числом пар полюсов p станет основной, а гармоника с числом пар полюсов p - наибольшей из создающих потери мощности. В перечисленных случаях удается добиться максимального момента и наивысшего КПД и наилучшего отношения максимальная полезная мощность/масса. Если сделать ротор, имеющий число пар полюсов p, равное числу пар полюсов какой-либо иной гармоники МДС, то обе гармоники с числом пар полюсов p и p станут создавать потери мощности. В этом случае не удается добиться удовлетворительных энергетических и массогабаритных показателей.
Полученный электромеханический преобразователь может иметь один или несколько периодически повторяющихся участков магнитной системы, т.е. полученные соотношения Z и p могут быть увеличены в целое число раз.
Исходя из вышеизложенного, лучшим вариантом является выбор числа зубцов якоря и пар полюсов индуктора электромеханического преобразователя, исходя из следующих соотношений.
Для двухфазной обмотки (m=2)
для Z=4m·k p=3k, 5k; для Z=6m·k p=5k, 7k; для Z=8m·k p=7k, 9k;
для Z=10m·k p=9k, 11k; для Z=12m·k p=11k, 13k; для Z=14m·k p=13k, 15k;
для Z=16m·k p=15k, 17k; для Z=18m·k p=17k, 19k; для Z=20m·k p=19k, 11k;
для Z=22m·k p=21k, 23k; для Z=24m·k p=23k, 25k.
Таким образом, для Z=y·m·k
где y≥4, четное число, k - целое положительное число.
Для трехфазной обмотки (m=3):
для Z=m·k p=k, 2k; для Z=3m·k p=4k, 5k; для Z=4m·k p=5k, 7k;
для Z=5m·k p=7k, 8k; для Z=7m·k p=10k, 11k; для Z=8m·k p=11k, 13k;
для Z=9m·k p=13k, 14k; для Z=11m·k p=16k, 17k.
Таким образом,
при этом y, k - целые положительные числа.
Число k - число периодически повторяющихся участков магнитной системы. При k=1 магнитное поле в зазоре электромеханического преобразователя напоминает магнитное поле машины с катящимся ротором, наблюдается одностороннее магнитное притяжение. Предпочтительно выбирать k>1.
Число катушек b в катушечной группе определяется соотношением:
При расчете по формуле (7) b≥1. Для определенности даже при b=1 будем считать, что обмотка имеет катушечные группы.
Настоящее изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1. Эскиз поперечного сечения активной части электромеханического преобразователя с m=3, Z=15, p=7, k=1.
Фиг.2. Эскиз поперечного сечения активной части электромеханического преобразователя с m=3, Z=15, p=8, k=1.
Рассмотрим фиг.1 и 2. На сердечниках 1 якоря размещена обмотка 2, где буквами А, В, С обозначены начала соответствующих фаз. Катушки обмотки 2 статора наматываются из обмоточного провода, например медного эмаль-провода, на электроизолирующие каркасы, либо на зубцовую изоляцию на каждый сердечник 1 статора. Катушки соединяются в катушечную группу. Для снижения электрических («омических») потерь катушечная группа, либо фаза в целом, может наматываться непрерывным проводом. Следует отметить, что число катушечных групп в фазе d равно k=1, 2, 3, 4 … - целое положительное число, между собой они могут соединяться не только последовательно, но и параллельно (при d>1), а также образовывать параллельные ветви по нескольку последовательно соединенных катушечных групп в случае, если k=4, 6, 8, 10 … - четное число больше двух.
На коаксиально расположенных, скрепленных между собой с торца наружном и внутреннем ярмах 3 индуктора, выполненных в форме цилиндра, расположены постоянные магниты 4 чередующейся полярности.
Устройство работает следующим образом. Магнитный поток каждого постоянного магнита 4 проходит через воздушный зазор, ближайший зубец 1 статора, ярмо 3 индуктора, следующий зубец 1 статора, воздушный зазор, следующий постоянный магнит 4 и замыкается по ярму 3 индуктора. Пусть, для определенности якорь - неподвижен и является статором, а индуктор - вращается и является ротором. В двигательном режиме на зажимы каждой фазы обмотки 2 статора синхронной машины подается переменное напряжение, по обмотке протекает ток, вызывая вращающуюся МДС статора, две гармоники этой МДС имеют максимальную амплитуду. Ротор выполнен с числом полюсов, равным числу полюсов одной из этих гармоник. При протекании электрического тока в обмотке 2 статора происходит силовое взаимодействие магнитного потока обмотки 2 с магнитным потоком постоянных магнитов 4. Перемещаясь, волна МДС статора вращает ротор, магнитный поток магнитов 4 перемещается от одного зубца к следующему, при этом наводит электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке 2, находящейся в пазах между сердечниками статора. Величина ЭДС обусловлена величиной магнитного потока полюсов и частотой вращения ротора. При вращении ротора электромеханический преобразователь будет отдавать механическую мощность в нагрузку. В режиме генератора ротор электромеханического преобразователя приводится во вращение сторонним источником механической энергии, например ветродвигателем, при этом вращающий момент прикладывают к ротору, например, с помощью шкива с ременной передачей. Поле постоянных магнитов 2, перемещаясь вместе с ротором, пересекает обмотку 2 статора, в которой наводится ЭДС. Если цепь нагрузки замкнута, по обмотке 2 протекает ток. Получаемая при этом электрическая энергия передается в нагрузку.
Как и в прототипе, питание обмотки 2 статора от инвертора постоянного тока для эффективной работы машины в двигательном режиме вводится обратная связь по положению ротора. Например, в трехфазной обмотке при помощи датчика в каждый момент времени должны быть включены те две фазы, ось центрального зубца катушечных групп которых ближе к оси ближайшего по ходу поворота межмагнитного промежутка, полярность включания катушечной группы такова, чтобы сердечники 1 притягивались к следующему по ходу поворота магниту 4, именно на сердечники этих двух фаз действует наибольшая электромагнитная сила.
При использовании датчика Холла в качестве чувствительного элемента датчика положения ротора он может быть размещен между статором и ротором на стороне статора, обращенной к постоянным магнитам ротора, непосредственно в основном рабочем воздушном зазоре между коронками зубцов. Дополнительную магнитную систему для датчика положения ротора создавать не надо. Это дает возможность:
- упростить конструкцию за счет отказа от дополнительной магнитной системы;
- снизить требования к чувствительности применяемых датчиков Холла, так как используется магнитное поле силовых постоянных магнитов;
- более точно обеспечить моменты переключения фаз, так как именно в рабочем зазоре проходит истинный фронт полей постоянных магнитов;
- обеспечивать более высокую стабильность работы датчиков;
- упростить контрольные операции при производстве и диагностике.
Такое размещение датчиков возможно благодаря тому, что магнитное поле обмотки 2 сконцентрировано в зубцах, каждый из которых охватывается отдельной катушкой обмотки 2. В результате поле обмотки 2 меньше, чем при традиционной конструкции зубцовой зоны, и концентрируется в шлицевых областях пазов. Оно перпендикулярно оси паза и направлено от одного зубца к соседнему по направлению минимальной чувствительности датчика Холла. Таким образом, датчик практически не реагирует на поле обмотки 2, что обеспечивает гарантированные условия надежной работы и плавного вращения.
Трехфазная обмотка якоря (m=3) может быть соединена в звезду, как на фиг.1, 2, а также в треугольник.