ИНДУКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
INDUCTION ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к синхронным реактивным электрическим двигателям и генераторам, применяемым в электромеханических трансмиссиях автомобилей, строительно-дорожных машин, тракторов, сельскохозяйственных машин, вездеходов и других гусеничных и колесных самоходных машин.
Известен вентильный реактивно-индукторный двигатель, содержащий зубчатый безобмоточный ротор и статор, зубцы (полюса) которого имеют прямоугольную форму, охвачены катушками обмотки статора и размещены с возможностью образования N-фазной магнитной системы [1], [2].
Этот двигатель имеет повышенные габаритные размеры, объем и массу, что обусловлено отсутствием системы жидкостного охлаждения и неоптимальной конфигурацией (прямоугольной формой) зубцов ротора и статора.
Известна также электрическая машина с жидкостным охлаждением статора, содержащая корпус с подшипниковыми щитами, магнитопровод статора с обмоткой в его пазах, ротор и размещенную в зазоре между ротором с статором гильзу, герметично закрепленную в подшипниковых щитах и образующую кольцевое пространство с торцевыми камерами у подшипниковых щитов и активной частью статора посередине. Это пространство заполнено охлаждающей жидкостью с ее прокачкой через это пространство и охлаждением во внешнем теплообменнике [3].
Применение жидкостного охлаждения позволяет уменьшить размеры (объем) и массу электрической машины, повысить ее удельную мощность. Однако это увеличение относительно невелико, поскольку размещение гильзы в зазоре между ротором и статором приводит к увеличению этого зазора и к соответствующему ухудшению магнитных характеристик электрической машины. Соответственно, для его компенсации необходимо увеличение габаритных размеров (объема) и массы электрической машины. К другим недостаткам этой конструкции относятся ее повышенная сложность и пониженная надежность, обусловленные применением тонкостенной цилиндрической оболочки.
Известна также электрическая машина с жидкостным охлаждением, содержащая корпус, ротор и статор, сердечник которого набран из изолированных листов электротехнической стали с обмотками в его пазах, а также охладители, выполненные в виде цилиндра со спиралевидными каналами и прилегающего ко всей внешней поверхности сердечника статора [4].
Эта электрическая машина также имеет повышенные объем (габаритные размеры) и массу, поскольку охладители, расположенные на внешней поверхности сердечника статора, приводят к увеличению диаметра этой машины.
Задачей, решаемой изобретением, является уменьшение объема и массы индукторной электрической машины без уменьшения ее мощности и крутящего момента.
Этот технический результат достигается за счет того, что в индукторной электрической машине, содержащей подшипниковые щиты, корпус с рубашкой, внутри которого размещены статор с полюсами и фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах, и безобмоточный ротор, на валу которого закреплен зубчатый магнитопровод, дополнительно реализовано по меньшей мере одно из следующих технических решений:
- пазы магнитопровода статора выполнены с плавным переходом между зубцами и спинкой этого магнитопровода, причем радиус этого перехода составляет не менее  ширины паза;
- пазы магнитопровода статора выполнены с параллельными стенками или с углами между этими стенками, не превышающими 5°;
- рубашка корпуса и/или вал ротора выполнена/выполнен с возможностью распространения в ней/нем магнитного потока;
- рубашка выполнена в виде сегментов, приваренных (прикрепленных) к магнитопроводу статора и скрепленных (сваренных) между собой;
- в магнитопроводе статора между рубашкой и спинкой этого магнитопровода или в выемках (впадинах) магнитопровода напротив его зубцов параллельно оси индукторной электрической машины размещены каналы жидкостного охлаждения;
- машина содержит не менее двух каналов жидкостного охлаждения, которые соединены между собой параллельно с возможностью прокачки охлаждающей жидкости через эти каналы и внешний теплообменник;
- на корпусе или по меньшей мере на одном подшипниковом щите установлен предохранительный клапан, приспособленный для защиты каналов и трубопроводов жидкостного охлаждения от их разрушения избыточным давлением;
- фазные обмотки соединены по схеме треугольника или многоугольника, а в каждую из фаз последовательно включены диоды, которые размещены на корпусе или по меньшей мере на одном подшипниковом щите.
Кроме того, с целью достижения указанного технического результата, в индукторной электрической машине, в частности, пазы магнитопровода статора у его спинки выполнены с радиусом, составляющим от  до  ширины этого паза, а рубашка корпуса и вал ротора выполнены из магнитомягкой стали. В частности, из стали, содержащей не более 0,25% углерода. Например, из сортовой электротехнической нелегированной стали, из стали марки Ст3 или Ст10 и т.п.
Если рубашка выполнена в виде сегментов, приваренных к магнитопроводу статора и сваренных между собой, то сварные швы расположены параллельно оси индукторной электрической машины.
Каналы для охлаждающей жидкости выполнены, в частности, в виде трубок плоскоовальной формы, впрессованных в магнитопровод статора и/или установленных в выемках магнитопровода статора с применением теплопроводного компаунда. Для улучшения характеристик индукторной электрической машины эти трубки могут быть выполнены из меди или медного сплава.
Каналы для охлаждающей жидкости соединены между собой последовательно и/или параллельно и заполнены этой жидкостью с ее прокачкой с помощью циркуляционного насоса через внешний теплообменник.
Благодаря реализации в индукторной электрической машине указанных альтернативных признаков независимого пункта формулы изобретения обеспечивается достижение одного и того же технического результата - снижение объема и массы этой машины без уменьшения ее мощности и крутящего момента.
В частности, выполнение пазов магнитопровода статора с плавным переходом между зубцами и спинкой этого магнитопровода, причем с повышенным радиусом (от  до  ширины паза), приводит, как это следует из приведенного рисунка, к сокращению средней длины магнитных силовых линий в спинке статора и, соответственно, к снижению магнитного сопротивления и потерь от гистерезиса и вихревых токов, возникающих в спинке статора при ее перемагничивании магнитным потоком. Поэтому реализация плавного перехода позволяет уменьшить ширину спинки статора и, соответственно, диаметр электрической машины без уменьшения ее максимальной выходной мощности и крутящего момента. Уменьшение этого диаметра, в свою очередь, обеспечивает снижение объема и массы индукторной электрической машины, т.е. к достижение указанного технического результата.
К такому же результату приводит выполнение пазов магнитопровода статора с параллельными стенками или с небольшими углами между этими стенками (не более 5°). Реализация этого технического решения приводит к существенному расширению основания зубцов магнитопровода статора, что также обеспечивает сокращение средней длины магнитных силовых линий в спинке статора и, соответственно, достижение того же самого технического результата. При этом, очевидно, выполнение пазов магнитопровода статора с параллельными стенками не исключает возможности выполнения пазов магнитопровода статора с плавным переходом между зубцами и спинкой, т.е. в электрической машине может быть реализовано любое из указанных технических решений или оба этих технических решения одновременно.
В известных электрических машинах каналы жидкостного охлаждения традиционно имеют спиралевидную форму и располагаются с наружной стороны статора. Это приводит к увеличению диаметра (объема) и массы машины. В отличие от этого, в предложенном изобретении каналы с охлаждающей жидкостью располагаются в магнитопроводе статора между рубашкой корпуса и спинкой этого магнитопровода или в выемках спинки статора напротив его зубцов, причем параллельно оси электрической машины. Из приложенного чертежа следует, что магнитная индукция в спинке статора имеет наименьшее значение именно в этих участках магнитопровода. Поэтому реализация этого отличительного признака заявленного изобретения позволяет обеспечить эффективное охлаждение электрической машины без снижения максимальных значений ее мощности и крутящего момента при одновременном уменьшении ее объема и массы за счет исключения необходимости расположения каналов для охлаждающей жидкости с наружной стороны статора.
Электрическая машина, реализованная согласно следующему отличительному альтернативному признаку заявленного изобретения, содержит не менее двух каналов жидкостного охлаждения, которые соединены между собой параллельно с возможностью прокачки охлаждающей жидкости через эти каналы и внешний теплообменник. Известно, что для обеспечения необходимого теплового режима работы электрической машины через каналы жидкостного охлаждения необходимо осуществлять прокачку определенного объема охлаждающей жидкости. Причем для того, чтобы избежать повышенных потерь напора, сечение канала для охлаждающей жидкости приходится выбирать достаточно большим, что приводит к увеличению размеров (объема) и массы электрической машины. Применение двух и более каналов жидкостного охлаждения, соединенных между собой параллельно, позволяет уменьшить сечение этих каналов при сохранении их общей длины, что обеспечивает уменьшение объема и массы машины, т.е. достижение необходимого технического результата.
Следующий альтернативный признак изобретения предусматривает установку на корпусе или на каком-либо подшипниковом щите предохранительного клапана, обеспечивающего защиту каналов и трубопроводов системы жидкостного охлаждения от их разрушения избыточным давлением. Установка этого клапана позволяет существенно уменьшить требования к прочности этих каналов и трубопроводов, в том числе уменьшить толщины их стенок. Это также приводит к уменьшению объема и массы электрической машины без ухудшения ее характеристик. При этом сам предохранительный клапан имеет, по сравнению с объемом и массой системы охлаждения, незначительный объем, может быть встроен в корпус или в подшипниковый щит, и, по этой причине, не оказывает существенного влияния на массогабаритные характеристики электрической машины.
К существенному снижению объема и массы индукторной электрической машины, т.е. к достижению того же технического результата, приводит реализация следующего альтернативного технического решения (признака) - выполнение рубашки корпуса и/или вала ротора с возможностью распространения в ней/нем магнитного потока. В этом случае рубашка корпуса и вал ротора частично выполняют функции спинки статора и спинки ротора. Это позволяет существенно сократить ширину этих спинок и, соответственно, существенно снизить объем и массу электрической машины без снижения ее момента и выходной мощности. Для реализации такой возможности рубашку и/или вал ротора необходимо выполнить из магнитомягкой стали, содержащей не более 0,25% углерода - из сортовой электротехнической нелегированной стали, стали марок Ст3, Ст10 и т.п.
Снижение объема и массы индукторной электрической машины может быть достигнуто путем уменьшения ширины спинки магнитопровода статора. Однако это уменьшение противоречит требованию обеспечения его механической прочности и устойчивости к воздействию тангенциальных и радиальных сил взаимодействия зубцов статора и ротора. Для устранения этого противоречия в следующем альтернативном признаке (техническом решении) рубашка жестко прикрепляется (приваривается) к спинке магнитопровода статора. С этой целью она выполнена в виде сегментов, приваренных (прикрепленных) к магнитопроводу статора и скрепленных (сваренных) между собой.
Индукторные электрические машины традиционно имеют по два вывода на каждую фазу для присоединения к силовому преобразователю, реализованному на основе несимметричных полумостовых транзисторно-диодных сборках. По этой причине, например, 3-фазная индукторная электрическая машина традиционно имеет шесть силовых выводов вместо, для сравнения, 3-х выводов у асинхронной электрической машины. Удвоенное количество выводов приводит к увеличению габаритных размеров (объема) и массы электрической машины (увеличенная клеммная колодка, удвоенное количество силовых проводов и соединений и т.д.). В то же время известны индукторные электрические машины (US 5703457 А, Н02Р 7/00, 30.12.1997 и т.д.), в которых фазные обмотки могут быть соединены по схеме треугольника с включением дополнительных диодов последовательно с этими обмотками, что позволяет
реализовать систему «электрическая машина - диоды» с числом силовых выводов, равном числу фаз.
В соответствии с этим, в последнем альтернативном техническом решении независимого пункта формулы данного изобретения, в отличие от ранее известных, указанные диоды размещены не за пределами индукторной электрической машины, а непосредственно на ее корпусе или на подшипниковом щите. Эти диоды, в частности, могут быть впрессованы в корпус или в подшипниковый щит. Соответственно, объем и масса самих диодов не оказывают существенного влияния на объем и массу электрической машины. В то же время сокращение силовых выводов и силовых соединений (клеммной колодки, силовых электрических разъемов и т.д.) приводит с существенному снижению объема и массы индукторной электрической машины, т.е. к достижению того же технического результата, что и реализация всех предыдущих технических решений.
На чертеже приведен пример реализации предложенной индукторной электрической машины. Показана 3-фазная машина, имеющая 18 полюсов статора и 12 полюсов ротора.
Такие электрические машины (электродвигатели) без обмотки возбуждения в русскоязычной литературе называются также вентильными индукторными реактивными двигателями (ВРД, ВИД, ВИРД), а в англоязычной литературе - электродвигателями с переменным магнитным сопротивлением: Switched Reluctance Motor (SRM).
Предложенная индукторная электрическая машина содержит подшипниковые щиты (условно не показаны) и корпус, составной частью которого является рубашка 1, причем внутри корпуса размещены статор, магнитопровод которого имеет зубцы 2 и спинку (ярмо) 3. На зубцах 2 в пазах 4 размещены фазные обмотки, выполненные в виде сосредоточенных катушек 5. Катушки одной фазы (в данном примере - шесть катушек) могут быть соединены между собой последовательно или параллельно.
Фазные обмотки, в частности, соединены по схеме треугольника или многоугольника, а в каждую из фаз последовательно включены диоды, которые размещены на корпусе или по меньшей мере на одном подшипниковом щите. Эти диоды, в частности, впрессованы в корпус или в подшипниковый щит.
Рубашка 1 выполнена в виде отдельных частей (сегментов, полуцилиндров и т.п.) скрепленных с магнитопроводом статора и между собой, в частности, с помощью сварки. Причем расположение сварных швов выбрано из условия достижения необходимой прочности электрической машины. Предпочтительно - параллельно оси индукторной электрической машины.
Между рубашкой 1 корпуса и спинкой 3 магнитопровода статора или в выемках спинки 3 этого магнитопровода напротив его зубцов 2 параллельно оси электрической машины между рубашкой корпуса и спинкой магнитопровода статора или в выемках спинки этого магнитопровода напротив его зубцов размещены каналы жидкостного охлаждения 6, которые выполнены, в частности, в виде плоскоовальных трубок из меди или медного сплава, впрессованных в магнитопровод статора и/или установленных с применением теплопроводного компаунда.
Индукторная электрическая машина содержит, в частности, не менее двух каналов жидкостного охлаждения, которые соединены между собой параллельно с возможностью прокачки охлаждающей жидкости через эти каналы и внешний теплообменник.
На корпусе или по меньшей мере на одном подшипниковом щите установлен предохранительный клапан, приспособленный для защиты каналов и соединительных трубопроводов жидкостного охлаждения от их разрушения избыточным давлением.
Безобмоточный ротор содержит магнитопровод с зубцами 7 и спинкой 8, закрепленный на валу 9, который, предпочтительно, выполнен пустотелым.
Магнитопроводы статора и ротора набраны из изолированных листов электротехнической стали.
Рубашка корпуса и/или вал ротора могут быть выполнены из магнитомягкой (мягкой) стали и обеспечивающей возможность распространения в ней/нем магнитного потока. В частности, из сортовой электротехнической нелегированной стали по ГОСТ 11036-75, из стали марки Ст3, Ст10 и т.п., содержащей не более 0,25% углерода.
Рубашка корпуса выполнена из отдельных частей, скрепленных с магнитопроводом
статора и между собой. Соединения отдельных частей рубашки корпуса с магнитопроводом статора и между собой осуществлены с помощью сварки, причем сварные швы расположены параллельно оси индукторной электрической машины.
Зубцы статора 2 выполнены с плавным переходом между этими зубцами и спинкой магнитопровода статора, причем радиус этого перехода составляет не менее  (от  до ) ширины паза. Пазы магнитопровода статора 4 выполнены с параллельными стенками или с небольшим углом, не превышающим 5°. Это приводит к сокращению длины магнитных силовых линий 10 и к соответствующему снижению потерь от гистерезиса и вихревых токов в этих участках магнитной цепи их перемагничивании магнитным потоком. Это дает возможность уменьшить ширину спинок статора 3 и ротора 8, что приводит к уменьшению габаритных размеров (объема) и массы электрической машины без ухудшения ее характеристик.
При работе индукторной электрической машины электронный преобразователь, который может именоваться также силовым коммутатором, инвертором и т.п., поочередно подключает фазные обмотки (катушки 4) к источнику постоянного напряжения (к силовой шине). Ток, протекающий по обмоткам, создает в магнитопроводах статора и ротора магнитный поток. Его силовые линии 10 показаны на чертеже. В результате взаимного притяжения зубцов статора 2 и ротора 7 возникает крутящий момент, приводящий во вращение вал 9 индукторной электрической машины.
В индукторной электрической машине величина индукции и частота перемагничивания магнитопроводов статора и ротора зависят от частоты вращения вала 9. На низких скоростях вращения частота перемагничивания низкая, а амплитуда магнитного потока максимальна. Повышение частоты вращения ротора, очевидно, приводит к повышению частоты перемагничивания. При этом индуктивность катушек 5 препятствует нарастанию тока в обмотках фаз, что приводит к снижению максимальной величины индукции в магнитной системе двигателя.
В предложенном изобретении это обстоятельство используется для снижения размеров (объема) и массы электрической машины. С этой целью рубашка 1 и, в обоснованных случаях, вал ротора 9, выполнены из нешихтованной магнитомягкой стали. В этом случае на низких скоростях вращения вала магнитный поток распространяется не только по спинкам статора и ротора, но и по рубашке корпуса (показано на чертеже) и по валу 9. При этом, ввиду низкой частоты перемагничивания, выполнение рубашки и вала из нешихтованной стали (с целью обеспечения их прочности) не приводит к существенному ухудшению их магнитных свойств.
На высоких скоростях вращения вала ротора максимальная индукция в спинках статора и ротора снижается. Поэтому на этих скоростях магнитный поток практически не проникает в глубину металла рубашки корпуса и вала и, соответственно, их выполнение из нешихтованной стали также не имеет принципиального значения.
Прочие особенности работы предложенной индукторной электрической машины не требуют пояснений, поскольку они понятны из чертежа, из описания влияния отличительных признаков изобретения на достигаемый технических результат и из патентной и научно-технической литературы.
Для специалистов в данной области техники также понятно, что кроме описанных вариантов индукторной электрической машины возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.