Бесконтактная электрическая машина

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в электроприводе в качестве электродвигателя или генератора постоянного или переменного тока, в частности для привода в стиральной машине.
m
Известна бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа (Патент РФ №2143777, Н02К 1/06, оп. 27.12.1999), содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами. Число зубцов статора Z кратно числу фаз m и число полюсов ротора 2р выбираются такими, чтобы разница между ними была ±1, где 1 - минимальное целое число, a m - фазная обмотка, каждая фаза которой состоит из 1-катушечных групп, намотана так, чтобы направление намотки на зубцах статора чередовались внутри каждой катушечной группы, и чтобы на зубцах одной фазы, сдвинутых на 180°/1, направление было бы согласным при нечетном 1 и встречным при четном 1, а сдвиг между фазами α определяется как:
при m=2⋅1;
при m=(2⋅1+1), где 1=1, 2, 3, …
Известна бесконтактная электрическая машина магнитоэлектрического типа (Патент РФ №2190292, Н02К 29/00, 1/16 оп. 27.09.2002), содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами.
Число зубцов статора Z, кратное числу фаз m и числу полюсов ротора 2р, выбирается как 2р=Z±1, при 1 - минимальное целое число. При этом его отношение между активной длиной L и его активным диаметром D и числом равномерно расположенных зубцов статора Z определяется как:
при Z=2p±1;
Z - число зубцов статора;
1 - минимальное целое число;
р - число пар полюсов.
a
a
Известна бесконтактная электрическая машина (Патент РФ №31070, Н02К 29/00 от 10.07.2003), содержащая статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами, причем число зубцов статора Z кратно числу фаз m. При этом соотношение между активной длиной ротора L и его активным диаметром D определяется как:
при ;
Z - число зубцов статора;
р - число пар полюсов ротора.
Наиболее близким аналогом является бесконтактная электрическая машина (Патент РФ №105543, Н02К 29/00 от 10.06.2011).
a
m
Бесконтактная электрическая машина содержит статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами, причем число зубцов статора Z кратно числу фаз m. Ротор выполнен с осевым намагничиванием, а соотношения между активной длиной статора L и ее максимально возможным диаметром D бесконтактной электрической машины определяется как:
a
m
L/D=0.5-0.01⋅Zi;
a
L - активная длина статора (мм);
m
m
D - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D=50 мм - 150 мм);
i
Z - число зубцов статора (Zi=2 - 36).
ω
max
min
м
max
min
Технической проблемой явилось отсутствие известности бесконтактной электрической машины, обеспечивающей необходимый диапазон изменения скорости D=(ω/ω>40 и момента двигателя D=M/M>20, при достижении высокого КПД во всем диапазоне как скоростей, так и момента.
m
a
Задачей полезной модели является создание бесконтактной электрической машины с рациональным соотношением между максимально возможным диаметром D и активной длиной L статора бесконтактной электрической машины при получении значений, приемлемых при заданных условиях и позволяющих встраивать бесконтактные электрические машины в определенный (заданный) объем узлов.
Технический результат состоит в обеспечении работы бесконтактной электрической машины в широком диапазоне скоростей от 112 об/мин до 7200 об/мин, с возможностью встраивания ее в заданный определенный объем, сохраняя КПД на уровне 80%.
m
a
Указанный технический результат достигается новой совокупностью существенных признаков, а именно: бесконтактная электрическая машина содержит статор с Z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m фазная обмотка и ротор с 2р чередующимися полюсами. Число зубцов Z статора кратно числу фаз m. Новым по сравнению с ближайшим аналогом является выполнение ротора внешним с радиальным намагничиванием, а соотношение между максимально возможным диаметром D и активной длиной L статора бесконтактной электрической машины определяется как:
m
a
D/L=6-0.03Zi;
a
L - активная длина статора (мм);
m
m
D - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D=36 мм - 200 мм);
i
Z - число зубцов статора (Zi=12 - 36).
Новые параметры, обеспечивающие заданные характеристики, были получены экспериментально, с использованием известной расчетной формулы [см. Сборник научных трудов ВНИИЭМ «Бесконтактные регулируемые электрические машины», Ленинград 1991 г., стр 119-132]:
, где
Σ
K1 - удельный момент (К1=Мд/Ga)
Σ
K2 - удельные потери (К2=ΔР/Мд).
опт
Коэффициент оптимизации K определен как соотношение:
при условии ;
где:
max
m
М - максимальный момент на валу бесконтактной электрической машине при заданном D;
Σ
m
ΔР - потери в бесконтактной электрической машине при заданном D;
Σ
Ga - суммарная активная масса бесконтактной электрической машины;
zi - число зубцов бесконтактной электрической машины;
qi - число зубцов статора, приходящихся на полюс ротора и фазу статора;
pi - число пар полюсов бесконтактной электрической машины;
m - число фаз статора (m=3).
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на фиг. 1 которого показаны основные конструктивные элементы статора бесконтактной электрической машины, на фиг. 2 - основные конструктивные элементы ротора бесконтактной электрической машины, а на фиг. 3 - поперечное сечение (А-А) бесконтактной электрической машины.
На фиг. 1 показаны следующие обозначения:
1. Статор.
2. Зубцы статора.
3. Обмотка статора.
a
D - активный диаметр статора электрической машины (мм);
На фиг. 2 показаны обозначения:
4. Ротор.
5. Магниты ротора.
6. Магнитопровод ротора.
m
m
D - максимально допустимый диаметр бесконтактной электрической машины (D=36 мм…200 мм);
На фиг. 3 показаны обозначения:
1. Статор.
3. Обмотка статора.
4. Ротор.
5. Магниты ротора.
6. Магнитопровод ротора.
a
L - активная длина статора электрической машины (примерно равная длине электрической машины) (мм).
Пример конкретного исполнения бесконтактной электрической машины приведен применительно к работе стиральных машин в режиме стирки и в режиме отжима.
п
ст
отж
Бесконтактная электрическая машина состоит из статора 1 и ротора 4. Статор имеет Z зубцов 2, на которых размещена m фазная обмотка 3, примыкающая через радиальный зазор к внутренней части ротора 4 с 2р магнитами, намагниченными радиально и магнитопровода 6 ротора 4. При этом кинематическая связь бесконтактной электрической машины и барабана стиральной машины осуществляется непосредственно клиноременной передачей с выбранным коэффициентом передачи K=4,5, что обеспечило необходимый КПД стиральной машины в обоих режимах (режим стирка, режим отжима) η, η≥80%.
m
a
опт
2
Для получения оптимальных соотношений максимально заданного допустимого диаметра бесконтактной электрической машины D=170 мм и активной длины статора L=32 мм, при числе зубцов статора zi=18 был получен K, примерно равный 0,8 Нм/Вт⋅кг.
опт
min
Учитывая условия qi и выбора критерия оптимизации K получили опытно-промышленный образец бесконтактной электрической машины, удовлетворяющий поставленной задаче: получение КПД≥0,8, веса<4 кг, максимального момента = 12 Нм при минимальной скорости (n)=112 об/мин, числа зубцов статора (zi)=18 и числа пар полюсов (pi)=10.
Изготовлены опытные образцы новой бесконтактной электрической машины, примененной для стиральной машины, при этом КПД увеличилось на 15÷18%, шумы не превышают 70 Дб, вибрация уменьшилась в 1,5 раза, а активный объем бесконтактной электрической машины уменьшился в 2,5 раза.