МНОГОФАЗНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
MULTIPHASE AC ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к многофазным электрическим машинам переменного тока, и может быть использовано в бытовой технике, где требуется применение компактных электрических машин с высокими энергетическими показателями, а также в качестве замены серийным синхронным и асинхронным машинам в механизмах со стандартизированной линейкой скоростей вращения.
Известны многофазные электрические машины переменного тока синхронного и асинхронного типа, содержащие ротор и статор, с размещенной на нем распределенной обмоткой, скорость вращения создаваемого бегущего поля которых определяется как:
Ω=2·π·f/p,
где f - частота питающей сети, p - число пар полюсов поля статора [Электрические машины: учебник для вузов / Иванов-Смоленский - Москва: Изд-во Энергия, 1980, стр. 365-374, 491-508].
Недостатком данных электрических машин является то, что вылет лобовых частей обмотки статора занимает в среднем 1/3-1/2 от длины сердечника магнитопровода статора, что ухудшает массогабаритные показатели электрической машины, а разработка данных классов машин на низкие скорости вращения приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления.
c
rp
rp
rp
rp
rp
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является многофазная машина переменного тока (синхронный электродвигатель) [Патент на изобретение RU №2047936 C1 от 10.11.95], являющаяся прототипом изобретения и содержащая зубчатый статор с m-фазной сосредоточенной обмоткой, каждая катушка которой охватывает один зубец статора, и ротор с чередующимися по полярности полюсами 2p, у которого число полюсов ротора 2р и число зубцов статора Z связаны соотношением 2·p=θ·(m·Z+1), где θ=1, 2, 3 … - число повторяющихся частей многофазной электрической машины, в каждой из которых содержится m катушечных групп, a Z=1, 2, 3 … - число катушек в катушечной группе, состоящей из последовательно-встречно соединенных катушек. А также при m=3 и Z четном катушечные группы каждой фазы соединены между собой встречно, а при Z нечетном - согласно, при m=2 и Z, равном любому целому числу, катушечные группы фазы соединены между собой встречно.
Недостатками этой электрической машины синхронного типа являются низкие значения удельного момента и кпд из-за слабой магнитной связи между катушечными группами.
Задачей изобретения является повышение удельного момента и кпд.
Поставленная задача достигается за счет того, что в многофазной электрической машине переменного тока, содержащей ротор и зубчатый статор с m-фазной обмоткой, у которой каждая катушка охватывает один зубец, а диаметрально противоположные катушки одной фазы модуля соединены согласно, модуль электрической машины состоит из двух частей, каждая из которых содержит обмотку, соединенную в «звезду», при этом обе «звезды» одного модуля соединены в электрическом плане встречно, а число зубцов статора и количество модулей связаны соотношением:
c
Z=2·m·M,
s
где Z - число зубцов статора,
m - количество фаз,
М=р=1, 2, 3 … до технологически возможного значения - количество модулей, равное числу пар полюсов, при этом скорость вращения магнитного поля электрической машины определяется как
Ω=2·π·f/M,
где f - частота питающей сети,
M - количество модулей.
На фиг. 1 представлена многофазная электрическая машина переменного тока на примере электрических машин переменного тока различных типов, а именно: a) - синхронная электрическая машина с явнополюсной конструкцией ротора с постоянными магнитами (m=3, M=1, n=3000 об/мин); b) - асинхронная электрическая машина с короткозамкнутым ротором (m=3, M=2, n=1500 об/мин); c) - синхронная электрическая машина с явнополюсным ротором с обмоткой возбуждения (m=3, M=4, n=750 об/мин). На фиг. 2 приведена схема электрическая соединения обмоток статора для модуля 3-фазной машины. На фиг. 3 изображена картина распределения токов и м.д.с. трехфазной обмотки статора.
Многофазная электрическая машина переменного тока (фиг. 1a), содержит 3-фазную обмотку (m=3), состоящую из катушек 1 в количестве 6 шт. (M=1), каждая из которых размещена на одном из зубцов магнитопровода 2 статора. Диаметрально противоположенные пары катушек модуля запитаны от одной из фаз и включены согласно друг другу. Магнитопровод 2 статора содержит полузакрытые пазы. Ротор 3 выполнен безобмоточным составным с чередующимися по полярности постоянными магнитами 4, расположенными радиально на наконечниках полюсов (на роторе 1 пара полюсов и совпадает с количеством полюсов поля статора).
Многофазная электрическая машина переменного тока (фиг. 1b), содержит статор с 3-фазной обмоткой (m=3), состоящей из катушек 1 в количестве 12 шт. (M=2), каждая из которых размещена на одном из зубцов магнитопровода 2 статора. Каждая фаза охватывает 4 катушки, сдвинутые на 90 пространственных градусов друг относительно друга (сдвиг между фазами 30 пространственных градусов для приведенной конструкции). Диаметрально противоположенные пары катушек модуля включены согласно друг другу. Магнитопровод 2 статора содержит полузакрытые пазы. Ротор 3 выполнен короткозамкнутым с беличьей клеткой.
Многофазная электрическая машина (фиг. 1c) содержит статор с 3-фазной обмоткой (m=3), состоящей из катушек 1 в количестве 24 шт. (M=4), каждая из которых размещена на одном из зубцов магнитопровода 2 статора. Каждая фаза охватывает 6 катушек, сдвинутых на 90 пространственных градусов друг относительно друга (сдвиг между фазами 15 пространственных градусов для приведенной конструкции). Диаметрально противоположенные пары катушек модуля запитаны от одной из фаз и включены согласно друг другу. Магнитопровод 2 статора содержит полузакрытые пазы. Ротор 3 выполнен явнополюсным с размещенной на нем обмоткой возбуждения.
Предложенная многофазная электрическая машина переменного тока, представляющая собой, например, синхронную электрическую машину, приведенную на фиг. 1a, работает следующим образом:
При подключении обмотки 1, размещенной на зубцах магнитопровода статора 2, к 3-фазной питающей сети переменного тока с частотой f, как показано на фиг.2, по катушкам начинает протекать система токов. Токи в катушках статора меняются с течением времени и создают вращающееся бегущее поле. Характер кривой м.д.с. и распределения токов в момент времени, когда токи в фазах B и C имеют величину половины тока фазы A, представлен на фиг. 3. Бегущее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов 4 ротора 3 и создает электромагнитный момент, который приводит ротор 3 во вращение, при этом положение его полюсов относительно токов статора не изменяется аналогично принципу действия классической синхронной машины с постоянными магнитами. Скорость поля, созданного обмоткой статора, определяется по формуле n=60*f/p (об/мин), где f - частота питающей сети, p - число пар полюсов поля обмотки статора.
В силу особенности механизма создания бегущего магнитного поля заявляемая электрическая машина переменного тока может быть выполнена как в синхронном, так и в асинхронном исполнениях. Как в случае синхронной электрической машины, в случае асинхронной электрической машины взаимодействие полей статора и ротора, имеющих одинаковое число полюсов, создает электромагнитный момент, вращающий ротор.
В отличие от прототипа, предлагаемая многофазная электрическая машина переменного тока обладает более высокими значениями удельного момента и кпд за счет высокой магнитной связи между контурами и возможности модульного построения ее конструкции, в которой количество зубцов магнитопровода статора и число модулей связаны соотношением:
s
Z=2·m·M,
s
где Z - число зубцов статора,
m - количество фаз,
M=p=1, 2, 3 … до технологически возможного - число модулей (повторяющихся частей многофазной электрической машины переменного тока), при этом каждый модуль состоит из двух частей, обмотки которых соединены в «звезды» и подключены параллельно друг другу согласно фиг. 2, а скорость вращения поля, созданного обмоткой статора, определяется как:
Ω=2·π·f/M,
где f - частота питающей сети, M - число модулей.
Кроме того, заявляемая электрическая машина может быть по принципу действия как синхронного, так и асинхронного типа и позволяет работать в широком диапазоне скоростей (от 3000 об/мин до 300 об/мин и ниже) и имеет меньший уровень шума и вибраций, за счет предложенного распределения фаз по обмоткам статора, которое исключает появление в кривой м.д.с. третьей гармоники, тем самым уменьшая появление негативных раскачивающих пульсаций момента при работе.