ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
AC ELECTRONIC MOTOR

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, и может найти применение при создании вентильных электродвигателей для регулируемых электроприводов.
Известен вентильный электродвигатель, содержащий ротор с постоянными магнитами, статор с многофазной обмоткой с общим числом фаз не менее девяти, разделенной на независимые каналы, объединяющие по три фазы. Катушки каждого независимого канала соединены в звезду [1].
Недостатком данного устройства является то, что в воздушном зазоре индуцируется значительная величина третьей гармоники магнитной индукции, что приводит к зубцовым пульсациям электромагнитного момента, возникновению вихревых токов в массиве постоянных магнитов и их нагреву.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению и взятым за прототип является вентильный электродвигатель производства ЗАО «ЧЭАЗ» 5ДВМ, содержащий статор с уложенной в его пазы простой петлевой распределенной обмоткой, соединенной в «звезду», и ротор с постоянными магнитами [2].
Недостатком данного вентильного электродвигателя также является наличие зубцовых пульсаций электромагнитного момента, возникновение вихревых токов в массиве постоянных магнитов и их нагрев.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение равномерности вращения магнитоэлектрического вентильного двигателя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение зубцовых пульсаций электромагнитного момента, уменьшение вихревых токов в массиве постоянных магнитов и снижение их нагрева, вызванного обмоточными и зубцовыми гармониками магнитодвижущей силы обмотки статора.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в вентильном электродвигателе, содержащем ротор с постоянными магнитами, статор с уложенной в его пазы обмоткой, обмотка статора выполнена по схеме соединения «звезда-треугольник» с укороченным шагом обмотки, соединенной в треугольник, при этом величина укорочения составляет одну треть от диаметрального шага обмотки.
Отличительной особенностью данного технического решения является то, что в вентильном электродвигателе обмотка статора выполнена по схеме соединения «звезда-треугольник» с укороченным шагом обмотки, соединенной в треугольник, при этом величина укорочения составляет одну треть от диаметрального шага обмотки.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
j
j
j
j
j
j
На фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства (датчик положения ротора, подшипники и прочие элементы, не меняющие сущность изобретения, не представлены); на фиг. 2 - применяемая в заявляемом устройстве схема обмотки статора вентильного двигателя, имеющая параметры: z=24; 2р=4; на фиг. 3 - электрическая принципиальная схема обмотки «звезда-треугольник», состоящей из двух обмоток: A - X; B - Y; C - Z; j=1, 2; на фиг. 4 - кривая МДС простой петлевой обмотки, соединенной по схеме «звезда»; на фиг. 5 - кривая МДС обмотки соединенной по схеме «звезда-треугольник», имеющей число полюсов и пазов соответственно 2р=4 и z=24; на фиг. 6 - кривая пульсаций электромагнитного момента вентильного двигателя с простой петлевой распределенной обмоткой, соединенной по схеме «звезда»; на фиг. 7 - пульсации электромагнитного момента вентильного двигателя с обмоткой статора, выполненной по схеме соединения «звезда-треугольник» с укороченным шагом обмотки.
Заявляемое устройство состоит из ротора 1 с постоянными магнитами (на чертеже не показаны), корпуса 2 статора, активного сердечника 3 статора и обмотки 4 статора, соединенной по схеме «звезда-треугольник», с укороченным на одну треть шагом обмотки, соединенной в треугольник.
Работа заявляемого вентильного двигателя осуществляется следующим образом. На обмотку 4 статора подается напряжение питания, которое формируется системой управления в зависимости от положения ротора 1 с постоянными магнитами. Возбуждение происходит от постоянных магнитов ротора 1. Магнитный поток, создаваемый обмоткой статора, замыкается по активному сердечнику 3 статора. Формируемый вектор магнитного поля статора приводит во вращение ротор вентильного двигателя.
Обмотка 4, имеющая параметры: z=24; 2p=4, уложена в пазы статора и соединена по схеме «звезда-треугольник», при этом часть обмотки, соединенная в треугольник, укладывается с укороченным шагом обмотки на одну треть. В данном случае при наличии третьей гармоники магнитной индукции в воздушном зазоре исключается появление третьей гармоники электродвижущей силы в каждой фазе обмотки и, следовательно, исключается появление тока тройной частоты в части обмотки, соединенной в треугольник.
Снижение электродвижущей силы обмотки, индуцируемой основной частотой, как показывается в рассмотренном ниже варианте выполнения обмотки для вентильного двигателя с номинальным моментом 50 Нм, будет невелико: коэффициент укорочения при типовом укорочении шага обмотки  составлял 0,966, при укорочении шага на  примет значение 0,866.
Известно, что магнитодвижущая сила простой петлевой распределенной обмотки двигателя 5ДВМ, соединенной в «звезду», можно представить двумя совокупностями высших гармонических составляющих с номерами ν [3]
где ν=6k-1, k=1, 2, 3, ….
где ν=6k+1, k=1, 2, 3, ….
Высшие гармоники с остальными нечетными номерами (номерами, кратными трем: ν=3k, k=1, 2, 3, …) отсутствуют.
Здесь обозначено:
; τ - полюсное деление;
- коэффициент распределения;
- коэффициент укорочения;
- угол сдвига соседних пазов в магнитном поле;
α' - угол сдвига соседних катушек катушечной группы в каждой обмотке;
- число пазов на полюс и фазу в каждой обмотке;
q=2q' - число пазов на полюс и фазу в объединенной обмотке;
I, w - ток и число витков соответствующей обмотки, причем
Y
Y
Δ
Δ
; ; Iw=Iw;
также справедливо ; ; .
Гармоники первой совокупности, согласно формуле (1), перемещаются со скоростью  встречно скорости основной гармоники , второй совокупности согласно формуле (2) перемещаются со скоростью  в направлении скорости основной гармоники.
Первая совокупность гармонических составляющих с номерами ν=6k-1, k=1, 2, 3, …, вызванная обеими обмотками, будет равна
Вторая совокупность гармонических составляющих с номерами ν=6k+1, k=1, 2, 3, …, вызванная также обеими обмотками, будет равна
Несложно убедиться, что для нечетных чисел k=2n-1, n=1, 2, 3, …, имеем
,
,
т.е. гармоники магнитодвижущей силы с номерами ν=5 и 7, 17 и 19, 29 и 31 и т.д. будут находиться в противофазе, вследствие чего они пропадают.
Для четных чисел k=2n, n=1, 2, 3, …, из формул (3), (4) получим
,
,
т.е. гармоники МДС с номерами ν=11 и 13, 23 и 25, 35 и 37 и т.д. будут находиться в фазе друг к другу и могут фиксироваться как одна гармоника с удвоенной амплитудой.
На фиг. 5 построена кривая магнитодвижущей силы для простой петлевой распределенной обмотки с параметрами (z=24; 2р=4; q=2; ). Ниже на фиг. 6 построена кривая магнитодвижущей силы для обмотки, соединенной по схеме «звезда-треугольник». Видим, что кривая МДС обмотки, соединенной по схеме «звезда-треугольник», по сравнению с кривой обмотки двигателя 5ДВМ, имеет большее количество переходных ступеней, что делает ее более близкой по форме к синусоиде.
Несинусоидальный характер напряжений и токов вентильного двигателя вызывает пульсации его электромагнитного момента.
Переменная составляющая электромагнитного момента вентильного двигателя с инвертором тока может быть определена по формуле [4]
d0
a
d
ƒ0
d
d0
q0
q
q0
где Ψ=-LI+LI; Ψ=LI;
;
;
; ;
1
1
m1
ϕ - угол между первыми гармониками напряжения и тока якоря; знак (+) для угла ϑ соответствует двигательному режиму, (-) - генераторному; I - амплитуда первой гармоники тока якоря; γ - угол коммутации инвертора.
По формуле (5) построена кривая ΔM=ΔM(t), приведенная на фиг. 6, для вентильного двигателя 5ДВМ215 с номинальным моментом 70 Нм, с простой петлевой распределенной обмоткой, соединенной в «звезду», работающего в номинальном режиме. Видим, что размах пульсаций электромагнитного момента составляет примерно 6 Нм.
При изготовлении заявляемого двигателя с обмоткой статора, соединенной по схеме «звезда-треугольник», с укороченным шагом обмотки, соединенной в треугольник, будем иметь две элементарные машины половинной мощности, у которых обмотки смещены на 30 электрических градусов, а токи имеют фазовый сдвиг также на 30 электрических градусов.
Переменные осевые токи второй элементарной машины будут вычисляться по формулам
,
.
При подстановке этих токов в формулу (5) для переменной составляющей момента получим зависимость, изображенную на фиг. 7. Видим, что количество пульсаций момента на периоде переменного тока увеличилось вдвое по сравнению с фиг. 6, но размах пульсаций уменьшился примерно до 2,4 Нм (уменьшился в 2,5 раза).
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет уменьшить зубцовые пульсации электромагнитного момента, уменьшить вихревые токи в массиве постоянных магнитов и снизить их нагрев, вызванный обмоточными и зубцовыми гармониками магнитодвижущей силы обмотки статора.
Источники информации
1. Патент №2185701 от 20.07.2002. Вентильный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе для системы электродвижения транспортных средств.
2. БКЖИ.521571.001 РЭ, Руководство по эксплуатации «Двигатели вентильные 5 ДВМ».
3. Сергеев П.С. Электрические машины. М.: Госэнергоиздат, 1962. - 280 с.
4. Аракелян А.К., Афанасьев А.А., Чиликин М.Г. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. М.: Энергия, 1977. - 224 с.