БЕСКОНТАКТНАЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С АКСИАЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
CONTACTLESS MAGNETOELECTRIC MACHINE WITH AXIAL EXCITATION

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и высокочастотным генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных синхронных магнитоэлектрических машин и может быть использовано при широком диапазоне частот вращения вала машины (от единиц оборотов в минуту до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту) в системах автоматики, в автономных системах электрооборудования, в военной, космической, бытовой технике, на авиационном и автомобильном транспорте, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, погружных нефтяных насосов, ветрогенераторов, гидрогенераторов, многофазных синхронных электрических двигателей, многофазных высокочастотных синхронных электрических генераторов переменного тока и многофазных генераторов преобразователей частоты (включая трехфазные системы), а также, при выпрямлении выходного переменного напряжения и тока генераторов при помощи полупроводниковых выпрямительных устройств и с возможностью применения сглаживающих фильтров для уменьшения пульсаций выходных параметров, - в качестве источников питания постоянным (выпрямленным) током, возбудителей синхронных генераторов передвижных мини-электростанций, подвозбудителей главных возбудителей синхронных генераторов на стационарных электростанциях.
Известны генераторы переменного тока с постоянными магнитами (В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Стр.23-46), имеющие магнитные системы с вращающимися и неподвижными магнитами. По конструктивному выполнению роторы машин с постоянными магнитами можно разделить на следующие группы:
- с цилиндрическим магнитом в виде кольца, намагниченным в радиальном направлении;
- типа «звездочка» с явно выраженными полюсами без полюсных башмаков и с полюсными башмаками;
- типа «звездочка» с призматическими магнитами и полюсными башмаками;
- коллекторные с призматическими магнитами и тангенциальным намагничиванием;
- когтеобразные с цилиндрическими постоянными магнитами, намагниченными в аксиальном направлении.
К магнитным системам с вращающимися магнитами относится также система торцевого типа. Магнитные системы бесконтактных генераторов с неподвижными постоянными магнитами выполняются следующих видов: с внешнезамкнутым магнитопроводом, индукторного и коммутаторного типов. Кроме этого известны магнитные системы и конструкции генераторов переменного тока комбинированного возбуждения, в которых магнитный рабочий поток создается совместным действием постоянных магнитов и электромагнитных обмоток возбуждения при протекании по ним постоянного электрического тока. Недостатки указанных магнитных систем и конструкций генераторов переменного тока описаны на страницах 25, 26÷30, 33, 36, 40, 43, 44, 46 указанного источника.
1
1m
2N
2S
1m
1m
Известна бесконтактная магнитоэлектрическая машина (патент RU, 2354032 C1, МПК H02K 21/12, H02K 29/00, авторы: Чернухин В.М.; Захаренко А.Б.), содержащая якорь с числом зубцов Z=m·Z·с, где m=2, 3, 4, 5, 6 … - число фаз обмотки якоря, каждая из фаз состоит из катушек, охватывающих по одному зубцу якоря, и индуктор с полюсами, сердечник индуктора состоит из скрепленных между собой первого и второго сердечников и намагниченного в осевом направлении постоянного магнита, расположенного между сердечниками индуктора, первый и второй сердечники индуктора размещены относительно друг друга так, что ось каждого зубца первого сердечника совпадает с осью каждого паза второго сердечника индуктора, бесконтактная магнитоэлектрическая машина состоит из модулей - «элементарных машин», число зубцов на любом сердечнике индуктора Z=Z=(m·Z±1)·с, где с=1, 2, 3, 4, … - число модулей, Z=1, 2, 3, 4, … - число зубцов фазы якоря в одном модуле. Недостатком аналога является невозможность сохранения высоких энергетических показателей при применении в тех конструкциях, когда активная длина значительно превышает диаметр расточки статора машины.
1P
2p
1p
1P
2P
2P
1P
1P
2p
2P
Известен принятый за прототип однофазный бесконтактный магнитоэлектрический генератор (патент RU, 2393615 C1, МПК H02K 21/12, H02K 21/26, H02K 21/02, автор Чернухин В.М.), содержащий статор с шихтованным сердечником якоря с явно выраженными полюсами и катушечной однофазной обмоткой якоря, катушки которой размещены на соответствующих явно выраженных полюсах якоря по одной на каждом полюсе, катушки однофазной обмотки якоря соединены между собой согласно в магнитном отношении, и безобмоточный ротор с индуктором с нечетными и четными сердечниками и с одинаковым числом явно выраженных полюсов на каждом сердечнике, сердечники индуктора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора, сердечники индуктора напрессованы на соответствующие втулки, являющиеся магнитопроводами индуктора, выполненные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и насаженные на немагнитную втулку, толщина которой в радиальном направлении значительно больше величины воздушного зазора между статором и ротором, между магнитопроводами индуктора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении сегментарных постоянных магнитов, постоянные магниты прилегают к магнитопроводам индуктора в аксиальном направлении и расположены таким образом, чтобы к втулкам с нечетными сердечниками индуктора прилегали постоянные магниты полюсами одной полярности, а к втулкам с четными сердечниками индуктора прилегали постоянные магниты полюсами другой полярности, число кольцевых слоев сегментарных постоянных магнитов на один меньше числа сердечников индуктора, число явно выраженных полюсов якоря определяется равенством: Z=2·k, число явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора определяется равенством: Z=k, где k=2, 3, 4, 5, … - целое положительное число, начиная с двух, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении определяется выражением b=(0,76÷1,0)·t, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении определяется выражением: b=(0,38÷0,5)·t, при этом t=360°/Z представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении, t=360°/Z представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении. Недостатком прототипа является ограниченность применения, так как он может использоваться только в качестве необратимой электрической машины - генератора - и генерировать только однофазный переменный электрический ток, а при выпрямлении переменного напряжения и тока при помощи полупроводниковых устройств неизбежны значительные пульсации выпрямленного электрического тока, для уменьшения которых дополнительно используют сглаживающие фильтры.
Целью настоящего изобретения является создание конструкции многофазной бесконтактной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением от постоянных магнитов, расположенных на роторе, с высокими энергетическими показателями при широком диапазоне частот вращения вала (от единиц оборотов в минуту до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту).
Задачей настоящего изобретения является установление связи, необходимой для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей, между числом явно выраженных полюсов якоря, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе и числом полюсных выступов каждого сердечника индуктора, а также разработка алгоритма построения схемы соединений m-фазной катушечной обмотки якоря бесконтактной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высоконадежной, технологичной и высокоремонтопригодной конструкции многофазной бесконтактной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением с высокими энергетическими показателями и эксплуатационными характеристиками при широком диапазоне частот вращения вала и с различным соотношением активной длины и диаметра расточки статора машины.
Отличительной особенностью данного изобретения от большинства используемых электрических машин является конструктивное исполнение статора с явно выраженными полюсами якоря и сосредоточенной на них многофазной катушечной обмоткой и безобмоточного ротора, на котором расположена активная часть индуктора в виде кольцевых слоев сегментарных постоянных магнитов, что позволяет выполнить машину бесконтактной и с возможностью работы при очень высоких частотах вращения вала.
С целью достижения задачи и технического результата изобретения бесконтактная магнитоэлектрическая машина с аксиальным возбуждением содержит статор с шихтованным из изолированных листов электротехнической стали сердечником якоря, запрессованным в магнитомягком корпусе, с явно выраженными полюсами и катушечной многофазной обмоткой якоря, катушки которой размещены на соответствующих явно выраженных полюсах якоря по одной на каждом полюсе, и безобмоточный ротор, на валу которого насажена немагнитная втулка толщиной в радиальном направлении, значительно превышающей величину рабочего воздушного зазора, на которой соосно расположены нечетные и четные с полюсными выступами сердечники индуктора, представляющие собой магнитопроводы индуктора, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, при наличии сердечников индуктора более двух активная длина сердечников индуктора в аксиальном направлении, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше активной длины крайних сердечников, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора, между сердечниками индуктора расположены кольцевые слои сегментарных постоянных магнитов, в кольцевых слоях постоянные магниты прилегают в аксиальном направлении к нечетным сердечникам индуктора полюсами одной магнитной полярности, а к четным сердечникам - другой, число кольцевых слоев сегментарных постоянных магнитов на один меньше числа сердечников индуктора.
1P
1m
2P
В соответствии с настоящим изобретением для работоспособности бесконтактной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу между числом явно выраженных полюсов якоря Z, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе Z и числом полюсных выступов каждого сердечника индуктора Zустановлена связь, которая выражается равенствами (1) и (2):
1m
1m
1P
1P
2P
2P
1P
2P
причем, при m=3, 5, 7, 9, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z=1, 2, 3, 4, …, при m=4, 6, 8, 10, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z=2, 4, 6, 8, …, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении лежит в пределах b=(2/3÷1,0)·t, ширина полюсной дуги полюсных выступов каждого сердечника индуктора в угловом измерении лежит в пределах b=(1/3÷1/2)·t, при этом t и t представляют собой полюсные деления якоря и каждого сердечника индуктора соответственно.
1P
1m
Алгоритм построения схемы соединений обмотки якоря прост: катушки в фазе могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, либо смешанно, но в магнитном отношении при нечетном числе фаз должны быть соединены встречно, а при четном числе фаз - согласно по порядку, начиная с той катушки фазы, которой принадлежит начало фазы, начала фаз обмотки якоря при нечетном числе фаз могут принадлежать любым катушкам в соответствующей фазе, а при четном числе фаз - катушкам в соответствующих фазах, сосредоточенным на первых согласно нумерации полюсов Z/Z явно выраженных полюсах якоря, фазы обмотки якоря могут быть соединены между собой «в звезду», либо «в многоугольник».
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид с продольным разрезом бесконтактной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением с четырьмя слоями сегментарных постоянных магнитов;
фиг.2 - поперечный разрез бесконтактной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением;
х
фиг.3 - пример реализации схемы соединений катушек 4-фазной обмотки якоря, фазы которой соединены «в многоугольник»;
х
фиг.4 - пример реализации схемы соединений катушек 4-фазной обмотки якоря, фазы которой соединены «в звезду», в режиме работы машины генератором при использовании ее в качестве источника питания постоянным (выпрямленным) электрическим током. В качестве сглаживающего фильтра на фигуре показан конденсатор.
На фиг.2÷4 буквой и цифрой обозначены катушки многофазной обмотки якоря, расположенные на соответствующих явно выраженных полюсах якоря. Например, В3 - это катушка фазы «B», расположенная на третьем полюсе якоря. Нумерация полюсов осуществлена в направлении движения против часовой стрелки.
В настоящем изобретении возможны различные исполнения многофазной бесконтактной магнитоэлектрической машины с аксиальным возбуждением:
- с внешним якорем, являющимся статором, и внутренним индуктором, являющимся ротором;
- с внутренним якорем, являющимся статором, и внешним индуктором, являющимся ротором;
- с внутренним якорем, являющимся ротором, и внешним индуктором, являющимся статором (например, для возбудителя синхронного генератора с вращающимися полупроводниковыми выпрямительными устройствами).
Рассмотрим конструкцию описываемой машины с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, фиг.2). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 2 якоря выполнен шихтованным из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в магнитомягком корпусе 1. Сердечник 2 якоря имеет явно выраженные полюса 3 якоря, на которых размещена катушечная многофазная обмотка якоря, выполненная катушками 4, расположенными на соответствующих явно выраженных полюсах 3 якоря по одной на каждом полюсе. Катушки 4 обмотки якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Индуктор при помощи вала 5, подшипников 12 и подшипниковых щитов 13 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из магнитной или немагнитной стали или из титана. На валу закреплена немагнитная втулка 6, толщина которой в радиальном направлении значительно превышает величину рабочего воздушного зазора. Немагнитная втулка 6 может быть выполнена из титана, нержавеющей стали, меди, сплавов алюминия. При малых диаметрах ротора, если вал 5 изготовлен из немагнитной стали или титана, немагнитная втулка 6 может не устанавливаться. На немагнитной втулке 6 насажены нечетные 7 и четные 8 сердечники индуктора, являющиеся магнитопроводами индуктора. Они могут выполняться сплошными из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью, шихтованными пакетами из листов электротехнической стали или комбинированными, то есть представлять собой шихтованные пакеты из листов электротехнической стали, напрессованные на втулки из магнитомягкой стали. Активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, активная длина находящихся между ними сердечников индуктора в аксиальном направлении в два раза больше. Нечетные 7 и четные 8 сердечники индуктора имеют одинаковое число полюсных выступов Р, равномерно распределенных на каждом сердечнике. Четные 8 сердечники индуктора смещены относительно нечетных 7 сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора. Между нечетными 7 и четными 8 сердечниками индуктора расположены кольцевые слои 10 сегментарных постоянных магнитов. В кольцевых слоях 10 постоянные магниты прилегают в аксиальном направлении к нечетным 7 сердечникам индуктора полюсами одной магнитной полярности, а к четным 8 сердечникам - другой. При использовании машин с малыми диаметрами роторов возможно применение в кольцевых слоях 10 цельных кольцеобразных постоянных магнитов. Число кольцевых слоев 10 сегментарных постоянных магнитов на один меньше числа сердечников индуктора. Для усиления прочности кольцевых слоев 10 сегментарных постоянных магнитов при высоких частотах вращения вала могут применяться тонкостенные цилиндрические бандажи 11, выполненные из немагнитного материала, например из титана.
Бесконтактная магнитоэлектрическая машина с аксиальным возбуждением может работать в режиме неуправляемого и управляемого синхронного двигателя, в режиме управляемого шагового двигателя, в режиме управляемого двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, а также в качестве синхронного m-фазного генератора переменного напряжения. Кроме того, при выпрямлении выходного переменного напряжения и электрического тока магнитоэлектрической машины в режиме ее работы генератором при помощи полупроводниковых выпрямительных устройств и с возможностью применения сглаживающих фильтров для уменьшения пульсаций выходных электрических параметров» она может использоваться в качестве источника питания постоянным (выпрямленным) электрическим током. В этом случае выходные концы обмотки якоря подсоединяются к входу полупроводникового выпрямительного устройства (фиг.4).
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1÷3). Возбуждение индуктора создается кольцевыми слоями 10 сегментарных постоянных магнитов, расположенными на роторе между сердечниками индуктора и образующими постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным униполярным магнитным потоком, замыкающимся через ярма и полюсные выступы 9 нечетных 7 и четных 8 сердечников индуктора, рабочий воздушный зазор, явно выраженные полюса 3 и ярмо сердечника 2 якоря и магнитомягкий корпус 1 статора. При подаче на m-фазную обмотку якоря переменного напряжения от m-фазного источника питания и под действием этого напряжения по обмотке якоря будет протекать переменный электрический ток, создавая при этом переменное вращающееся магнитное поле якоря с переменной во времени МДС якоря и переменным во времени магнитным потоком якоря. Вследствие взаимодействия переменного магнитного поля якоря с постоянным магнитным полем индуктора, к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы магнитоэлектрического двигателя вращающий момент. Согласно изобретению, за один период изменения магнитного поля якоря ротор перемещается на одно полюсное деление магнитопровода ротора. Следует отметить, что в данной конструкции ротор вращается в направлении, обратном направлению вращения магнитного поля якоря.
2P
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1÷4). Возбуждение индуктора создается кольцевыми слоями 10 сегментарных постоянных магнитов, расположенными на роторе между сердечниками индуктора и образующими постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным униполярным магнитным потоком, замыкающимся через ярма и полюсные выступы 9 нечетных 7 и четных 8 сердечников индуктора, рабочий воздушный зазор, явно выраженные полюса 3 и ярмо сердечника 2 якоря и магнитомягкий корпус 7 статора. При вращении ротора сторонним источником момента магнитный поток индуктора будет сохранять свое направление в магнитомягком корпусе 1 статора и в нечетных 7 и четных 8 сердечниках ротора, пульсируя в явно выраженных полюсах 3 сердечника 2 якоря из-за полюсных выступов 9 сердечников ротора. Этот переменный (пульсирующий) магнитный поток будет наводить в катушках 4 обмотки якоря переменную во времени ЭДС. Следует отметить, что, при наличии в фазе более одной катушки 4, величина наводимой в каждой катушке фазы обмотки якоря переменной ЭДС в любой момент времени будет одинакова, а переменная ЭДС фазы обмотки якоря будет равна алгебраической сумме индуктированных ЭДС в каждой катушке 4 фазы вследствие соединений катушек в фазе, исходя из алгоритма построения схемы соединений обмотки якоря. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то в многофазной обмотке якоря будет протекать переменный электрический ток, электрическая мощность будет отдаваться потребителю. Частота f (Гц) переменной ЭДС многофазной обмотки якоря связана с частотой вращения n (об/мин) ротора и определяется равенством: f=n·Z/60.