Электромеханический преобразователь энергии с зубцовой концентрической обмоткой
ELECTROMECHANICAL ENERGY CONVERTER WITH SERRATED CONCENTRIC WINDING

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в автономных системах электроснабжения, а также в авиационной отрасли в качестве стартер-генератора.
Известны схемы однослойных концентрических обмоток статоров электрических машин трехфазного переменного тока [В.И. Зимин, М.Я. Каплан и др. Обмотки электрических машин. Изд. пятое, переработанное: государственное энергетическое издательство: М.-Л. 1961 г., с. 118-123]. Эти обмотки состоят из трех однофазных обмоток, оси которых смещены в пространстве друг относительно друга на 120 градусов. Каждая из однофазных обмоток на протяжении двойного полюсного деления статора образована катушками, число которых определяется по формуле Z/2pm, где Z - число пазов статора, 2р - число полюсов машины, m - число фаз статора. Катушки имеют различную ширину, но одинаковое количество витков. Активные стороны этих катушек на протяжении полюсного деления размещены в Z/2pm рядом расположенных пазах и полностью заполняют весь объем этих пазов.
Недостатком трехфазных однослойных концентрических обмоток является то, что наряду с основной гармоникой магнитодвижущей силы (МДС) и магнитного потока они создают широкий спектр высших пространственных гармоник со значительными величинами их амплитуд. Данный недостаток объясняется ярко выраженным ступенчатым характером изменения магнитодвижущей силы вдоль расточки статора. Действие высших пространственных гармоник магнитодвижущей силы приводит к уменьшению электромагнитного момента электрических машин, особенно в зоне низких частот вращения ротора, увеличению дифференциального сопротивления рассеяния обмоток статора, росту потерь и температуры нагрева активных частей электрической машины, вибрациям и шумам.
Известна конструкция электромеханического преобразователя энергии [G. Dajaku, S. Spas, Xh. Dajaku, D. Gerling; An improved fractional slot concentrated winding for low-poles induction machines; Electrical Machines (ICEM), 2016 XXII International Conference; 4-7 Sept. 2016; 16444129; DOI: 10.1109/ICELMACH.2016.7732514], статор которого состоит из двух обмоточных систем, которые могут быть соединены как комбинация звезд или звезд и треугольников. Первая (основная) система намотки имеет шесть концентрических катушек, которые намотаны вокруг шести зубцов статора, в то время как вторая (вспомогательная) система обмоток имеет двенадцать концентрических катушек, намотанных вокруг двенадцати зубьев статора. В дополнение к этому сердечник статора имеет двухслойную структуру с шестью слотами во внешней области и дополнительно двенадцать пазов рядом с областью воздушного зазора. В результате, благодаря дополнительной (второй, вспомогательной) обмотки статора, находящийся в области воздушного зазора, распределение магнитной индукции в воздушном зазоре становится максимально приближено к синусоидальному распределению. Тем самым минимизируется негативное влияние высших гармоник в зубцовых концентрических обмотках.
Недостатком данного электромеханического преобразователя энергии является невысокое значения коэффициента заполнения, сложность конструкции, ограниченная область применения.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является конструкция электромеханического преобразователя энергии с зубцовой концентрической обмоткой [G. Dajaku, S. Spas, Xh. Dajaku, D. Gerling; Comparison of PM machines with concentrated windings for automotive application; 2014 International Conference on Electrical Machines (ICEM); 2-5 Sept. 2014; 14769227; DOI: 10.1109/ICELMACH.2014.6960458], имеющая ротор с постоянными магнитами, магнитопровод статора с зубцами, на которых расположена зубцовая концентрическая обмотка с немагнитными вставками, расположенными радиально, по середине зубца. Причем, немагнитные вставки расположены не на каждом зубце, а расположены через зубец, т.е. если идти по длине окружности, то один зубец будет с немагнитной вставкой, следующий без немагнитной вставки, а другой с немагнитной вставкой. Данное техническое решение позволяет снизить первую гармонику до 73%, пятую до 19% и повысить седьмую на 16%. Иными словами, электромеханический преобразователь энергии работает на седьмой гармоники.
Недостатком данного электромеханического преобразователя энергии с зубцовой концентрической обмоткой является сложность конструкции, низкая механическая прочность, ограниченные функциональные возможности.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, минимизация колебаний частоты вращения и электромагнитного момента, благодаря монтажу обмоток подмагничивания в зубцы магнитопровода статора.
Техническим результатом является повышение механической прочности магнитопровода статора, минимизация колебаний, вызванных нелинейным распределением электромагнитного момента и частоты вращения при номинальном режиме работы электромеханического преобразователя энергии с зубцовой концентрической обмоткой.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что электромеханический преобразователь энергии с зубцовой концентрической обмоткой, содержащий ротор с постоянными магнитами, магнитопровод статора с зубцами, на которых расположена зубцовая концентрическая обмотка, согласно изобретению, зубцовая концентрическая обмотка имеет катушечные группы, между которыми продольно зубцу магнитопровода статора расположены обмотки подмагничивания.
Существо изобретения поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. На фиг 1, изображен поперечный разрез электромеханического преобразователя энергии с зубцовой, концентрической обмоткой, на фиг. 2 и фиг. 3 показана функция зависимости электромагнитного момента от времени для конструкции без обмотки подмагничивания и с обмоткой подмагничивания соответственно.
Предложенное устройство содержит магнитоэлектрический ротор 1, с к количеством полюсов, вал 2, магнитопровод статора 3, с n зубцами, на которых расположена зубцовая, концентрическая обмотка 4, продольно зубцу магнитопровода статора 3 расположены обмотки подмагничивания 5 имеющие катушечные группы 6, причем обмотки подмагничивания 5 расположены не на каждом зубце магнитопровода статора 3, а расположены между катушечными группами 6 зубцовой концентрической обмотки 4.
Электромеханический преобразователь энергии с зубцовой концентрической обмоткой работает следующим образом. При работе электромеханического преобразователя энергии с зубцовой концентрической обмоткой появляются такие негативные явления как броски (колебания) частоты вращения, броски (колебания) электромагнитного момента (фиг. 2), несинусоидальное распределение ЭДС и токов в фазах. Все описанные явления вызваны негативным влиянием высших гармоник, которые искажают основную, первую гармонику. При подаче постоянного тока в обмотку подмагничивания 5 участки магнитопровода статора 3 в области обмотки подмагничивания 5 перенасыщаются магнитной индукцией, и основной магнитный поток не проходит через участки перенасыщения. В результате действие основной гармоники значительно уменьшается, и в зависимости от значений магнитной индукции в области обмотки подмагничивания 5 уменьшается ряд высших субгармоник и увеличиваются одна (две) высшие гармоники. К примеру, при полном перенасыщении участка области обмотки подмагничивания 5 действие основной гармоники значительно уменьшается, а также уменьшаются третья и пятая гармоника (аналогично прототипу), а седьмая гармоника усиливает свое действие. В результате электромеханический преобразователь энергии с зубцовой концентрической обмоткой начинает работать на седьмой гармонике с минимальными бросками скорости и электромагнитного момента (фиг. 3). При использовании электромеханического преобразователя энергии в качестве стартер-генератора, в режиме стартера, изменяя значения постоянного тока в обмотке подмагничивания 5, появляется возможность регулировать частоту вращения ротора 1, благодаря изменению гармонического состава электромеханического преобразователя энергии с зубцовой концентрической обмоткой. А также в режиме стартера появляется возможность питать выводные концы напряжением с частотой перемагничивания в разы меньше частоты, соответствующей номинальной частоте перемагничивания стартер-генератора, что позволит достигать высоких частот вращения ротора при небольших частотах перемагничивания источника питания. В генераторном режиме обмотка подмагничивания 5 отключается от источника постоянного тока.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности, минимизировать колебаний частоты вращения и электромагнитного момента, а также повысить механическую прочность электромеханического преобразователя энергии, благодаря монтажу обмоток подмагничивания в зубцы магнитопровода статора.