Тихоходный вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором
LOW-SPEED VALVE ENGINE OF INDUCTOR TYPE WITH BUILT-IN MAGNETIC GEARBOX

Изобретение относится к электротехнике, в частности к совмещенным электрическим машинам, обладающим свойствами магнитоэлектрических вентильных двигателей и магнитных редукторов.
Из существующего уровня техники известен вентильный электродвигатель со встроенным механическим многоступенчатым редуктором с планетарной или фрикционной передачей [1]. В этом двигателе частота вращения привода может контролироваться с высокой степенью точности с помощью блока электроники и датчиков положения, размещенных на валах каждой ступени передачи и на валу ротора электродвигателя. Недостатком данного технического решения является то, что такое устройство совмещенной электрической машины недостаточно надежно из-за наличия трущихся элементов механических передач. Механические передачи также характеризуются высоким уровнем акустических шумов, подвержены износу, перегреву, повреждениям при перегрузке, а также требуют периодической смазки.
3
3
Прогресс в области технологии магнитной передачи привел к развитию нового класса электрических машин: магнитно-редукторных машин. У магнитных редукторов указанные выше недостатки, присущие механическим редукторам, практически отсутствуют. Эти машины включают в себя магнитный механизм, интегрированный в машину с постоянными магнитами почти в тех же габаритах. Возможность такой интеграции продиктована тем, что плотность электромагнитного момента у магнитного редуктора примерно в 10 раз выше, чем у вентильного двигателя с постоянными магнитами. У магнитного редуктора она может достигать значений более 100 кНм/м [2], в то время, как у магнитоэлектрического вентильного двигателя плотность электромагнитного момента составляет около 10 кНм/м [3, 4].
Электрическая машина со встроенным магнитным редуктором, которую можно рассматривать в качестве аналога по отношению к предлагаемому техническому решению, обсуждается в статье «Improved Motor Integrated Permanent Magnet Gear for Traction Applications)) [5]. В этой совмещенной электрической машине частотно управляемый синхронный двигатель с трехфазной малополюсной обмоткой приводит во вращение быстроходный вал встроенного магнитного редуктора. Магнитное поле здесь создается высокоэнергетическими постоянными магнитами, что сильно удорожает саму по себе весьма сложную конструкцию.
1
2
1
Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является вентильный двигатель со встроенным магнитным редуктором, содержащим малополюсную трехфазную обмотку статора с числом пар полюсов р, модулятор с числом ферромагнитных шихтованных стержней Z, внутренний шихтованный сердечник, на поверхности которого расположены многополюсные постоянные магниты с числом пар полюсов Z=Z-p [6]. Недостатками данного технического решения являются высокая стоимость высокоэнергетических постоянных магнитов и сложная конструкция многополюсного ротора с уложенными в глубокие радиальные пазы тангенциально намагниченными магнитами с целью уменьшения потока рассеяния.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение являются:
- удешевление тихоходного вентильного двигателя за счет отказа от использования высокоэнергетических постоянных магнитов и упрощение конструкции ротора;
- возможность кратковременной форсировки электромагнитного момента на валу двигателя за счет непродолжительного увеличения тока в катушках, возбуждающих магнитное поле ротора.
1
2
1
Данная задача решается за счет того, что заявленный тихоходный вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором, содержащий трехфазную малополюсную обмотку на неподвижном статоре с числом пар полюсов р от 1 до 3, обмотку возбуждения постоянного тока на подшипниковом щите, модулятор с числом ферромагнитных стержней Z, ротор с шихтованным сердечником, на наружной поверхности которого расположены Z=Z-р открытых зубцов, отличающийся тем, что вращающийся ротор выполнен без постоянных магнитов и имеет выходной вал, модулятор закреплен неподвижно.
Вторым вариантом реализации конструкции заявленного тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором может быть устройство, в котором ротор без постоянных магнитов закреплен неподвижно, а выходной вал соединен с вращающимся модулятором.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:
- существенное удешевление тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором и упрощение конструкции ротора за счет отказа от высокоэнергетических постоянных магнитов;
- возможность кратковременной форсировки электромагнитного момента на валу заявляемого двигателя за счет непродолжительного увеличения тока в катушках, возбуждающих магнитное поле ротора.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где изображены
продольный и поперечный разрезы конструкции заявляемого вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором.
1
2
Тихоходный вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором имеет расположенную на подшипниковом щите обмотку возбуждения (1), обтекаемую постоянным током и являющуюся одним из источников магнитного поля; статор (3) с трехфазной малополюсной обмоткой (2), имеющей от одной до трех пар полюсов р, которая подключается к преобразователю частоты (ПЧ) с регулируемой угловой частотой тока со; модулятор (5) с числом ферромагнитных стержней Z; ротор с шихтованным сердечником (6), на наружной поверхности которого расположены Z=Z открытых зубцов. Обмотка возбуждения (1) создает униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковый щит, корпус двигателя (4) и вал ротора (7).
Заявляемый магнитоэлектрический двигатель является вентильным, поскольку питание обмотки статора осуществляется от статического преобразователя частоты (ПЧ), режим работы ключей которого синхронизирован с угловым положением ротора с помощью датчика положения ротора (ДПР). Благодаря ДПР основная гармоника тока статора будет всегда в противофазе с ЭДС холостого хода обмотки статора, что является одной из основных особенностей работы вентильного двигателя. В качестве ДПР для вентильных двигателей часто применяется поворотный трансформатор (резольвер).
Работает тихоходный вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором следующим образом.
Собственно магнитный редуктор составляют совокупность статора со своей обмоткой, модулятора и ротора. Статорная обмотка при частоте питающего напряжения 50 Гц создает трехфазное поле, вращающееся со скоростью n=3000/p об/мин. Модулятор своими сегментами, выполненными из магнитомягкого материала, осуществляет модуляцию магнитного поля в воздушных зазорах: магнитное поле, создаваемое статором, изменит свой гармонический состав. Число сегментов в модуляторе д.б. таким, чтобы в гармоническом составе этого магнитного поля появилась пространственная гармоника с числом пар полюсов ротора. Аналогично, магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения проходя через ротор, будет модулироваться с образованием пространственных гармоник с числом пар полюсов статора. Обмотка возбуждения создает униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковый щит, корпус двигателя и вал ротора.
Для обеспечения работы магнитного редуктора необходимо, чтобы число сегментов в модуляторе Z было равно
1
2
где р - число пар полюсов статора, Z - число пар полюсов ротора.
2
1
Причем, разность Z-Z, т.е. число пар полюсов р не должна быть большой.
Для магнитного редуктора с трехфазной обмоткой на статоре справедливо соотношение [7]:
1
2
где Ω, Ω - скорости вращения в рад/с соответственно модулятора и ротора; ω - угловая частота тока обмотки статора.
Возможны два варианта конструкции заявляемого тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором.
1
2
Вариант 1. Модулятор жестко закреплен неподвижно (Ω=0), выходной вал сочленен с вращающимся сердечником ротора, имеющим Zоткрытых зубцов и скорость вращения которого в соответствии с выражением (1) будет равна:
2
1
Вариант 2. Ротор жестко закреплен неподвижно (Ω=0), выходной вал сочленен с вращающимся модулятором, скорость вращения Ω которого в соответствии с формулой (1) будет равна:
2
2
Ввиду принципиально малого различия чисел Z и Z (Z≈Z) скорости вращения выходных валов в обоих вариантах конструкции заявляемого тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором, см. (2) и (3), будут близки друг к другу, отличаясь знаками. При этом формулы (2) и (3) показывают, что заявляемое устройство является тихоходным вентильным двигателем.
1
2
В качестве примера примем число пар полюсов трехфазной обмотки статора p=3, число стержней модулятора Z=19, тогда число зубцов ротора Z в соответствии с (1) равно:
При выходной частоте преобразователя частоты  Гц будем иметь при неподвижном модуляторе из (2) скорость вращения ротора - выходного вала двигателя:
Расчеты [7] показывают, что при одинаковых габаритах и магнитных индукциях в воздушном зазоре заявляемый вентильный двигатель будет иметь электромагнитный момент, незначительно, примерно на 25%, уступающий аналогичному двигателю с постоянными магнитами.
Поскольку униполярный магнитный поток создается обмоткой возбуждения, имеется возможность форсировать режим работы заявляемого тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором, кратковременно увеличив ток в указанной обмотке. Время, на которое можно форсировать режим, определяется величиной тока и условиями охлаждения обмотки возбуждения.
Таким образом, возможность кратковременно форсировать режим работы заявляемого тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором несколько расширяются. Это можно сделать, как увеличив ток в статорной обмотке, так и увеличив ток в обмотке возбуждения постоянного тока. В двигателе с постоянными магнитами возможности форсировать момент можно только увеличив ток статора.
Источники информации
1. Пат. 2027283 РФ, МПК Н02K 7/116. Электродвигатель со встроенным редуктором / Хейкки Тапани Койвикко. - 4742437/07; заявлено 10.11.1989; опубл. 20.01.1995.
2. Rens, J.A novel high-performance magnetic gear / J. Rens, K. Atallah, D. Howe, S. Calverley // IEEE Transactions on Magnetics. - 2001. - T. 37, №4. - C. 2844.
3. Torque Density of PM motors Developed under Government Programs [Электронный ресурс]: отчет о НИР: Report 06-08 / Precision Magnetics Inc.; Dantam K.R. - 2008. - 7 c. - Режим доступа: https://ru.scribd.com/document/87569175/Torque-Densitv-of-PM-Motors.
4. A new PM Machine topology for low-speed, high-torque drives / K. Atallah [и др.] // Proceedings of the 2008 International
5. T.V. Frandsen, P.O. Rasmussen, K.K. Jensen. "Improved Motor Integrated Permanent Magnet Gear for Traction Applications", ECCE 2012, pp.3332-3339.Conference on Electrical Machines. - 2008. - 4 c.
6. Пат. 2704239 РФ, МПК H02K 19/06. Магнитоэлектрический вентильный электродвигатель со встроенным магнитным редуктором (варианты) / Афанасьев А.А., Токмаков Д.А., Романов Р.А., заявлено 22.05.2019; опубл. 25.10.2019. Бюл. №30.
7. Афанасьев А.А. Аналитические и численные методы решения задач электромеханики на основе комплексного магнитного потенциала. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2017. - 430 с.