ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
SWITCHED RELUCTANCE ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам вентильно-индукторного типа, и может быть использовано для приводных и генераторных установок, предусматривающих повышенные требования к эффективности электромеханического преобразования энергии.
Известна конструкция m-фазной реактивно-индукторной электрической машины, содержащей зубчатый статор, на зубцах которого расположены катушки статорной обмотки, и зубчатый ротор, не содержащий обмоток [Miller, T.J.E. Switched Reluctance Motor and Their Control. / T.J.E. Miller. - Magna Physics Publishing and Oxford University Press, 1993. - 198 p., см. фиг. 1.1, стр. 2.]. При этом катушки полюсов одной фазной обмотки располагаются через угловой интервал π/k, где k - число пар полюсов одной фазы.
В машинах такой конструкции возникают повышенные потери из-за большой длины силовых линий рабочего магнитного потока, замыкающихся по кольцевому сердечнику через полюсы одной из фаз, между которыми располагаются полюсы остальных фаз.
Также известна конструкция вентильного реактивно-индукторного двигателя [Патент RU 2068608], содержащая безобмоточный ротор с зубцами и статор, зубцы (полюса) которого охвачены катушками и размещены так, что образуется m-фазная магнитная система, в которой число зубцов на статоре Zc=k×2m выбирается кратным 2 m, число зубцов ротора Zp=Zc±k, где k=2, 3, 4, а катушки двух m-фазных сосредоточенных обмоток статора размещены на зубцах (полюсах) таким образом, чтобы все магнитодвижущие силы в одноименных фазах одной и той же обмотки были направлены одинаково или от статора к ротору, или от ротора к статору. Основной магнитный поток при такой конструкции возбужденного полюса замыкается через соседние зубцы статора, которые относятся к другим фазам.
Недостатком такой конструкции является высокий уровень взаимоиндукции катушек разных фаз, что приводит к возникновению дополнительных тормозных моментов при вращении ротора и снижает эффективность электромеханического преобразования энергии.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция индукторного двигателя [Патент RU 2068608], состоящая из ротора в виде шихтованного зубчатого магнитопровода и статора, содержащего в пазах шихтованного зубчатого магнитопровода катушки обмотки. В пазах статора выполнены ферромагнитные выступы, которые позволяют уменьшить магнитную индукцию в наиболее напряженном в магнитном отношении участке ярма и, за счет этого, уменьшить потери мощности на перемагничивание магнитопровода статора.
Такая конструкция хоть и позволяет уменьшить потери мощности на перемагничивание по отношению к выше приведенным аналогам, однако эти потери достаточно высоки из-за большой длины силовых линий рабочего магнитного потока замыкающихся по кольцевому сердечнику через полюсы одной из фаз.
Изобретением решается задача повышения эффективности электромеханического преобразования энергии в вентильно-индукторной электрической машине за счет снижения магнитных потерь в магнитопроводе.
Поставленная задача решается за счет того, что вентильно-индукторная электрическая машина, состоящая из ротора в виде шихтованного зубчатого магнитопровода и статора, содержащего в пазах шихтованного зубчатого магнитопровода катушки обмотки, отличается тем, что зубцы статора, принадлежащие одной фазе, разделены на активные зубцовые фрагменты с катушками с шагом зубцовых фрагментов, равным шагу зубцового деления ротора. При такой конструкции магнитопровода практически отсутствует индуктивная связь не только с соседними фазами, но и с катушками, расположенными на других зубцах одной и той же фазы. Магнитные силовые линии возбужденной фазы замыкаются через фрагменты одного зубца статора, а не по кольцевому магнитопроводу. При этом существенно уменьшается длина магнитных линий рабочего потока, снижаются магнитные потери, уменьшаются потоки рассеяния и повышается кратность изменения магнитной проводимости при согласованном и рассогласованном положении зубцов статора и ротора и, соответственно, увеличивается эффективность электромеханического преобразования энергии.
Поскольку в предлагаемой конструкции рабочий магнитный поток замыкается в пределах фрагментов одного зубца статора, магнитопровод статора может быть выполнен в процессе изготовления с раздельными зубцами, а в последующем собран в общем корпусе. При этом упрощается процедура штамповки и снижается количество отходов материала магнитопровода при производстве электрической машины. Предлагаемое решение может быть использовано при производстве электрических машин большой мощности (тяговые машины транспортных установок, генераторы электростанций и т.д.).
При производстве электрических машин заявляемой конструкции по критерию минимальной массы толщина кольцевого магнитопровода между зубцами статора может быть уменьшена и выбрана из соображений обеспечения механической прочности. Предлагаемое решение может быть использовано, например, при производстве электрических машин летательных аппаратов.
Предлагаемая конструкция электрической машины может быть исполнена в обращенном виде, когда неподвижный индуктор (статор) охвачен подвижной пассивной частью (ротор).
Изобретение поясняется фиг. 1 - 5.
Изобретение поясняется на примере электрической машины трехфазного исполнения следующей конфигурации: число зубцов ротора 14, число зубцов статора 6, число фрагментов зубца статора 2. На фиг. 1 показано поперечное сечение варианта электрической машины предлагаемой конструкции (1 - фрагменты зубца статора, 2 - ярмо зубца, 3 - граница зубцов статора по кольцевому магнитопроводу, 4 - катушки статорной обмотки одного зубца, 5 - зубец ротора, 6 - ярмо ротора, 7 - вал, β - зубцовое деление ротора), буквами А-В-С указана принадлежность зубцов к соответствующим фазам. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны картины замыкания силовых линий магнитного потока варианта предлагаемой конструкции вентильно-индукторной машины (1, 7 - фрагменты зубца статора, 2, 6 - воздушный зазор, 3, 5 - зубцы ротора, 4 - ярмо ротора, 8 - ярмо зубца статора). На фиг. 4 показан вариант электрической машины заявляемой конструкции при раздельном выполнении зубцов магнитопровода статора. На фиг. 5 показан вариант исполнения предлагаемой конструкции электрической машины с уменьшенной толщиной кольцевого магнитопровода до величины, определяемой механической прочностью конструкции.
Работа устройства осуществляется следующим образом. В двигательном режиме работы электрической машины в фазную обмотку подается напряжение, под действием которого протекает электрический ток, в результате чего возникает магнитное поле. Картина замыкания силовых линий магнитного поля показана на фиг. 2. Магнитный поток замыкается по пути «фрагмент зубца статора 1 - воздушный зазор 2 - зубец ротора 3 - ярмо ротора 4 - зубец ротора 5 - воздушный зазор 6 - фрагмент зубца статора 7 - ярмо зубца статора 8 - фрагмент зубца статора 1». При этом возникает электромагнитный момент, стремящийся повернуть ротор в направлении положения минимального магнитного сопротивления. Для устойчивого вращения ротора требуется поочередно возбуждать и снимать питание с фазных обмоток в зависимости от углового положения ротора. В генераторном режиме импульс тока подается в фазные обмотки, закрепленные на зубцах статора, относительно которых ротор находится в положении минимального магнитного сопротивления. Магнитный поток замыкается по пути, как и в двигательном режиме работы. Картина замыкания силовых линий магнитного поля показана на фиг. 3.