СИНХРОННАЯ РЕАКТИВНАЯ МАШИНА
SYNCHRONOUS RELUCTANCE MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электромеханике, а точнее к синхронным реактивным машинам, и может быть использовано в электрических приводах машин и механизмов, а также в генераторах электрической энергии.
Уровень техники
Синхронными реактивными машинами называют машины с магнитной неоднородностью ротора. Основной механизм создания усилия (крутящего момента) в синхронной реактивной машине состоит в стремлении ротора ориентироваться так, чтобы обеспечить максимальную проводимость магнитному полю статора. Синхронные реактивные машины могут быть без магнитов в конструкции ротора, с магнитами в роторе.
В синхронных реактивных машинах достигается улучшение энергетических и удельных характеристик за счет добавления в конструкцию ротора магнитов. При этом основной механизм создания усилия (крутящего момента) остается тем же самым, что и для синхронной реактивной машины без магнитов в роторе.
Известна синхронная реактивная машина по патенту US 5818140. В известной машине, содержащей статор с пазами и поперечно шихтованный ротор, установленный с зазором по отношению к статору, барьеры выходят в зазор и их периферийные концы располагаются в так называемых шаговых точках на поверхности ротора. Шаговые точки расположены на равном расстоянии друг относительно друга. Среди шаговых точек могут быть виртуальные, не имеющие ребер. Машина по патенту US 5818140 обеспечивает низкие пульсации момента. Однако в известной машине не достигается максимальная анизотропия ротора при том же числе барьеров для потока, что приводит к невысоким энергетическим характеристикам (КПД, коэффициент мощности, удельный момент).
Известен ротор синхронной реактивной машины по патенту US 8638012, в которой уменьшают пульсации крутящего момента изменением геометрии барьеров для магнитного потока, выполненных в роторе. В качестве дополнительного построения используются опорные точки, расположенные на периметре, при этом угловой шаг между соседними опорными точками, расположенными между соседними осями q, одинаков для всей конструкции. Ребра, расположенные на окружности ротора, находятся в шаговых точках, отстоящих от опорных на угловое расстояние до 2,5°. В известной машине не достигается достаточная анизотропия ротора, в результате энергетические характеристики (КПД, коэффициент мощности) невысоки.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является синхронная реактивная машина по патенту US 6239526, содержащая статор с зубцами и пазами и ротор, содержащий барьеры для магнитного потока, каждый из которых имеет первое и второе ребро на противоположных концах барьера. В известной машине описывается определенный алгоритм расчета шаговых точек, согласно которому, когда первый конец барьера для магнитного потока на роторе находится напротив паза статора, второй конец находится напротив зубца статора. Однако в машине по патенту US 6239526 заниженное значение анизотропии ротора при фиксированном числе барьеров для потока и, как следствие, низкое значение энергетических характеристик (КПД, коэффициент мощности) и низкое значение удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность).
Задачей настоящего изобретения является повышение значений энергетических характеристик машины (КПД, коэффициент мощности) и увеличение значений удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность) при фиксированном количестве барьеров для магнитного потока.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается за счет того, что в синхронной реактивной машине, содержащей статор с обмоткой, уложенной в пазы статора, ротор, установленный с зазором по отношению к статору с возможностью вращения относительно него и содержащий чередующиеся в радиальном направлении магнитопроводящие слои и барьеры для магнитного потока, каждый барьер имеет хотя бы один периферийный конец, выходящий к окружной поверхности ротора, а угловой шаг периферийных концов уменьшается в окружном направлении от периферийных концов внешних барьеров к периферийным концам самых глубоких внутренних барьеров между по меньшей мере тремя последовательными в окружном направлении периферийными концами, по меньшей мере два из которых являются концами внутреннего барьера.
Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение энергетических параметров реактивной машины, в частности увеличение коэффициента мощности, КПД и удельной мощности, при том же количестве барьеров для магнитного потока.
0
n
1
n-1
1
0
n-1
n
В одном из предпочтительных вариантов реализации для любой последовательности из n+1 угловых шагов, где n≥2, включающей угловой шаг α, заданный периферийными концами двух самых глубоких внутренних барьеров, ближайший к нему угловой шаг α, заданный периферийными концами по меньшей мере одного внешнего барьера, и все последовательные в окружном направлении угловые шаги между ними от α до α, где α - шаг, непосредственно следующий за шагом α, a α - шаг непосредственно предшествующий шагу α, по меньшей мере для одной пары последовательных угловых шагов выполняется условие:
m-1
m
α<α, где 0<m<n.
0
n
1
n-1
1
0
n-1
n
В одном из предпочтительных вариантов реализации для любой последовательности из n+1 угловых шагов, где n>2, включающей угловой шаг α, заданный периферийными концами двух самых глубоких внутренних барьеров, ближайший к нему угловой шаг α, заданный периферийными концами по меньшей мере одного внешнего барьера, и все последовательные в окружном направлении угловые шаги между ними от α до α, где α - шаг, непосредственно следующий за шагом α, а α - шаг непосредственно предшествующий шагу α, выполняется условие:
0
1
0
2
α<α и α≤α.
0
1
В одном из предпочтительных вариантов реализации для углового шага α, заданного периферийными концами двух самых глубоких внутренних барьеров, и ближайшего к нему углового шага α выполняется условие:
0
1
α<α.
0
n
1
n-1
1
0
n-1
n
В одном из предпочтительных вариантов реализации для любой последовательности из n+1 угловых шагов, где n≥2, включающей угловой шаг α, заданный периферийными концами двух самых глубоких внутренних барьеров, ближайший к нему угловой шаг α, заданный периферийными концами по меньшей мере одного внешнего барьера, и все последовательные в окружном направлении угловые шаги между ними от α до α, где α - шаг, непосредственно следующий за шагом α, а α - шаг непосредственно предшествующий шагу α, выполняется условие:
m-1
m
α<α, где 0<m≤n.
В одном из предпочтительных вариантов реализации магнитопроводящие слои соединены внутренними и/или периферийными перемычками, причем периферийные перемычки отделяют периферийные концы барьеров от зазора.
В одном из предпочтительных вариантов реализации барьеры достигают зазора, а угловой шаг определен как угловое расстояние между шаговыми точками, которые являются серединами дуг внешней окружности поперечной проекции ротора, разделяющих соседние в окружном направлении магнитопроводящие слои.
В одном из предпочтительных вариантов реализации периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а угловой шаг определен как угловое расстояние между шаговыми точками, которые лежат на окружности поперечного сечения ротора и соответствуют середине участка перемычки, толщина которого в направлении зазора является минимальной.
В одном из предпочтительных вариантов реализации периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а угловой шаг определен как угловое расстояние между шаговыми точками, которые лежат на окружности поперечного сечения ротора и соответствуют середине участка перемычки, толщина которого в направлении зазора отличается не более чем на 5% от минимальной толщины перемычки в направлении зазора.
Предпочтительно периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, а угловой шаг определен как угловое расстояние между шаговыми точками, которые лежат на окружности поперечного сечения ротора и соответствуют середине участка перемычки, толщина которого в направлении зазора отличается не более чем на 20% от минимальной толщины перемычки в направлении зазора.
Обмотка статора синхронной реактивной машины может быть сосредоточенной или распределенной.
Ротор может содержать листы с поперечной шихтовкой или с продольной шихтовкой.
Предпочтительно по меньшей мере один барьер для магнитного потока содержит постоянный магнит или постоянные магниты.
Предпочтительно указанный зазор увеличен между поверхностью самого внешнего магнитопроводящего слоя и статором по сравнению с другими участками зазора.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что в синхронной реактивной машине, содержащей статор с обмоткой, уложенной в пазы статора, ротор, установленный с зазором по отношению к статору с возможностью вращения относительно него и содержащий чередующиеся в радиальном направлении магнитопроводящие слои и барьеры для магнитного потока, указанный зазор увеличен на 15-400% между поверхностью самого внешнего магнитопроводящего слоя и статором по сравнению с другими участками зазора.
Благодаря увеличению зазора на указанную величину обеспечено улучшение энергетических параметров реактивной машины, в частности увеличение коэффициента мощности, КПД, удельного момента и удельной мощности.
Предпочтительно, чтобы указанный зазор был увеличен на 15-200% между поверхностью самого внешнего магнитопроводящего слоя и статором по сравнению с другими участками зазора.
Предпочтительно по меньшей мере один барьер для магнитного потока содержит постоянный магнит или постоянные магниты.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение далее описано на примерах со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 показана конструкция ротора согласно одному из вариантов реализации изобретения;
на фиг. 2 показана схема распределения путей магнитного потока согласно одному из вариантов реализации изобретения;
на фиг. 3 показана схема выбора шаговых углов;
На фиг. 4 показана конструкция ротора с вырезами согласно одному из вариантов реализации изобретения.
На фиг. 5 и 6 показана конструкция ротора с магнитами согласно одному из вариантов реализации изобретения.
На фиг. 7. и 8 показана конструкция ротора с вырезами и магнитами согласно одному из вариантов реализации изобретения.
Осуществление изобретения
Варианты реализации заявленной синхронной реактивной машины (СинРМ) направлены на повышение энергетических характеристик машины (КПД, коэффициент мощности и удельная мощность) при фиксированном количестве барьеров для магнитного потока.
СинРМ в одном из вариантов реализации содержит статор с обмоткой, уложенной в пазы статора, ротор, установленный с зазором по отношению к статору с возможностью вращения относительно него. Обмотка статора может быть распределенной или сосредоточенной.
На фиг. 1 показана конструкция ротора. Согласно одному из вариантов реализации изобретения, ротор представляет собой стальной цилиндр, набранный из листов с поперечной шихтовкой. Ротор содержит чередующиеся магнитопроводящие слои 1, являющиеся слоями с высокой магнитной проницаемостью, и барьеры 2, 8 и 9 для магнитного потока, являющиеся слоями с низкой магнитной проницаемостью. Ось 4 высокой магнитной проводимости обозначена буквой d, ось 5 низкой магнитной проводимости обозначена буквой q. Барьеры 2, 8 и 9 для магнитного потока образованы вырубкой в листах продольных щелей. Барьеры 2, 8 и 9 имеют вытянутую форму и концы. Концы, выходящие к окружной поверхности ротора, называются периферийными концами 13, концы, выходящие внутрь ротора, называются внутренними концами 14. Барьер 2 имеет один периферийный и один внутренний концы, барьеры 8 и 9 имеют по два периферийных конца. Целостность ротора обеспечивают тонкие перемычки, соединяющие магнитопроводящие слои 1. Перемычки, расположенные на окружности ротора, называются периферийными перемычками 6, остальные перемычки называются внутренними перемычками 7. Периферийные перемычки 6 отделяют периферийные концы барьеров от зазора. Внутренние перемычки отделяют один барьер от другого. Ротор расположен на валу 3. Согласно еще одному варианту реализации изобретения, ротор представляет собой стальной цилиндр, набранный из листов с продольной шихтовкой. В этом случае барьеры 2, 8 и 9 для магнитного потока достигают воздушного зазора.
На фиг. 5 и 6 изображена конструкция ротора, согласно одному из вариантов реализации изобретения, с установленными в один или в несколько барьеров 12 для магнитного потока постоянными магнитами 11. В некоторых вариантах реализации постоянные магниты могут быть установлены во все барьеры 12 для магнитного потока. Постоянные магниты 11 занимают часть барьера 12 для магнитного потока. Согласно фиг. 8, ротор имеет внутренние перемычки 7, обеспечивающие возможность более точной установки постоянных магнитов 11 для снижения дисбаланса ротора. Перемычки 7 также обеспечивают механическую прочность ротора. Согласно еще одному варианту реализации изобретения, постоянные магниты 11 могут полностью занимать один или некоторые из барьеров для магнитного потока.
Для дальнейшего описания изобретения необходимо ввести понятие шаговой точки.
Если барьеры достигают зазора, то шаговой точкой является середина дуги внешней окружности поперечной проекции ротора, разделяющей соседние в окружном направлении магнитопроводящие слои, а если периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, то шаговая точка лежит на окружности поперечного сечения ротора и соответствует середине участка перемычки, толщина которого в направлении зазора является минимальной. Угловое расстояние между соседними шаговыми точками определяет угловой шаг периферийных концов барьеров для магнитного потока.
Согласно еще одному варианту реализации изобретения, если периферийные концы барьеров отделены от зазора периферийной перемычкой, то шаговая точка лежит на окружности поперечного сечения ротора и соответствует середине участка перемычки, толщина которого в радиальном направлении отличается не более чем на 20%, предпочтительно не более чем на 5% от минимальной толщины перемычки в направлении зазора.
Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре. Крутящий момент создается вследствие того, что ротор стремится установить свою ось 4 высокой магнитной проницаемости (d - ось) относительно поля так, чтобы минимизировать магнитное сопротивление в магнитной цепи.
На фиг. 2 показана схема протекания магнитного потока оси q. Часть магнитного потока оси q (макроскопический поток а) протекает поперек барьеров для магнитного потока. Другая часть магнитного потока оси q (микроскопический поток b) протекает по магнитопроводящим слоям между соседними шаговыми точками в силу конечной толщины магнитопроводящих слоев. Настоящее изобретение нацелено на уменьшение магнитного потока оси q и тем самым увеличение магнитной анизотропии вследствие уменьшения микроскопической составляющей.
При возбуждении потока q максимальное по модулю значение магнитных напряжений оказывается на оси q. Напротив, падение магнитного напряжения на участках дуги одинакового углового размера минимально вблизи оси q и растет по мере приближения к оси d. Поэтому чем ближе к оси d и чем дальше от оси q, тем меньше следует выбирать угловой шаг.
Пример выбора соотношения угловых шагов при количестве барьеров для магнитного потока на полюсе, равном трем, показан на фиг. 3.
Угловые шаги выбирают по следующей формуле при n=3:
m
0
n
0
1
1
2
2
3
где α - шаги в порядке удаления от оси d; α - угловой размер шага, охватывающего ось d; α - угловой шаг, охватывающий ось q. Каждый шаг охватывает одну область с высокой магнитной проницаемостью. Как видно из фиг. 3, для угловых шагов выполняются следующие соотношения: α<α, α<α и α<α.
m
m
Хотя в вышеприведенном примере со ссылкой на фиг. 3 описано и проиллюстрировано соотношение угловых шагов α на одном участке дуги между осями q и d, следует понимать, что такое же соотношение угловых шагов α характерно и для других участков дуги между осями q и d.
Количество барьеров n для магнитного потока на полюс может отличаться от 3.
В результате применения изобретения уменьшается микроскопический поток рассеяния и, как следствие, увеличиваются коэффициент мощности, КПД, удельный момент и удельная мощность.
В силу специфики конструирования СинРМ, не являющейся предметом настоящего изобретения, в частности, требования прочностного или теплового расчета, может потребоваться компромисс, при котором неравенство (1) частично нарушается. Поэтому в некоторых вариантах реализации изобретения принцип, согласно которому для увеличения магнитной анизотропии ротора угловой шаг следует выбирать меньше по мере удаления от оси q и соответственно приближения к оси d, может быть реализован частично через другие соотношения между угловым шагом шаговых точек.
В частности, согласно одному из вариантов реализации изобретения, угловые шаги выбирают в соответствии со следующей формулой:
согласно которой условие выполняется, по меньшей мере, для одной пары последовательных угловых шагов.
0
3
1
2
Согласно еще одному из вариантов реализации изобретения, для последовательности из 4 угловых шагов, включающей угловой шаг α, заданный периферийными концами двух внутренних барьеров 2, ближайший к нему угловой шаг α, заданный периферийными концами внешнего барьера 9, и все угловые шаги от α до α, выполняется условие:
0
1
Согласно еще одному из вариантов реализации изобретения, для углового шага α, заданного периферийными концами двух самых глубоких внутренних барьеров 2, и ближайшего к нему углового шага α выполняется условие:
Следует отметить, что хотя угловой шаг периферийных концов барьеров для магнитного потока, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, определяется как угловое расстояние между шаговыми точками, в других вариантах реализации этот угловой шаг может определяться любым известным подходящим способом.
Еще в одном из вариантов реализации изобретения, изображенном на фиг. 4, ротор содержит вырез 10 в районе оси q. Отступления формы ротора от цилиндра увеличивают магнитную анизотропию и уменьшают рассеяние магнитного потока высших гармоник статора, в результате повышаются энергетические характеристики машины (КПД, коэффициент мощности) и увеличиваются значения удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность).
Еще в одном варианте реализации изобретения благодаря указанному вырезу 10 зазор между внешним магнитопроводящим слоем и статором увеличен на 15-400%, предпочтительно на 15-200%, по сравнению с другими участками зазора. Небольшие величины отступления формы ротора от цилиндра сохраняют его высокие гидродинамические характеристики, устраняют рассеяние магнитного потока, и магнитный поток оси q, увеличивают магнитную анизотропию, и всего лишь в малой степени препятствуют протеканию потока по оси d, вследствие чего еще в большей степени достигается повышение значений энергетических характеристик машины (КПД, коэффициент мощности) и увеличение значений удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность).
На фиг. 7 и 8 изображена конструкция ротора с вырезами, согласно одному из вариантов реализации изобретения, с установленными в один или в несколько барьеров 12 для магнитного потока постоянными магнитами 11. В некоторых вариантах реализации постоянные магниты могут быть установлены во все барьеры 12 для магнитного потока. Постоянные магниты 11 занимают часть барьера 12 для магнитного потока. Согласно фиг. 9, ротор имеет внутренние перемычки 7, обеспечивающие возможность более точной установки постоянных магнитов 11 для снижения дисбаланса ротора. Перемычки 7 также обеспечивают механическую прочность ротора. Согласно еще одному варианту реализации изобретения, постоянные магниты 11 могут полностью занимать один или некоторые из барьеров для магнитного потока или все барьеры для магнитного потока.
Вырез не влияет на описанные выше соотношения между шаговыми углами и на расположение перемычек, следовательно, для СинРМ с вырезами выполняются условия (1), (2), (3) и (4).
Однако в других вариантах реализации изобретения указанные вырезы могут быть использованы и в СинРМ, в которых угловой шаг не выбран тем меньшим, чем ближе к оси d и чем дальше от оси q, в частности в которых не выполняются условия (1), (2), (3) и (4), с повышением тем не менее значений энергетических характеристик машины (КПД, коэффициент мощности) и увеличением значений удельных характеристик (удельный момент и удельная мощность).
Следует отметить, что в настоящем описании представление свойств или признаков синхронной реактивной машины в отношении участка дуги ротора и/или области оси d и/или q означает распространение указанных свойств или признаков на все аналогичные участки дуг ротора и/или области осей d и/или q.
Вышеописанные варианты реализации настоящего изобретения приведены в качестве неограничительных примеров и не должны трактоваться как ограничивающие объем настоящего изобретения, который определяется только формулой изобретения.