EA008613B1

EA008613B1 - Многофазная электрическая машина

Info

Publication number: EA008613B1
Application number: EA200601821A
Authority: EA
Inventors: Андрей Сергеевич ДРУЖИНИН; Алексей Сергеевич КИБАРДИН; Владимир Георгиевич КУЧИНСКИЙ; Игорь Борисович Маркитантов; Карен Вруйрович МАРТИРОСЯН; Владимир Федорович СОЙКИН; Виктор Михайлович Федотов; Эримей Иванович Черекчиди; Гоергий Иванович Шмалько
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2007-06-29
Also published as: EA200601821A1; WO2008037264A1

Abstract

Предложена многофазная электрическая машина, содержащая явнополюсный ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения, создающей в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах ротора противоположно, и явнополюсный статор, число полюсов которого отлично от числа полюсов ротора, причем каждый полюс статора окружен идентичной катушкой. Многофазная электрическая машина отличается тем, что магнитопровод ротора образован совокупностью полюсов ротора, а катушки статора объединены в идентичные группы последовательно расположенных катушек таким образом, что все катушки каждой группы принадлежат к разным фазам, а полярности полюсов статора, создаваемые катушками каждой группы, являются чередующимися. Машина может быть выполнена либо с четным, либо с нечетным количеством полюсов ротора, взаимодействующих с одной группой катушек статора, соответственно, обращенные к ротору полярности полюсов статора, создаваемые принадлежащими к одной фазе катушками, либо одноименны, либо разноименны.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно к многофазным электрическим машинам.

Уровень техники

В электрических машинах традиционного исполнения с цилиндрическим ротором и активной зоной преобразования электромеханической энергии, образованной поверхностью магнитопровода ротора и коаксиальной поверхностью магнитопровода статора с распределенной по окружности в пазах магнитопровода фазной обмоткой, одним из недостатков является увеличение габаритной длины машины по сравнению с активной длиной ротора за счет длины вылетов лобовых частей обмотки статора. Другим недостатком указанного типа машин является наличие пазовой зоны магнитопровода статора, которое примерно в два раза уменьшает сечение стали, по которому проходит основной магнитный поток, тем самым ограничивая величину магнитной индукции поля возбуждения из-за насыщения магнитопровода зубцов пазовой зоны. Кроме того, выполнение распределенной обмотки для мощных электрических машин весьма трудоемко, т.к. требует пайки отдельных проводников с последующим нанесением изоляции.

Указанные недостатки в принципе устранены в электрических машинах с сосредоточенной обмоткой на статоре, к которым относятся многофазные машины с явнополюсными статором и ротором, имеющие неравное количество полюсов статора и ротора. В таких машинах, как правило, отсутствует система возбуждения ротора. Характерной особенностью указанной машины является путь прохождения магнитного потока статорных катушек поперек ротора по диаметральному направлению, создание электромагнитного момента в каждый момент времени в основном диаметрально противоположными полюсами статора.

В известном патенте И8 6949856 описана аналогичная многофазная электрическая машина, имеющая сосредоточенные катушки на статоре. Известная электрическая машина, которая может быть принята за ближайший аналог, содержит явнополюсный цилиндрический ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения и явнополюсный статор, расположенный коаксиально с ротором. Система возбуждения создает в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах противоположно. Число полюсов статора не равно числу полюсов ротора, а электрическое подключение катушек статора стандартно для трёхфазных электрических машин. Соседние по окружности катушки статора соединены последовательно, что приводит к уменьшению суммарного электромагнитного момента машины. Система возбуждения ротора выполнена на основе радиально намагниченных постоянных магнитов, что не позволяет получить достаточно большую индукцию магнитного поля в зазоре между ротором и статором.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в создании электрической машины, более простой в конструктивном исполнении, в которой устранены указанные недостатки и обеспечен технический результат, заключающийся в увеличении электромагнитного момента и уменьшении амплитуды пульсирующего электромагнитного момента.

Для этой цели предлагается многофазная электрическая машина, содержащая явнополюсный ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения, создающей в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах ротора противоположно, и явнополюсный статор, число полюсов которого отлично от числа полюсов ротора, причем каждый полюс статора окружен идентичной катушкой, т.е. статор имеет сосредоточенную обмотку.

Для увеличения электромагнитного момента необходимо задействовать в каждый момент времени по возможности все полюса статора, а не только диаметрально противоположные, как в известных решениях. Для достижения этого необходимо, чтобы магнитный поток каждого полюса ротора взаимодействовал только с ближайшими к нему полюсами статора, что обеспечивает максимальную амплитуду магнитного поля. Подобная локализация потока согласно изобретению достигается выполнением магнитопровода ротора в виде совокупности отдельных полюсов ротора без объединяющих их участка (спинки) магнитопровода. При таком исполнении магнитопровода поток, создаваемый полюсом ротора, пойдет по пути наименьшего магнитного сопротивления, т.е. будет замыкаться только через ближайшие к нему полюса статора.

Соотношение чисел полюсов ротора и статора определяется следующим образом. Задается число фаз машины т. Им соответствуют т подряд идущих полюсов статора. Поскольку каждый полюс статора окружен ровно одной катушкой, то эти катушки и будут представлять фазы машины. Затем выбирается число полюсов ротора п, которые будут взаимодействовать с сектором, образованным ранее выбранным числом т подряд идущих полюсов статора. Это число п должно быть целым и не иметь общих делителей с числом фаз т. Затем выбирается количество групп катушек или, что то же самое, количество групп полюсов статора (ротора) р таким образом, чтобы общее число полюсов ротора Ν_ρ=ηρ было четным.

Соответственно, изобретение предлагает объединение последовательно расположенных катушек статора в идентичные группы таким образом, чтобы все катушки каждой группы принадлежали к разным фазам, а полярности полюсов статора, создаваемые катушками каждой группы, чередовались. Последнее

- 1 008613 достигается за счет изменения направления тока на противоположное в соседних катушках внутри каждой группы.

Идентичность магнитного состояния групп катушек статора определяется двумя факторами: идентичностью взаимного расположения полюсов ротора и статора в пределах каждой группы катушек статора и выбором направления тока в катушках одноимённых фаз разных групп, в то время как по величине токи одноименных фаз в разных группах равны.

Для выполнения второго условия используются следующие правила выбора направления токов в идентичных фазах соседних групп.

Если количество полюсов ротора п, взаимодействующих с одной группой катушек статора, является четным, то магнитные потоки поля в одинаковых катушках разных групп равны по знаку, направления тока в таких катушках совпадают, следовательно, обращенные к ротору полярности полюсов статора, создаваемые этими катушками, одноименны.

Если же количество полюсов ротора п, взаимодействующих с одной группой катушек статора, является нечетным, то магнитные потоки поля в одинаковых катушках соседних групп противоположны по знаку. В этом случае для идентичности магнитного состояния токи в одинаковых катушках соседних групп должны быть противоположны по знаку, чтобы полярности полюсов статора, создаваемые этими катушками, были разноименны.

Подобный выбор соотношения чисел полюсов ротора и статора можно обосновать в предположении синусоидальности распределения магнитного поля, исходя из следующих выражений:

(7. = и_й 51П(<У(ί - ζ )) = ап(й>Г -<?-),

2лω _ί _ 2тг0'-1)

Ν_€ω_Μεχ

Ν <Ρι ^=ωίί = ^ΓΑθ

Νο ι - номер катушки,

Ио - амплитуда напряжения,

Ц - напряжение на катушке с номером ΐ,

Г_мех- механическая частота, ω - электрическая частота,

Т - электрический период, со_мех - циклическая механическая частота,

Ν_ρ - число полюсов ротора,

Ν_ο - число полюсов статора, β - время сдвига полюса ротора от первого полюса статора до полюса с номером ΐ, φ, - электрический сдвиг фазы напряжения на катушке с номером ΐ.

Пользуясь приведенными соотношениями, нужно определить, какие катушки будут синфазными, т.е. у каких катушек разность фаз напряжения будет кратна π радианам или, что то же самое, 180 электрическим градусам. Разность номеров этих катушек можно определить следующим образом:

Ν„ ^Ν„ ^Ν„ φ_ί— φ. =λ·(ζ-1)——я-(у-1)-^- = я-(/-у)—- = лк,^ = 0,1,2,3..., отсюда

Ν_ε Ν_ε = к, к = 0,1,2,3.,.

Поскольку Ν_ρ=ηρ, а Ν_ε=ιηρ

0-7)- = к, к = 0,1,2,3.,.

т

Если числа ш и η не имеют общих делителей, то синфазными будут катушки с разницей номеров, равной ш, т.е. катушки с номерами ΐ, 1+ш+1,1+2ш+1 и т.д., в зависимости от числа групп катушек статора. Если же общий делитель у чисел шип имеется, то внутри группы также появятся синфазные катушки. В самом деле, пусть ш = гщз, η = щз, где 8 - целое число больше единицы. Тогда синфазными будут

-2 008613 катушки с разницей номеров, равной Шр Поскольку трлн, то эти катушки будут принадлежать одной группе.

(г-;)— = к,к = Ъ,\,2,3...

Из выражения т следует также, каким образом должны чередоваться полярности полюсов статора, окруженных идентичными катушками соседних групп. Для таких катушек разница номеров составляет т, и разность фаз будет равна п-180 электрических градусов. Если η четно, то эта разница кратна 360 электрических градусов, т.е. идентичные катушки находятся в фазе, и полярности полюсов статора совпадают, а если нечетно - идентичные катушки находятся в противофазе, и полярности полюсов статора противоположны.

Видно, что при данном выборе соотношения числа полюсов ротора и статора все фазы внутри группы будут различны, и по окружности статора будет иметься р идентичных групп катушек статора.

Катушки статора, принадлежащие к одной фазе, могут быть соединены либо последовательно, либо параллельно в зависимости от нужд конкретной реализации.

За счет принадлежности катушек каждой группы различным фазам имеет место сдвиг фаз, и гармоники пульсирующего магнитного момента каждой из фаз складываются таким образом, что в результирующем пульсирующем моменте остаются только гармоники высших порядков, амплитуда которых достаточно мала, а нулевые гармоники момента складываются, образуя постоянный вращающий момент. Таким образом, уменьшается амплитуда пульсирующего электромагнитного момента.

Система питания данной машины должна обеспечить протекание в фазах симметричной знакопеременной многофазной системы токов. Реализации системы питания могут быть различными, например, это может быть вентильный преобразователь.

Изложенные признаки не ограничивают осуществление заявленного изобретения только в качестве электрического двигателя или генератора тока с цилиндрическим ротором, расположенным коаксиально со статором. Вполне возможно также осуществление данной машины как линейного электрического двигателя.

В предпочтительном варианте система возбуждения ротора выполнена на основе постоянных магнитов, размещенных в радиальных разрезах магнитопровода ротора и имеющих поочередно встречное тангенциальное направление намагниченности. Разрезы разделяют магнитопровод ротора на отдельные сектора, и, в этом случае, обеспечивается наилучшее приближение к нулю магнитного потока, создаваемого в полюсах статора катушками одноименных фаз разных групп, соответственно, происходит локализация магнитного потока полюса ротора только в ближайших к нему полюсах статора.

Тангенциальное направление намагниченности постоянных магнитов позволяет увеличить индукцию магнитного поля в зазоре между ротором и статором по сравнению с радиально намагниченными постоянными магнитами.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1а представлен пример осуществления электрической машины с ротором, расположенным коаксиально со статором внутри статора.

На фиг. 1 б представлен пример осуществления электрической машины с обращенной геометрией, когда ротор расположен коаксиально со статором снаружи статора.

На фиг. 2 представлена типичная картина магнитного поля в электрической машине, соответствующей примеру на фиг. 1б.

На фиг. 3 показана одна из возможных схем распределения отдельных катушек по фазам.

На фиг. 4 показана характерная зависимость фазных токов от времени в случае, когда система питания электрической машины представляет собой вентильный преобразователь.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 а представлен пример осуществления многофазной электрической машины с цилиндрическим ротором 2, расположенным внутри статора 1. Магнитная система статора 1 состоит из двух групп 7а и 7б катушек статора, всего имеется двенадцать полюсов 3 статора, равномерно расположенных по окружности статора 1 и объединенных общим магнитопроводом - спинкой статора 8. Каждый из этих полюсов окружен катушкой статорной обмотки 7, т.е. статор является явнополюсным. Все катушки 7 выполнены идентичными. Число различных фаз в данном осуществлении электрической машины равно шести.

Катушки статора одноименных фаз можно соединить как последовательно, так и параллельно с учетом описанного выше правила определения полярности тока в катушках.

Ротор 2 машины состоит из силовой немагнитной конструкции 9, на которой крепится магнитная система, состоящая из полюсов 4 ротора и постоянных магнитов 6. Силовая конструкция обеспечивает удержание центробежных сил, воздействующих на магнитную систему ротора, и передачу вращающего момента на вал машины. Тангенциально намагниченные постоянные магниты 6 размещены в межполюсных разрезах 5 ротора, причем направление намагниченности любых соседних магнитов противоположно.

В рассматриваемом примере электрической машины питание осуществляется шестифазной системой токов, причем из фаз можно образовать две независимые трехфазные звезды. Одна из возможных

- 3 008613 схем распределения отдельных катушек по фазам с последовательным соединением катушек разных групп приведена на фиг. 3. Здесь υ1, VI и XVI - различные фазы первой трехфазной звезды, И2, У2, А2 различные фазы второй трехфазной звезды. Поскольку число полюсов ротора, приходящихся на одну группу, нечетно, необходимо, чтобы полярности диаметрально противоположных полюсов статора были противоположны. Для этого последовательное соединение двух синфазных катушек разных групп осуществлено таким образом, что конец обмотки одной катушки соединен с концом обмотки другой катушки, а начала обмоток обеих катушек образуют выводы данной фазы. За счет этого направление тока в данных катушках будет противоположным, что обеспечивает необходимую в этом случае противоположную полярность полюсов статора.

Зависимость токов фаз от времени в случае питания фаз машины от вентильного преобразователя изображена на фиг. 4. Здесь по оси абсцисс отложено время, причем обозначен электрический период Т, по оси ординат - величина токов всех фаз электрической машины в данном осуществлении, соответственно 1и1 является величиной тока фазы υΐ первой трехфазной звезды, Ινΐ - величиной тока фазы VI первой трехфазной звезды, Ιν 1 - величиной тока фазы VI первой трехфазной звезды, 1и2 - величиной тока фазы и2 второй трехфазной звезды, Ιν2 -величиной тока фазы ν2 второй трехфазной звезды, Ιν2 величиной тока фазы А2 второй трехфазной звезды.

В рассматриваемом примере система возбуждения ротора выполнена на основе постоянных магнитов 6, которые размещены в межполюсных разрезах магнитопровода ротора и имеют поочередно встречное тангенциальное направление намагниченности. Указанные разрезы разделяют магнитопровод ротора на отдельные сектора, а полярность постоянных магнитов чередуется по окружности ротора. Возбуждение магнитного поля ротора может быть выполнено и другими способами, например, с помощью обмоток возбуждения, охватывающих каждый полюс ротора и запитанных постоянным током.

На фиг. 2 приведена картина магнитного поля в заявленной машине в некоторый произвольно выбранный момент времени. Наглядно проиллюстрировано отсутствие магнитного потока между полюсами статора, окруженными катушками одноименных фаз различных групп, в данном случае между диаметрально противоположными полюсами.

На фиг. 1б представлен пример осуществления электрической машины со статором 1, расположенным внутри ротора 2. Данное решение имеет определенные преимущества, в частности, упрощается крепление постоянных магнитов 6 в роторе 2 за счет того, что центробежная сила прижимает узел постоянного магнита к силовой конструкции ротора, в то время как в случае традиционного расположения статора и ротора, приведенном на фиг. 1а, необходимы дополнительные меры по удержанию постоянных магнитов 6 на вращающемся роторе 2, более прочная силовая немагнитная конструкция 9.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Многофазная электрическая машина, содержащая явнополюсный ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения, создающей в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах ротора противоположно, и явнополюсный статор, число полюсов которого отлично от числа полюсов ротора, причем каждый полюс статора окружен идентичной катушкой, отличающаяся тем, что магнитопровод ротора образован совокупностью полюсов ротора, а катушки статора объединены в идентичные группы последовательно расположенных катушек таким образом, что все катушки каждой группы принадлежат к разным фазам, а количество полюсов ротора, взаимодействующих с одной группой катушек статора, является четным, при этом обращенные к ротору полярности полюсов статора, создаваемые принадлежащими к одной фазе катушками, одноименны, а полярности полюсов статора, создаваемые катушками каждой группы, являются чередующимися.
2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что ротор выполнен цилиндрическим и расположен коаксиально со статором внутри статора.
3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что ротор выполнен цилиндрическим и расположен коаксиально со статором снаружи статора.
4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что представляет собой линейный электрический двигатель.
5. Электрическая машина по п.2 или 3, отличающаяся тем, что система возбуждения ротора выполнена на основе постоянных магнитов, размещенных в радиальных разрезах магнитопровода ротора и имеющих поочередно встречное тангенциальное направление намагниченности.
6. Электрическая машина по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что катушки статора одноименных фаз разных групп соединены последовательно или параллельно.
7. Многофазная электрическая машина, содержащая явнополюсный ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения, создающей в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах ротора противоположно, и явнополюсный статор, число полюсов которого отлично от числа полюсов ротора, причем каждый полюс статора окружен идентичной катушкой, отличающаяся тем, что магнитопровод ротора образован совокупностью полюсов ротора, а катушки статора объединены в идентичные группы последовательно расположенных катушек таким образом, что все ка

- 4 008613 тушки каждой группы принадлежат к разным фазам, а количество полюсов ротора, взаимодействующих с одной группой катушек статора, является нечетным, при этом обращенные к ротору полярности полюсов статора, создаваемые принадлежащими к одной фазе катушками, разноименны, а полярности полюсов статора, создаваемые катушками каждой группы, являются чередующимися.
8. Электрическая машина по п.7, отличающаяся тем, что ротор выполнен цилиндрическим и расположен коаксиально со статором внутри статора.
9. Электрическая машина по п.7, отличающаяся тем, что ротор выполнен цилиндрическим и расположен коаксиально со статором снаружи статора.
10. Электрическая машина по п.7, отличающаяся тем, что представляет собой линейный электрический двигатель.
11. Электрическая машина по п.8 или 9, отличающаяся тем, что система возбуждения ротора выполнена на основе постоянных магнитов, размещенных в радиальных разрезах магнитопровода ротора и имеющих поочередно встречное тангенциальное направление намагниченности.
12. Электрическая машина по одному из пп.7-10, отличающаяся тем, что катушки статора одноименных фаз разных групп соединены последовательно или параллельно.