RU2518906C2

RU2518906C2 - Contactless electrical machine

Info

Publication number: RU2518906C2
Application number: RU2012137978/07A
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Лысцев; Александр Васильевич Азин; Евгений Михайлович Неверов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "АНТАРЕС ПРО"
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2014-06-10
Also published as: RU2012137978A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in contactless electrical machine containing stator with z equally spaced teeth at which m-phase winding is placed and a rotor with 2p alternating poles, according to the invention a number of the stator teeth z and a number of the rotor poles 2p is selected so that the ratio between them meet the formula z=m(2p±1) at 2p non-multiple to m.

EFFECT: reduction of reactive moment and expansion of the application area for the electrical machine.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к многофазным синхронным электрическим машинам с постоянными магнитами, и может быть использовано в автономных системах электрооборудования в качестве источника переменного или постоянного тока или в качестве электромеханической части бесконтактного двигателя постоянного или переменного тока.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to multiphase synchronous electric machines with permanent magnets, and can be used in stand-alone electrical equipment systems as an AC or DC source or as an electromechanical part of a non-contact DC or AC motor.

Синхронные электрические машины с постоянными магнитами, как генераторы, так и двигатели, находят в последнее время все более широкое применение. Однако в таких машинах при неправильно выбранных соотношениях числа полюсов и числа зубцов могут наблюдаться значительные пульсации реактивного момента и, как следствие, увеличение неравномерности вращения ротора, в особенности при малых нагрузках и малых частотах вращения. Это приводит к снижению пускового момента двигателя, увеличению шумов, вибрации, дополнительных потерь в обмотках, повышенному нагреву и снижению к.п.д. машины.Permanent magnet synchronous electric machines, both generators and motors, have been finding widespread use recently. However, in such machines, with incorrectly selected ratios of the number of poles and the number of teeth, significant pulsations of the reactive moment can be observed and, as a result, an increase in the unevenness of the rotor rotation, especially at low loads and low rotational speeds. This leads to a decrease in the starting torque of the engine, an increase in noise, vibration, additional losses in the windings, increased heating and lower efficiency. cars.

По патенту RU 2091969 известен бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с Z одинаковыми равномерно распределенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка, и ротор с 2р чередующимися полюсами из постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении, где число зубцов статора Z, кратное числу фаз m, и число полюсов ротора 2р выбираются такими, чтобы разница между ними 2K, где K целое положительное число, была минимальной, и m-фазная обмотка, представляющая собой концентрическую обмотку, каждая фаза которой состоит из 2K катушечных групп, намотана таким образом, чтобы направление намотки на зубцах статора чередовалось внутри каждой катушечной группы и чтобы на зубцах одной фазы, сдвинутых на 180о/K, направление намотки было согласным при нечетном K и встречным при четном K.According to patent RU 2091969, a brushless DC motor is known, comprising a stator with Z equally uniformly distributed teeth, on which an m-phase winding is placed, and a rotor with 2p alternating poles of permanent magnets magnetized in the radial direction, where the number of stator teeth Z is a multiple of phases m, and the number of poles of the rotor 2p are chosen so that the difference between them 2K, where K is a positive integer, is minimal, and the m-phase winding, which is a concentric winding, each phase of which consists of 2K coil groups, wound in such a way that the direction of winding on the stator teeth alternates within each coil group and so that on the teeth of one phase shifted by 180 ° / K, the direction of winding is consistent with odd K and counter with even K.

Недостатками известного устройства являются: неравномерность вращения ротора, повышенный шум и вибрация.The disadvantages of the known device are: uneven rotation of the rotor, increased noise and vibration.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является известная по патенту RU 2143777 бесконтактная электрическая машина, содержащая статор, на Z-зубцах которого намотана m-фазная обмотка, ротор с 2р чередующимися полюсами, где число зубцов статора Z кратно числу фаз m, а число Z и число полюсов ротора 2р выбираются такими, чтобы разница между ними была 1, где 1 - минимальное целое число. При этом m-фазная обмотка, каждая фаза которой состоит из 1 катушечных групп, намотана так, что направления намотки на зубцах статора внутри каждой катушечной группы чередуются и что на зубцах одной фазы, сдвинутых на 180°/l, направление было согласным при нечетном 1 и встречным при четном 1, а сдвиг между фазами m=/m при m=2l; m=[3-(-1)m/2/m при m=(2l+1), где l=1, 2…Closest to the claimed technical solution is the non-contact electric machine known in the patent RU 2143777, containing a stator, on the Z-teeth of which an m-phase winding is wound, a rotor with 2p alternating poles, where the number of stator teeth Z is a multiple of the number of phases m, and the number Z and the number of poles of the rotor 2p are chosen so that the difference between them is 1, where 1 is the minimum integer. Moreover, the m-phase winding, each phase of which consists of 1 coil groups, is wound so that the winding directions on the stator teeth inside each coil group alternate and that on the teeth of one phase shifted by 180 ° / l, the direction was consistent with an odd 1 and counter for even 1, and the shift between phases m = / m at m = 2l; m = [3 - (- 1) m / 2 / m for m = (2l + 1), where l = 1, 2 ...

Недостатками известного устройства является повышенный реактивный момент при некоторых соотношениях числа полюсов и числа зубцов, а также ограниченная область применения, поскольку известное устройство предназначено только для случаев, когда числа зубцов и полюсов близки. Повышенные реактивные моменты возникают, когда число зубцов z и число полюсов 2р не являются взаимно простыми и имеют общий делитель, больший единицы.The disadvantages of the known device is the increased reactive moment with some ratios of the number of poles and the number of teeth, as well as a limited scope, since the known device is intended only for cases where the number of teeth and poles are close. Increased reactive moments occur when the number of teeth z and the number of poles 2p are not coprime and have a common divisor greater than unity.

Техническим результатом заявленного изобретения являются снижение реактивного момента и расширение области применения электрической машины.The technical result of the claimed invention is to reduce the reactive moment and expand the scope of the electric machine.

Технический результат достигается тем, что в бесконтактной электрической машине, содержащей статор с z равномерно расположенными зубцами, на которых размещена m-фазная обмотка, и ротор с 2р чередующимися полюсами, согласно изобретению, число зубцов статора z и число полюсов ротора 2р выбрано таким образом, чтобы соотношение между ними определялось выражением z=m(2р±1), при 2р не кратном m.The technical result is achieved by the fact that in a non-contact electric machine containing a stator with z evenly spaced teeth, on which an m-phase winding is placed, and a rotor with 2p alternating poles, according to the invention, the number of stator teeth z and the number of poles of the rotor 2p are selected in such a way so that the ratio between them is determined by the expression z = m (2p ± 1), for 2p not a multiple of m.

Предлагаемое соотношение, согласно которому число зубцов статора z и число полюсов ротора 2р выбирают так, чтобы z=m(2р±1) при 2р не кратном m, применимо, если требуется, чтобы число зубцов z было в разы больше, чем число полюсов 2р. В этом случае реактивные моменты будут минимальны, поскольку число зубцов z и число полюсов 2р являются взаимно простыми и наибольший общий делитель (НОД) числа зубцов z и числа полюсов 2р равен единице. Такая конструкция устройства (бесконтактной электрической машины) позволяет существенно расширить область его применения и изготавливать электрические машины с равномерным вращением ротора.The proposed ratio, according to which the number of stator teeth z and the number of poles of the rotor 2p is chosen so that z = m (2p ± 1) at 2p not a multiple of m, is applicable if it is required that the number of teeth z is several times greater than the number of poles 2p . In this case, the reactive moments will be minimal, since the number of teeth z and the number of poles 2p are coprime and the largest common divisor (GCD) of the number of teeth z and the number of poles 2p is one. This design of the device (non-contact electric machine) allows you to significantly expand the scope of its application and to produce electric machines with uniform rotation of the rotor.

Сущность заявленного изобретения поясняется рисунками:The essence of the claimed invention is illustrated by the drawings:

На рис.1 изображен вариант исполнения устройства с 16 полюсами и 21 зубцом статора.Figure 1 shows an embodiment of the device with 16 poles and 21 stator teeth.

На рис.2 изображен вариант исполнения устройства с 14 полюсами и 21 зубцом статора.Figure 2 shows an embodiment of the device with 14 poles and 21 stator teeth.

На рис.3 показано значения реактивного момент двигателя с 8 парами полюсов ротора и 51 зубцом статора.Fig. 3 shows the values of the reactive moment of the motor with 8 pairs of rotor poles and 51 stator teeth.

При вращении ротора относительно статора на каждый зубец статора периодически будет действовать момент, определяемый положением зубца относительно магнитной системы полюсов. Если форма и взаимное расположение зубцов, а также форма и взаимное расположение полюсов симметричны, реактивный момент фактически будет определяться расположением оси симметрии зубца относительно оси симметрии ближайшего полюса.When the rotor rotates relative to the stator, a moment determined by the position of the tooth relative to the magnetic pole system will periodically act on each stator tooth. If the shape and relative position of the teeth, as well as the shape and relative position of the poles are symmetrical, the reactive moment will actually be determined by the location of the axis of symmetry of the tooth relative to the axis of symmetry of the nearest pole.

Например, при выполнении устройства с 16 полюсами и 21 зубцом статора, как показано на рис.1, когда число зубцов и число полюсов не имеют общих делителей, кроме единицы, и ось симметрии какого-либо зубца находится на оси симметрии какого-либо полюса (зубец 1 и полюс 1). В этом случае действующий на рассматриваемый зубец реактивный момент исходя из симметрии магнитного поля системы будет равен нулю. А на каждый зубец, находящийся слева от рассматриваемого зубца, будет действовать такой же по значению реактивный момент, но противоположного знака, что и на зубец, находящийся симметрично справа от рассматриваемого зубца, так как эти зубцы равно, но противоположно смещены относительно ближайших полюсов.For example, when executing a device with 16 poles and 21 stator teeth, as shown in Fig. 1, when the number of teeth and the number of poles do not have common divisors, except unity, and the axis of symmetry of a tooth is on the axis of symmetry of a pole ( prong 1 and pole 1). In this case, the reactive moment acting on the tooth under consideration, proceeding from the symmetry of the magnetic field of the system, will be zero. And for each tooth located to the left of the considered tooth, the same reactive moment, but of opposite sign, will act on the tooth located symmetrically to the right of the considered tooth, since these teeth are equal, but oppositely offset relative to the nearest poles.

Для рассматриваемого варианта исполнения в Таблице 1 приведено угловое положение зубцов и полюсов, а также взаимное расположение каждого зубца относительно ближайшего к нему полюса в том случае, когда оси симметрии первого зубца и первого полюса совпадают.For the considered embodiment, Table 1 shows the angular position of the teeth and poles, as well as the relative position of each tooth relative to the nearest pole in the case when the axis of symmetry of the first tooth and the first pole coincide.

Из приведенной таблицы видно, что для каждого зубца статора, кроме первого, имеется соответствующий ему и находящийся на таком же угловом расстоянии относительно первого симметричный зубец. Действующие на них моменты будут равны и противоположны друг другу.The table above shows that for each stator tooth, except the first, there is a symmetrical tooth corresponding to it and located at the same angular distance relative to the first. The moments acting on them will be equal and opposite to each other.

Очевидно, что действующий на статор реактивный момент будет определяться интегральным значением моментов сил от всех зубцов статора. В таком случае суммарный реактивный момент, действующий на статор, также будет равен нулю и ротор будет находиться в «точке залипания». За время одного оборота для каждого зубца число таких «точек залипания» будет равно числу полюсов 2р. Общее же число «точек залипания» за один оборот для всех зубцов, с учетом того, что число зубцов и число полюсов не имеют общих делителей, будет равно произведению числа зубцов z на число полюсов 2р. При смещении ротора из «точки залипания» относительно статора возникает рассогласование симметрии зубцов относительно полюсов, что приводит к возникновению реактивного момента между статором и ротором в направлении к «точке залипания».It is obvious that the reactive moment acting on the stator will be determined by the integral value of the moments of forces from all the stator teeth. In this case, the total reactive moment acting on the stator will also be zero and the rotor will be at the “sticking point”. During one revolution for each tooth the number of such “sticking points” will be equal to the number of poles 2p. The total number of “sticking points” per revolution for all teeth, taking into account the fact that the number of teeth and the number of poles do not have common divisors, will be equal to the product of the number of teeth z by the number of poles 2p. When the rotor is displaced from the “sticking point” relative to the stator, a mismatch of the teeth symmetry with respect to the poles occurs, which leads to a reactive moment between the stator and the rotor in the direction of the “sticking point”.

Если же число зубцов z и число полюсов 2р имеют общие делители, то в одинаковом угловом положении относительно своего ближайшего полюса будут находиться одновременно несколько зубцов, и количество их будет равно наибольшему общему делителю (НОД) числа зубцов z и числа полюсов 2р. Общее число «точек залипания» будет в этом случае в НОД раз меньше и будет равно произведению числа зубцов на число полюсов, деленное на наибольший общий делитель (НОД) числа зубцов и числа полюсов. Соответственно «угловое расстояние» между ближайшими «точками залипания» увеличится в НОД раз, что приведет к увеличению неравномерности вращения ротора. Реактивные моменты «двигающихся в фазе» НОД зубцов будут складываться, и значение действующего на все зубцы суммарного максимального положительного и суммарного отрицательного реактивных моментов в положениях между «точками залипания» также возрастут в НОД раз, что тоже приведет к увеличению неравномерности вращения ротора.If the number of teeth z and the number of poles 2p have common dividers, then in the same angular position relative to their nearest pole there will be several teeth at the same time, and their number will be equal to the largest common divisor (GCD) of the number of teeth z and the number of poles 2p. In this case, the total number of “sticking points” will be one times smaller and will be equal to the product of the number of teeth by the number of poles divided by the largest common divisor (GCD) of the number of teeth and the number of poles. Accordingly, the "angular distance" between the nearest "sticking points" will increase by a GCD time, which will lead to an increase in the uneven rotation of the rotor. The reactive moments of the “moving in phase” GCD teeth will add up, and the value of the total maximum positive and total negative reactive moments acting on all the teeth in the positions between the “sticking points” will also increase by a GCD time, which will also lead to an increase in the non-uniformity of rotor rotation.

При выполнении устройства с 14 полюсами и 21 зубцом статора, как показано на рис.2, для числа зубцов и числа полюсов наибольший общий делитель (НОД) будет равен 7. В Таблице 2 приведены угловые положения зубцов и полюсов для данного случая. Из таблицы видно, что 7 зубцов каждой из 3 групп всегда имеют одинаковое угловое положение относительно ближайшего к ним полюса.When implementing a device with 14 poles and 21 stator teeth, as shown in Fig. 2, for the number of teeth and the number of poles, the largest common factor (GCD) will be 7. Table 2 shows the angular positions of the teeth and poles for this case. The table shows that 7 teeth of each of the 3 groups always have the same angular position relative to the nearest pole.

Это означает, что при вращении ротора относительно статора реактивный момент достигает своего максимального значения синхронно на семи зубцах.This means that when the rotor rotates relative to the stator, the reactive moment reaches its maximum value synchronously on seven teeth.

Предлагаемое техническое решение было проверено изготовлением опытной партии двигателей. Данные двигатели имеют восемь пар полюсов, на статоре расположен 51 зубец, номинальное значение момента на валу двигателя 2,5 н·м. Были произведены измерения величины реактивного момента в зависимости от взаимного углового положения ротора относительно статора.The proposed technical solution was verified by the manufacture of an experimental batch of engines. These motors have eight pairs of poles, 51 teeth are located on the stator, the nominal value of the moment on the motor shaft is 2.5 n · m. We measured the magnitude of the reactive moment depending on the relative angular position of the rotor relative to the stator.

Измерения производились с помощью специально изготовленного стенда, обеспечивающего поворот ротора относительно статора с шагом 0,2 градуса с одновременным измерением усилия (реактивного момента), создаваемое статором. В качестве измерителя усилия использовались электронные весы модели ML-A01-100.The measurements were carried out using a specially made stand, providing rotation of the rotor relative to the stator with a step of 0.2 degrees with simultaneous measurement of the force (reactive moment) created by the stator. As a force meter, electronic scales of the ML-A01-100 model were used.

Результаты измерений реактивного момента двигателя в интервале от 0 до 180 градусов (половина оборота ротора относительно статора) представлено на рис.3.The results of measurements of the engine reactive moment in the range from 0 to 180 degrees (half a rotor revolution relative to the stator) are presented in Fig. 3.

Claims

A non-contact electric machine containing a stator with z evenly spaced teeth, on which the m-phase winding is placed, and a rotor with 2p alternating poles, characterized in that the number of stator teeth z and the number of rotor poles 2p are selected so that the ratio between them is determined by the expression z = m (2p + 1), with 2p not a multiple of m.