Реактивный коммутируемый электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронным многофазным электрическим машинам, в частности - к реактивным электродвигателям, и может быть использовано в электротехнической промышленности, например, на электротранспорте в регулируемом электроприводе. Предполагает уменьшение массо-габаритных показателей при одновременном уменьшении потерь в стали. Сущность изобретения заключается в следующем. Реактивный коммутируемый электродвигатель содержит статор с четным числом 7 с полюсов и с многофазной обмоткой с нечетным числом фаз, безобмоточный ротор с четным числом Z_p полюсов и коммутирующее устройство. Согласно изобретению четное число Z_c полюсов статора определяется формулой Z_с = 2(2n +1), четное число Z_c полюсов статора больше четного числа Z_p, соответствующего формуле Z_p = 4 n , где n = 2,3,4,5. . . При этом соседние фазные обмотки на статоре имеют чередующуюся полярность. Такое соотношение числа полюсов статора и ротора позволяет чередовать полярность соседних обмоток и тем самым обеспечивать замыкание большей части образующихся магнитных потоков по минимально короткому пути через соседние обмотки и приводит к уменьшению потока по спинке сердечника статора и возможности уменьшения веса, габаритов машины и потерь в стали на перемагничивание. 2 ил.

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к синхронным многофазным, в частности к реактивным электродвигателям, в которых жесткое тело передвигается по некоторой траектории вследствие взаимодействия этого тела с магнитным потоком, распространяющимся вдоль этой траектории, и может быть использовано в народном хозяйстве, например, в электротехнической промышленности, на электротранспорте в регулируемом электроприводе и т.п.

Известен реактивный коммутируемый электродвигатель, содержащий статор с многофазной обмоткой и четным числом полюсов, безобмоточный ротор с четным числом полюсов, меньшим, чем у статора, при этом число полюсов статора равно 12 и разделено на 3 группы по 4 полюса в каждом, образуя три фазы обмотки, число полюсов ротора равно 8, а обмотки каждой группы соединены последовательно с запиткой фаз через датчик положения.

Недостаток известной конструкции заключается в том, что при коммутации в ней происходят значительные потери на гистерезис и вихревые токи, за счет того, что магнитный поток проходит весьма длинный путь при замыкании через полюса ротора в каждой фазе, по 1/4 окружности спинки сердечника статора.

Известен реактивный коммутируемый электродвигатель, описанный в вышеназванной статье и содержащий 12-полюсный статор с обмотками, безобмоточный 10-полюсный ротор и имеющий 3 фазы обмотки, прочем полюса статора разделены на 6 соседних пар, каждая из которых дает полное совпадение с двумя противоположными полюсами ротора и каждые две совпадающие пары диаметрально противоположны друг другу.

Недостатком известного двигателя является усложнение его реализации из-за нерегулярной геометрии разделения на соседние пары т.к. при этом катушки обмотки занимают неодинаковое место, их сложно располагать на полюсах статора.

Известен также реактивный коммутируемый электродвигатель, описанный в вышеназванной статье и содержащий 12-ти полюсный статор с обмотками и безобмоточный 10-ти полюсный ротор и имеющий 3 фазы обмотки, причем все шесть пар полюсов статора выполнены в виде шести отдельных дуг с обмотками на их прямых концах и с шагом этих полюсов, равным шагу полюсов ротора.

Недостаток известного электродвигателя заключается в том, что хотя потери и уменьшаются, т.к. общая спинка сердечника статора совсем устраняется, однако именно по этой причине конструкция становится малонадежной механически.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является реактивный коммутируемый электродвигатель, содержащий статор с многофазной обмоткой, безобмоточный ротор и коммутирующее устройство, при этом число Z_c полюсов статора соответствует формуле Z_c 2(2n+1), где n= 1,2,3,4, и равно 10, число Z_p полюсов ротора формуле Z_p 4n-2 и равно 6, число фаз равно 5, угол опережения и угол, охватываемый каждым полюсом статора и ротора минимум в 2 раза больше угла синхронизации, а именно ε = 360°/qZ_p где q число фаз, Z_p число полюсов ротора [2] Недостаток известного электродвигателя заключается в том, что при такой конструкции, т. е. выбранном соотношении числа зубцов ротора и статора невозможно сделать соседние обмотки чередующейся полярности с тем, чтобы обеспечить минимальную длину пути замыкающегося магнитного потока по спинке сердечника статора, и приходится включать обмотки через одну и только однополярно; при этом образующиеся соосные магнитные потоки, замыкающиеся через совпадающие с ними полюса ротора, проходят в каждой фазе примерно по 1/2 длины окружности спинки сердечника статора, увеличению потерь в стали на перемагничивание, увеличению веса статора и габаритов машины.

Целью изобретения является уменьшение массо-габаритных показателей при одновременном уменьшении потерь в стали.

Поставленная цель достигается тем, что, в реактивном коммутируемом электродвигателе, содержащем статор с четным числом Z_c полюсов и многофазной обмоткой с нечетным числом фаз, безобмоточный ротор с четным числом Z_p полюсов и коммутирующее устройство, причем число Z_c полюсов статора больше числа Z_p полюсов ротора и соответствует формуле Z_c 2(2n+1), согласно изобретению, n=2, 3, 4, 5 число Z_p полюсов ротора определяется формулой Z_p4n и соседние фазные обмотки имеют чередующуюся полярность.

Такое соотношение числа полюсов статора и ротора позволяет чередовать полярность соседних обмоток и обеспечивать замыкание большей части образующихся магнитных потоков по минимально короткому пути через соседние обмотки, а следовательно, приводит к уменьшению потока в спинке сердечника статора и возможности уменьшить вес статора, габариты машины и потери на перемагничивание в стали.

В сравнении с прототипом предлагаемый реактивный коммутируемый электродвигатель обладает новизной, отличаясь от него такими существенными отличительными признаками, как соотношение числа полюсов ротора и статора и выполнение соседних обмоток чередующейся полярности, обеспечивающими уменьшение массо-габаритных показателей устройства и потерь на перемагничивание.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие совокупностью предлагаемых существенных признаков при наличии указанных выше отличительных признаков, приводящих к указанному техническому эффекту уменьшению массо-габаритных показателей и потерь на перемагничивание поэтому он считает, что заявляемый реактивный электродвигатель соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый реактивный коммутируемый электродвигатель может найти широкое применение в электротехнике, на электротранспорте в регулируемом электроприводе и т.д. и поэтому соответствует критерию "промышленная применимость".

На фиг1 показана конструкция статора и ротора; на фиг. 2 электрическая схема коммутирующего устройства.

Реактивный коммутируемый электродвигатель (фиг. 1) содержит 18-ти полюсный статор 1 с 9-ти фазной обмоткой 2_1-9, ротор 3 с 16-ю полюсами 3_1-16 и коммутирующее устройство 4. При этом каждая фаза 2_i (i=1-9) обмотки содержит две катушки расположенные диаметрально противоположно, а соседние обмотки 2_i имеют чередующуюся полярность. Каждая фаза 2_i через коммутирующее устройство 4 подключена к источнику постоянного тока ( не показан). Коммутирующее устройство 4 служит для подачи напряжения питания на обмотки двигателя по сигналу с датчика положения ротора (на чертеже не показан).

Коммутирующее устройство 4 содержит соединенные параллельно ячейки по числу фаз, каждая из которых включает в себя две соединенные последовательно катушки обмотки, начало одной и конец другой которых соединены соответственно с контактами ключей и одновременно с минусом и плюсом диодов соответственно. Вторые выводы ключей а также плюс диода и минус диода подключены соответственно к минусовому и плюсовому выводам источника постоянного тока.

При этом в соседних ячейках катушки обмоток включены в цепь коммутации в противоположном направлении.

Ключи 6_i служат для подачи импульсов тока на фазные обмотки 2_i для чего каждый ключ (коммутационный элемент) соединяет один конец фазной обмотки с одной из линий источника питания, и могут быть выполнены на тиристорах или транзисторах. Диоды 7_i образуют цепь рекуперации энергии электродвигателя.

Реактивный коммутируемый электродвигатель имеющий 18-ти полюсный статор 1 с 9-ти фазной обмоткой 2 и 16-ти полюсный безобмоточный ротор 3, работает следующим образом.

При включении в сеть источника постоянного тока и по сигналу с устройства управления (не показано) каждая пара ключей подключает обмотку соответствующей фазы к источнику питания. Одновременно в любой момент времени запитываются четыре фазы обмотки. Расположенные диаметрально противоположно в каждой фазе две катушки возбуждают полюса статора противоположного знака. Обмотки 2_i статора 1 возбуждаются поочередно протекающими в них токами, полюса ротора 3 начинают притягиваться к полюсам статора 1, создавая вращающий момент. Электродвигатель начинает вращаться.

При повороте электродвигателя на каждые 2,5^oC отключается одна из фаз и подключается следующая. Так, если первоначально включены I-IV фазы, то при отключении I фазы подключается V фаза. Фазы подключаются поочередно к источнику постоянного тока в направлении, противоположном создаваемому вращающему моменту. В соседних фазах создаются потоки противоположной направленности, т. к. фазы имеют чередующуюся полярность, и, благодаря последнему, большая часть образующихся магнитных потоков замыкается через соседние обмотки 2, т.е. по минимально короткому пути, что уменьшает поток в спинке сердечника статор и позволяет уменьшить его вес, габариты и потери на перемагничивание.

После отключения силовых ключей по сигналу с устройства управления, энергия, запасенная в магнитном поле катушек, через диоды возвращается к источнику питания, чем снимается перенапряжение в цепи и повышается коэффициент полезного действия.

В сравнении с прототипом заявляемый реактивный коммутируемый электродвигатель, благодаря описанной выше конструкции, имеет меньшие вес, габариты и меньшие потери на перемагничивание в стали.

Кроме того, описанный электродвигатель отличается повышенной надежностью, т. к. даже при выходе из строя 3-х обмоток из 9-ти он сохраняет работоспособность.

Формула изобретения

Реактивный коммутируемый электродвигатель, содержащий статор с четным числом Z_c полюсов и многофазной обмоткой с нечетным числом фаз, безобмоточный ротор с четным числом Z_p полюсов и коммутирующее устройство, причем число Z_c полюсов статора больше числа Z_p полюсов ротора и соответствует формуле Z_c 2(2n 1), отличающийся тем, что n 2, 3, 4, 5. число Z_p полюсов ротора определяется формулой Z_p 4n и соседние фазные обмотки имеют чередующуюся полярность.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2