Двигатель

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим двигателям, и может быть использовано при конструировании и эксплуатации двигателей, работающих на зубцовых гармониках магнитного поля. Сущность изобретения состоит в следующем. Электрический двигатель содержит статор с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены зубцы, m-фазную обмотку, выполненную в виде 2mp катушек, размещенных на полюсах, коммутационное устройство и зубчатый ротор. Согласно изобретению каждая фаза m-фазной обмотки содержит две параллельные ветви, первые концы первых ветвей каждой фазы подключены к положительному полюсу источника питания последовательно через управляемые ключи, первые концы вторых ветвей каждой фазы подключены последовательно через управляемые ключи к отрицательному полюсу источника питания, вторые концы первых и вторых ветвей каждой фазы соединены в две звезды, нулевые точки звезд соединены накоротко между собой, каждая ветвь содержит р катушек, включенных последовательно или параллельно, а число зубцов на роторе определено соотношением Z_z = 2mp(Z_s+К)±(2m±1), где Z_z - число зубцов ротора, m - число фаз, где m = 2, 3, 4, ..., р - число пар полюсов m-фазной обмотки статора, Z_s - число зубцов на полюсе статора, К - число зубцов, дополнительно размещенных на полюсе статора. Технический результат от использования данного изобретения состоит в улучшении эксплуатационных характеристик двигателя - повышенным удельным моментом на единиц массы и увеличенным КПД за счет лучшего соотношения между шириной полюсов и шириной окна статора. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электрических машин, а именно электрических двигателей, и может быть использовано при конструировании и эксплуатации двигателей, работающих на зубцовых гармониках магнитного поля.

Известен (SU, патент 1345291, H 02 K 19/02, 1987) синхронный электрический двигатель, содержащий статор с трехфазной обмоткой и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, причем статор выполнен с явно выраженными полюсами, при этом число полюсов статора Z_s и Z_r выражены соотношением: Z_r = Z_s ± k, где Z_r = 3k, k = 1, 2, 3, 4..., a катушки обмотки статора, принадлежащие одной фазе и расположенные на полюсах, сдвинутых на 360 эл. град. включены встречно.

Известна (RU, патент 2034393, H 02 К 19/06, 1995), электрическая машина, содержащая магнитопроводы статора с полюсами зубчатого ротора и неподвижную m-фазную обмотку, катушки которой расположены в пазах между соседними полюсами статора, при этом m = 3, 4..., причем каждый полюс статора выполнен с пазом, а машина снабжена постоянными магнитами, каждый из которых расположен в пазу полюса статора, при этом намагниченность каждого магнита направлена согласно намагниченности указанного полюса.

Известен (RU, патент 2059994, H 02 K 19/06, 1996) синхронный электродвигатель, содержащий статор с явно выраженными полюсами, на которых расположена m-фазная обмотка, выполненная в виде катушек, расположенных в 2mk равных чередующихся зонах по одной катушке на полюс, причем в каждой фазной зоне размещены n катушек, принадлежащих одной фазе, катушки в фазных зонах, расположенных на соседних полюсах, соединены встречно, катушки в фазных зонах, расположенных на соседних полюсах, соединены также встречно, катушки в фазных зонах, расположенные через 180^o/k при n нечетном соединены согласно, а при n - четном - встречно, число полюсов статора и ротора отличается на 2k, при этом k = 1, 2, 3..., a n=2,3,4... .

Известен (RU, патент 2006142, H 02 K 19/06, 1994) синхронный двигатель с электромагнитной редукцией частоты вращения, содержащий статор с явно выраженными полюсами, на поверхности которых выполнены зубцы, m-фазную обмотку, выполненную в виде 2mp (где p - число пар полюсов) катушек, размещенных на полюсах, коммутационное устройство и зубчатый безобмоточный ротор, причем по окружности зубчатого ротора размещены короткозамкнутые витки из немагнитного материала с высокой электропроводностью, расположенные на зубцах ротора так, чтобы при любом повороте ротора под каждым полюсом статора находилось бы не менее чем по одному витку.

Недостатком известных технических решений следует считать невысокие энергетические показатели, обусловленные нерациональным размещением зубцов на роторе.

Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в разработке конструкции электрического двигателя с улучшенными энергетическими характеристиками.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в улучшении эксплуатационных характеристик двигателя.

Указанный технический результат достигается использованием электрического двигателя, содержащего статор с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены зубцы, m-фазную обмотку, выполненную в виде 2mp катушек, размещенных на полюсах, коммутационное устройство и зубчатый ротор, каждая фаза m-фазной обмотки содержит две параллельные ветви, первые концы первых ветвей каждой фазы подключены к положительному полюсу источника питания последовательно через управляемые ключи или через анод диода к источнику переменного тока, первые концы вторых ветвей каждой фазы подключены последовательно через управляемые ключи к отрицательному полюсу источника питания или через катод диода к соответствующей фазе источника переменного тока, вторые концы первых и вторых ветвей соединены в две звезды, нулевые точки звезд соединены предпочтительно проводом, замыкающим их накоротко между собой, каждая ветвь содержит p катушек, включенных последовательно или параллельно, а число зубцов на роторе определено соотношением: Z_R = 2mp(Z_s + K) ± (2m ± 1), где Z_R - число зубцов ротора; m - число фаз источника питания, где m = 2, 3, 4...; p - число пар полюсов обмотки; Z_s - число зубцов на полюсном выступе; K - число зубцов, дополнительно размещенных на полюсе статора.

Предпочтительно ширина зубца ротора составляет от 20 до 70% ширины зубцового деления. Преимущественно зубцы статора, расположенные на соседних полюсах, сдвинуты относительно друг друга на угол (360^o/2mp) ± 10%. Обычно угловая ширина зубцового деления статора равна угловой ширине зубцового деления ротора. Предпочтительно в каждой фазовой зоне размещены n катушек, где n = 2, 3, 4... , принадлежащих одной фазе, причем катушки в фазных зонах расположенных на соседних полюсах, соединены встречно. Обычно индуктивности катушек, включенных в одну ветвь, отличаются по величине и фазе переменной их части не более чем на 15%.

В дальнейшем изобретение будет рассмотрено с использованием графического материала - фиг. 1 и 2, где использованы следующие обозначения: статор 1 с явно выраженными полюсами 2, на которых расположена m-фазная обмотка 3, содержащая первую 4 и вторую 5 параллельные ветви. Указанные первые ветки 4 подключены к положительному полюсу 6 источника питания, а указанные вторые ветви 5 подключены к отрицательному 7 полюсу источника питания. Подключение указанных ветвей 4 и 5 осуществлено соответственно через управляемые ключи 8 и 9. Каждая ветвь 4 и 5 содержит катушки 10. На внутренней поверхности полюсов 2 выполнены зубцы 11, на поверхности ротора выполнены зубцы 12.

Рассматриваемый индукторный двигатель содержит статор 1 с явно выраженными полюсами 2 в количестве 2mp, на которых расположена m-фазная обмотка 3, образованная сосредоточенными катушками 10. Каждая фаза обмотки 3 содержит первую 4 и вторую 5 параллельные ветви. Первые концы первых ветвей 4 каждой фазы подключены к положительному полюсу 6 источника питания последовательно через управляемые ключи 8, первые концы вторых ветвей 5 каждой фазы подключены последовательно через управляемые ключи 9 к отрицательному полюсу 7 источника питания, вторые концы первых 4 и вторых 5 ветвей соединены в две звезды, нулевые точки звезд соединены проводом, замыкающим их накоротко между собой, каждая ветвь содержит p катушек 10. На внутренней поверхности полюсов 2 выполнены зубцы 11 с открытыми пазами в количестве Z_s, причем Z_s может быть любым целым числом, начиная с единицы, на поверхности ротора выполнены зубцы 12, число которых Z_R определено выше. Индуктивности катушек 10, включенных в одну ветвь 4 или 5, имеют минимальные (до 15%) различия в величине и фазе переменной их части. Указанные различия изменяются в зависимости от положения ротора.

Устройство работает следующим образом. При открывании ключей 8 и 9, соединенных с ветвями, по ветвям протекают токи, создающие магнитное поле. Открытых ключей может быть от 2 до 2m - 1, в зависимости от выбранного алгоритма управления ключами. В различные моменты времени по ветвям, подключенным к положительному полюсу, протекают положительные токи, а по ветвям, подключенным к отрицательному полюсу, протекают отрицательные токи. Соответственно ротор 1 всегда стремится занять такое положение, чтобы в области максимального магнитного поля было минимальное магнитное сопротивление воздушного зазора, т. е. чтобы было обеспечено совпадение зубцов 11 статора и зубцов 12 ротора под полюсами, в обмотках которых протекают максимальные токи. При переключении ключей 8 и 9 происходит коммутация токов, максимальный ток протекает в этом случае по другим катушкам, и ротор 1 соответственно поворачивается, стремясь занять положение, в котором под возбужденном током полюсами магнитное сопротивление расположенных на них катушек минимально.

Электромагнитная сила, создаваемая двигателем, пропорциональна, в том числе, кроме длины статора и диаметра расточки, и относительной ширине поверхности полюса, определяемой отношением числа зубцов Z_s, расположенных на полюсном выступе, к числу зубцов, которые могли бы быть расположены на нем, с учетом пропущенных K зубцов по технологическим или любым другим причинам. Чем больше пропущено зубцов, тем больше ширина окна и его площадь. Пропуск зубцов позволяет уменьшить высоту окна и наружный диаметр двигателя, уменьшить потери в меди обмотки. Указанное оптимальное соотношение между числом зубцов статора и числом зубцов ротора и позволяет оптимизировать параметры двигателя.

Предлагаемый электродвигатель обладает повышенным удельным моментом на единицу массы (до 14%) и увеличенным КПД (на 2-4%) по сравнению с известными двигателями за счет лучшего соотношения между шириной полюсов и шириной окна статора.

Формула изобретения

1. Электрический двигатель, содержащий статор с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены зубцы, m-фазную обмотку, выполненную в виде 2mр катушек, размещенных на полюсах статора, коммутационное устройство и зубчатый ротор, отличающийся тем, что каждая фаза m-фазной обмотки содержит две параллельные ветви, первые концы первых ветвей каждой фазы подключены к положительному полюсу источника питания последовательно через управляемые ключи, первые концы вторых ветвей каждой фазы подключены последовательно через управляемые ключи к отрицательному полюсу источника питания, вторые концы первых и вторых ветвей каждой фазы соединены в две звезды, нулевые точки звезд соединены накоротко между собой, каждая ветвь содержит р катушек, включенных последовательно или параллельно, а число зубцов на роторе определено соотношением
Zz=2mp(Zs+К)((2m±1),
где Zz - число зубцов ротора;
m - число фаз обмотки статора, где m=2, 3, 4,...;
р - число пар полюсов обмотки статора;
Zs - число зубцов на полюсе статора;
К - число зубцов, дополнительно размещенных на полюсе статора.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что зубцы, расположенные на соседних полюсах статора, сдвинуты относительно друг друга на угол (360^o/2mр)±10%.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что угловая ширина зубцового деления статора равна угловой ширине зубцового деления ротора.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в каждой фазной зоне m-фазной обмотки статора размещены n катушек, где n=2, 3, 4,..., принадлежащих одной фазе, причем катушки в фазных зонах, расположенных на соседних полюсах статора, соединены встречно.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что индуктивности катушек, включенных в одну ветвь m-фазной обмотки статора, отличаются по величине и фазе переменной их части не более чем на 15%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2