Бесконтактная электрическая машина

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономном электрооборудовании в качестве источника постоянного или переменного тока (вентильные генераторы (ВГ) постоянного или переменного тока), а также в качестве электромеханической части вентильных двигателей постоянного или переменного тока. Бесконтактная электрическая машина состоит из статора, на зубцах которого намотана m-фазная обмотка, и ротора с 2р чередующимися полюсами. Число зубцов статора z кратно числу фаз m, а число z и число полюсов ротора 2р выбирается таким, чтобы разница между ними была |I|>1. При этом m-фазная обмотка намотана так, что ее направления намотки на зубцах статора внутри катушечной группы чередуются, а величина угла открытия паза α_n зависит от конструктивных и технологических ограничений в зависимости от z выбирается равной

Технический результат заключается в снижении удельных потерь, уменьшении реактивных моментов и снижении уровня механических шумов в электродвигателе. 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к бесконтактным электрическим машинам (БЭМ), и может быть использовано в автономном электрооборудовании в качестве источника постоянного или переменного тока (вентильные генераторы (ВГ) постоянного или переменного тока), а также в качестве электромеханической части вентильных двигателей (ВД) постоянного или переменного тока.

Известны ВД бесконтактного исполнения [1, 2, 3], достоинством которых являются улучшенные рабочие характеристики за счет определенного соотношения числа зубцов статора z и полюсов ротора 2р.

Прототипом данного изделия служит бесколлекторный двигатель постоянного тока [3], основным недостатком которого является изменение магнитной проводимости воздушного зазора при вращении ротора и, как следствие, повышенные удельные потери, наличие реактивных моментов, большие уровни механических шумов. Предлагаемое решение лишено указанных недостатков. Целью изобретения является снижение удельных потерь, уровня механических шумов, уменьшение реактивных моментов.

Применение такой БЭМ не только в режимах бесконтактного двигателя постоянного тока [2], но и как бесконтактного генератора (постоянного или переменного тока) в автономных системах электроснабжения значительно расширяет сферу использования бесконтактных машин данного класса. Так, ВГ с большим числом полюсов 2р и числом фаз m могут формировать напряжения питания с малыми пульсациями.

БЭМ состоит из статора, на зубцах которого намотана m-фазная обмотка, ротор с 2р чередующимися полюсами. Число зубцов статора Z кратно числу фаз m, а число z и число полюсов ротора 2р выбирается таким, чтобы разница между ними была |I|>1. При этом m-фазная обмотка, каждая фаза которой состоит из I катушечных групп, намотана так, что направления намотки на зубцах статора внутри катушечной группы чередуются, а величина угла открытия паза α_n, зависящая от конструктивных и технологических ограничений, в зависимости от Z выбирается ближайшей и равной

где n - целое число, которое может изменяться от 1 до (р-1);

Z - число зубцов статора электродвигателя;

р - число полюсов ротора электродвигателя.

Строим векторную диаграмму пазовых эдс m-фазного статора с учетом угла открытия (ширины) паза. Для этого обозначим начала зубцов и их концы так, как показано на фиг.1.

Тогда вектор эдс начала первого зубца будет соответствовать эдс витков обмотки, охватывающих первый зубец с учетом положения начала зубца, а вектор эдс конца первого зубца будет соответствовать эдс витков обмотки, охватывающих также первый зубец, но с учетом положения конца паза. Физически это строго соответствует закону, с которым происходит изменение потокосцепления обмотки, намотанной на первый зубец, и соответствует представлению, при котором обмотка условно выносится в зазор напротив паза, а в нашем случае на начало или конец зубца. Тогда, если начало первого зубца условно принять за нулевое положение, то началу второго будет соответствовать угол

Соответственно начало третьего будет сдвинуто относительно начала первого на 2·α_z и так далее.

Очевидно, что для построения на векторной диаграмме эдс начала зубцов необходимо разделить окружность на z равных частей и с угловым шагом α_z или р шагов по векторам пронумеровать эдс начала зубцов от 1 до z. На фиг.2 показан пример такого построения для случая z=12, р=5.

Для построения эдс концов зубцов необходимо вектора начала зубцов фиг.2 сдвинуть на угол α_z-α_nэ,

где - открытие паза в электрических градусах на векторной диаграмме.

Величина α_n выбирается исходя из конструктивных и (или) технологических ограничений. В общем случае накладывается условие по прохождению проводника через паз при намотке. Достаточно часто накладывается требование ВГ по получению допустимого значения индуктивного сопротивления обмотки, так как ширина открытия паза влияет на пазовое рассеяние. Поэтому значение α_n может изменяться в широких пределах.

На фиг.2 показана векторная диаграмма пазовых эдс с учетом угла открытия паза при α_nэ=45 электрических градусов.

Для приведенного случая z=12, p=5, α_nэ=45 электрических градусов начала и концы зубцов не совпадают, а угол суммарного открытия всех пазов составляет α_nэ·z=45·12=540 электрических градусов=3·π.

Причем, как следует из векторной диаграммы, угол суммарного открытия пазов равномерно распределен относительно магнитных полюсов. Поэтому при вращении ротора интегральный магнитный поток в воздушном зазоре на участке 2π не будет изменяться, а на оставшемся участке π будет. Изменение интегрального магнитного потока увеличивает удельные потери, приводит к возникновению реактивных моментов и увеличивает механические шумы при вращении ротора.

В случае если величина α_n выбирается из условия то начала и концы зубцов на векторной диаграмме совпадают и поэтому интегральный магнитный поток в зазоре не изменяется, в результате чего происходит снижение удельных потерь, уменьшение реактивных моментов и снижение уровня механических шумов. На фиг.3 представлен случай z=12, р=5, n=1, α_n=30 электрических градусов.

На фиг.4 дана развертка магнитной системы z=12, p=5, n=1, α_n=30 электрических градусов. На фиг.4 видно, что конец 1 зубца по отношению к полюсу N совпадает с началом 9 по отношению к одноименному полюсу, начало 2 с концом 6 и так далее. При вращении ротора изменение магнитной проводимости воздушного зазора от конца первого паза компенсируется началом от девятого под другим полюсом.

Источники информации

1. Патент РФ 904129, Н 02 К 21/14, оп. 29.02.80.

2. Патент РФ 1495908, Н 02 К 1/06, оп. 02.06.83.

3. Патент РФ 2190292, Н 02 К 1/16, оп. 27.09.2002.

Бесконтактная электрическая машина, содержащая статор с числом зубцов z, на которых размещена m-фазная обмотка, и ротор с 2р чередующимися полюсами, число зубцов статора z кратно числу фаз m, а число полюсов ротора 2р выбирается таким, чтобы разница между z и 2р была ±I, где I - минимальное целое число катушечных групп с чередующейся полярностью катушек в одной группе, отличающаяся тем, что угол открытия паза α_n выбирается из условия

где n - целое число, которое может изменяться от 1 до (р-1);

z - число зубьев статора;

р - число пар полюсов.