Вентильно-индукторная электрическая машина

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приводных и генераторных установках. Техническим результатом является повышение эффективности электромеханического преобразования энергии в вентильно-индукторной электрической машине за счет снижения магнитных потерь в магнитопроводе. Вентильно-индукторная электрическая машина содержит на статоре активные зубцовые фрагменты с катушками, при этом шаг зубцовых фрагментов равен шагу зубцового деления ротора. Электрическая машина содержит фрагменты (1) зубца статора, ярмо (2) зубца, границу (3) зубцов статора по кольцевому магнитопроводу, катушки (4) статорной обмотки одного зубца, зубец (5) ротора, ярмо (6) ротора, вал (7); β - зубцовое деление ротора, (А-В-С) - принадлежность зубцов к соответствующим фазам. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам вентильно-индукторного типа, и может быть использовано для приводных и генераторных установок, предусматривающих повышенные требования к эффективности электромеханического преобразования энергии.

Известна конструкция m-фазной реактивно-индукторной электрической машины, содержащей зубчатый статор, на зубцах которого расположены катушки статорной обмотки, и зубчатый ротор, не содержащий обмоток [Miller, T.J.E. Switched Reluctance Motor and Their Control. / T.J.E. Miller. - Magna Physics Publishing and Oxford University Press, 1993. - 198 p., см. фиг. 1.1, стр. 2.]. При этом катушки полюсов одной фазной обмотки располагаются через угловой интервал π/k, где k - число пар полюсов одной фазы.

В машинах такой конструкции возникают повышенные потери из-за большой длины силовых линий рабочего магнитного потока, замыкающихся по кольцевому сердечнику через полюсы одной из фаз, между которыми располагаются полюсы остальных фаз.

Также известна конструкция вентильного реактивно-индукторного двигателя [Патент RU 2068608], содержащая безобмоточный ротор с зубцами и статор, зубцы (полюса) которого охвачены катушками и размещены так, что образуется m-фазная магнитная система, в которой число зубцов на статоре Zc=k×2m выбирается кратным 2 m, число зубцов ротора Zp=Zc±k, где k=2, 3, 4, а катушки двух m-фазных сосредоточенных обмоток статора размещены на зубцах (полюсах) таким образом, чтобы все магнитодвижущие силы в одноименных фазах одной и той же обмотки были направлены одинаково или от статора к ротору, или от ротора к статору. Основной магнитный поток при такой конструкции возбужденного полюса замыкается через соседние зубцы статора, которые относятся к другим фазам.

Недостатком такой конструкции является высокий уровень взаимоиндукции катушек разных фаз, что приводит к возникновению дополнительных тормозных моментов при вращении ротора и снижает эффективность электромеханического преобразования энергии.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция индукторного двигателя [Патент RU 2068608], состоящая из ротора в виде шихтованного зубчатого магнитопровода и статора, содержащего в пазах шихтованного зубчатого магнитопровода катушки обмотки. В пазах статора выполнены ферромагнитные выступы, которые позволяют уменьшить магнитную индукцию в наиболее напряженном в магнитном отношении участке ярма и, за счет этого, уменьшить потери мощности на перемагничивание магнитопровода статора.

Такая конструкция хоть и позволяет уменьшить потери мощности на перемагничивание по отношению к выше приведенным аналогам, однако эти потери достаточно высоки из-за большой длины силовых линий рабочего магнитного потока замыкающихся по кольцевому сердечнику через полюсы одной из фаз.

Изобретением решается задача повышения эффективности электромеханического преобразования энергии в вентильно-индукторной электрической машине за счет снижения магнитных потерь в магнитопроводе.

Поставленная задача решается за счет того, что вентильно-индукторная электрическая машина, состоящая из ротора в виде шихтованного зубчатого магнитопровода и статора, содержащего в пазах шихтованного зубчатого магнитопровода катушки обмотки, отличается тем, что зубцы статора, принадлежащие одной фазе, разделены на активные зубцовые фрагменты с катушками с шагом зубцовых фрагментов, равным шагу зубцового деления ротора. При такой конструкции магнитопровода практически отсутствует индуктивная связь не только с соседними фазами, но и с катушками, расположенными на других зубцах одной и той же фазы. Магнитные силовые линии возбужденной фазы замыкаются через фрагменты одного зубца статора, а не по кольцевому магнитопроводу. При этом существенно уменьшается длина магнитных линий рабочего потока, снижаются магнитные потери, уменьшаются потоки рассеяния и повышается кратность изменения магнитной проводимости при согласованном и рассогласованном положении зубцов статора и ротора и, соответственно, увеличивается эффективность электромеханического преобразования энергии.

Поскольку в предлагаемой конструкции рабочий магнитный поток замыкается в пределах фрагментов одного зубца статора, магнитопровод статора может быть выполнен в процессе изготовления с раздельными зубцами, а в последующем собран в общем корпусе. При этом упрощается процедура штамповки и снижается количество отходов материала магнитопровода при производстве электрической машины. Предлагаемое решение может быть использовано при производстве электрических машин большой мощности (тяговые машины транспортных установок, генераторы электростанций и т.д.).

При производстве электрических машин заявляемой конструкции по критерию минимальной массы толщина кольцевого магнитопровода между зубцами статора может быть уменьшена и выбрана из соображений обеспечения механической прочности. Предлагаемое решение может быть использовано, например, при производстве электрических машин летательных аппаратов.

Предлагаемая конструкция электрической машины может быть исполнена в обращенном виде, когда неподвижный индуктор (статор) охвачен подвижной пассивной частью (ротор).

Изобретение поясняется фиг. 1 - 5.

Изобретение поясняется на примере электрической машины трехфазного исполнения следующей конфигурации: число зубцов ротора 14, число зубцов статора 6, число фрагментов зубца статора 2. На фиг. 1 показано поперечное сечение варианта электрической машины предлагаемой конструкции (1 - фрагменты зубца статора, 2 - ярмо зубца, 3 - граница зубцов статора по кольцевому магнитопроводу, 4 - катушки статорной обмотки одного зубца, 5 - зубец ротора, 6 - ярмо ротора, 7 - вал, β - зубцовое деление ротора), буквами А-В-С указана принадлежность зубцов к соответствующим фазам. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны картины замыкания силовых линий магнитного потока варианта предлагаемой конструкции вентильно-индукторной машины (1, 7 - фрагменты зубца статора, 2, 6 - воздушный зазор, 3, 5 - зубцы ротора, 4 - ярмо ротора, 8 - ярмо зубца статора). На фиг. 4 показан вариант электрической машины заявляемой конструкции при раздельном выполнении зубцов магнитопровода статора. На фиг. 5 показан вариант исполнения предлагаемой конструкции электрической машины с уменьшенной толщиной кольцевого магнитопровода до величины, определяемой механической прочностью конструкции.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В двигательном режиме работы электрической машины в фазную обмотку подается напряжение, под действием которого протекает электрический ток, в результате чего возникает магнитное поле. Картина замыкания силовых линий магнитного поля показана на фиг. 2. Магнитный поток замыкается по пути «фрагмент зубца статора 1 - воздушный зазор 2 - зубец ротора 3 - ярмо ротора 4 - зубец ротора 5 - воздушный зазор 6 - фрагмент зубца статора 7 - ярмо зубца статора 8 - фрагмент зубца статора 1». При этом возникает электромагнитный момент, стремящийся повернуть ротор в направлении положения минимального магнитного сопротивления. Для устойчивого вращения ротора требуется поочередно возбуждать и снимать питание с фазных обмоток в зависимости от углового положения ротора. В генераторном режиме импульс тока подается в фазные обмотки, закрепленные на зубцах статора, относительно которых ротор находится в положении минимального магнитного сопротивления. Магнитный поток замыкается по пути, как и в двигательном режиме работы. Картина замыкания силовых линий магнитного поля показана на фиг. 3.

1. Вентильно-индукторная электрическая машина, состоящая из ротора в виде шихтованного зубчатого магнитопровода и статора, содержащего в пазах шихтованного зубчатого магнитопровода катушки обмотки, отличающаяся тем, что зубцы статора, принадлежащие одной фазе, разделены на активные зубцовые фрагменты с катушками с шагом зубцовых фрагментов, равным шагу зубцового деления ротора.

2. Вентильно-индукторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что магнитопровод статора выполнен в процессе изготовления с раздельными зубцами.