Индукторная электрическая машина

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в синхронных реактивных электрических двигателях и генераторах, применяемых в трансмиссиях самоходных машинах различного назначения. Техническим результатом является повышение КПД и снижение пульсаций крутящего момента индукторной электрической машины. Индукторная электрическая машина содержит безобмоточный ротор, зубчатый магнитопровод которого закреплен на валу с подшипниками, и статор с фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах. Фазные обмотки подключены к преобразователю, реализованному на основе симметричных мостовых или полумостовых транзисторных модулей, и соединены в треугольник, многоугольник или звезду через тиристоры, включенные последовательно в эти обмотки, или попарно объединены через эти тиристоры. Электрическая машина может быть выполнена без обмотки возбуждения и без постоянных магнитов в статоре, а также с обмоткой возбуждения и/или с постоянными магнитами в статоре. Тиристоры могут быть трехвыводными или двухвыводными, проводящими ток в одном или двух направлениях. Они размещены, в частности, внутри корпуса электрической машины вблизи лобовых частей катушек ее фазных обмоток. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к синхронным реактивным электрическим двигателям и генераторам, применяемым в электромеханических трансмиссиях автомобилей, строительно-дорожных машин, тракторов, сельскохозяйственных машин, вездеходов и других гусеничных и колесных самоходных машин.

Известен N-фазный вентильно-индукторный двигатель, содержащий зубчатый безобмоточный ротор и статор с явнополюсным сердечником и N-фазной обмоткой, которая выполнена в виде зубцовых катушек и соединена с электронным преобразователем, состоящим из N коммутаторов фазных обмоток, каждый из которых реализован по схеме несимметричного транзисторного моста (US 615079, Н02Р 1/46, 21.11.2000; RU 2089991, H02K 19/10, 10.09.1997; Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Изд-во МЭИ, 2003).

Применение в преобразователе коммутаторов, реализованных по несимметричной мостовой схеме, увеличивает суммарную мощность и цену этих преобразователей примерно в два раза по сравнению с симметричными мостовыми преобразователями (инверторами), которые широко используются для управления асинхронными и вентильными электродвигателями. Реализация несимметричных мостовых схем предопределяет также необходимость применения двух типов транзисторных модулей (модулей, в которых коллекторы транзисторов соединены с анодами диодов, и модулей, в которых эмиттеры транзисторов соединены с катодами диодов), что увеличивает номенклатуру комплектующих изделий, необходимых для реализации преобразователей, и ухудшает их ремонтопригодность.

Еще одним недостатком указанных вентильно-индукторных двигателей, по сравнению с асинхронными и вентильными двигателями, имеющими три вывода обмотки, является большое число выводов (6 выводов у трехфазного вентильно-индукторного двигателя, 8 выводов у четырехфазного и т.д.).

Наиболее близким к данному изобретению является индукторная электрическая машина, содержащая безобмоточный явнополюсный ротор и явнополюсный статор с сосредоточенными катушками, расположенными на его зубцах и образующими фазные обмотки, которые соединены в треугольник через диоды, включенные в эти обмотки последовательно согласованно. Фазные обмотки подключены к электронному силовому преобразователю, выполненному на основе симметричных полумостовых или мостовых транзисторных модулей (US 5703457, Н02Р 7/00, 30.12.1997; RU 2279173, H02K 19/36, Н02Р 6/16, 27.06.2006; RU 2352048, H02K 19/06, H02K 19/10, 10.04.2009; RU 2605957, B60L 11/02, B60W 10/08, B60K 17/12, H02P 8/00, 10.01.2017).

Недостатком этого технического решения является наличие в электрической машине паразитного замкнутого контура, который образован последовательно соединенными диодами и фазными обмотками. Токи, протекающие по этому контуру, приводят к увеличению потерь в фазных обмотках (в меди) и в магнитопроводах ротора и статора и, соответственно, к уменьшению КПД электрической машины.

При работе электрической машины в режиме электродвигателя токи паразитного контура создают тормозной момент, а при работе в режиме генератора - крутящий момент, что приводит к дополнительному ухудшению КПД, а также к увеличению пульсаций крутящего момента электрической машины.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение КПД индукторной электрической машины при одновременном снижении пульсаций ее крутящего момента.

В индукторной электрической машине, содержащей безобмоточный ротор, зубчатый магнитопровод которого закреплен на валу с подшипниками, и статор с фазными обмотками, которые выполнены в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах, и подключены к преобразователю, реализованному на основе симметричных мостовых или полумостовых транзисторных модулей, указанный технический результат достигается за счет того, что фазные обмотки через тиристоры, включенные последовательно в эти обмотки, соединены в треугольник, или многоугольник, или звезду, или попарно объединены через разнонаправленно включенные тиристоры.

Реализации отличительного признака изобретения - применение тиристоров, включенных последовательно в фазные обмотки, позволяет исключить протекание паразитных токов по замкнутым контурам этих обмоток, которые образуются при их соединении между собой с целью обеспечения возможности работы электрической машины совместно с мостовым преобразователем. Это приводит к снижению потерь в фазных обмотках (в меди) и в магнитопроводах ротора и статора, а также позволяет предотвратить возникновение паразитных тормозных и крутящих моментов при работе электрической машины, соответственно, в режиме электродвигателя или генератора. Поэтому реализация этого отличительного признака изобретения приводит к повышению КПД и снижению пульсаций крутящего момента индукторной электрической машины.

На фиг. 1 приведена упрощенная схема трехфазной индукторной электрической машины с мостовым преобразователем, выполненным на биполярных транзисторах или транзисторных модулях. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны возможные варианты реализации шестифазной электрической машины, работающей совместно с трехфазным мостовым преобразователем, в которой фазные обмотки соединены по схеме звезда и треугольник. На фиг. 4 - вариант четырехфазной электрической машины, работающей совместно с двумя мостовыми преобразователями. На фиг. 5 и фиг. 6 приведены временные диаграммы токов в обмотках трехфазной электрической машины (фиг. 1), поясняющие принцип ее работы.

Под индукторной электрической машиной в данном случае подразумевается синхронная электрическая машина (электродвигатель и/или генератор), у которой обмотки якоря и возбуждения расположены на статоре (могут быть совмещены), а безобмоточный ротор имеет ряд расположенных по окружности выступов-зубцов.

Такие электрические машины, не имеющие обмотки возбуждения и постоянных магнитов в статоре, в русскоязычной литературе именуются вентильно-индукторными, вентильно-реактивными, вентильными индукторными реактивными двигателями и генераторами (ВРД, ВИД, ВИРД, ВРГ, ВИГ), а в англоязычной литературе - электродвигателями или генераторами с переменным магнитным сопротивлением: «Switched Reluctance Motor» (SRM) или «Switched Reluctance Generator» (SRG).

Индукторная электрическая машина может быть также выполнена с постоянными магнитами в статоре без обмотки возбуждения - «Flux Switching Motor» (FSPM), с обмоткой возбуждения и постоянными магнитами в статоре (с гибридным возбуждением) - «Hybrid excitation flux switching motor» (HEFSM), «Hybryd Excitation Flux Switching Synchronous Machine» (HEFSSM) и т.д.

Она содержит ротор 1 и статор с фазными обмотками 2 (фиг. 1-4, фазы А, В, С, D, Е и F), выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах. Катушки, относящиеся к одной фазе, могут быть соединены между собой последовательно и/или параллельно.

Статор может содержать отдельную обмотку (обмотки) возбуждения и/или постоянные магниты. Эти магниты могут быть расположены, в частности, в средней части каждого зубца магнитопровода статора.

Ротор 1 выполнен безобмоточным и содержит датчик его положения 3, выполненный, в частности, в виде магнитного или оптического энкодера. Зубчатый магнитопровод ротора закреплен на его валу 4 с подшипниками, установленными в подшипниковых щитах.

Магнитопроводы (сердечники) статора и ротора 1 набраны из изолированных листов электротехнической стали.

Фазные обмотки 2 подключены к силовому электронному преобразователю 5, выполненному на основе симметричных мостовых или полумостовых транзисторных модулей.

Транзисторные модули могут быть реализованы на биполярных транзисторах (БТ), на биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ), именуемых согласно англоязычной терминологии - «Insulated Gate Bipolar Transistor» (IGBT), или на полевых транзисторах с изолированным затвором, для обозначения которых могут использоваться термины МОП (металл-окисел-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), а по англоязычной терминологии - MOS, MOSFET или МОСФЕТ (от сокращения словосочетаний: «Metal-Oxide-Semiconductor» (металл-окисел-полупроводник) и «Field-Effect-Transistors» (транзистор, управляемый электрическим полем) и их транскрипции.

На фиг. 1 в качестве примера показан трехфазный мостовой преобразователь, выполненный на биполярных транзисторах с антипараллельными диодами. Он может быть реализован в виде одного трехфазного мостового транзисторного модуля или трех транзисторных модулей, реализованных по схеме симметричного полумоста.

Под транзисторным модулем в данном изобретении подразумевается любое устройство, реализованное по полумостовой, однофазной мостовой или многофазной мостовой схеме и выполненное как в виде конструктивно законченного модуля в отдельном корпусе, так и на основе отдельных (дискретных) транзисторов и диодов, например, в корпусах типа ТО-220, ТО-247, ТО-3P и т.д.

Фазные обмотки 2 через последовательно включенные тиристоры 6 соединены в треугольник (фиг. 1, фиг. 2), многоугольник, звезду (фиг. 3) или попарно объединены через эти тиристоры (фиг. 4).

Под тиристором в данном случае подразумевается полупроводниковый прибор с тремя или более р-n переходами, рассматриваемый как электронный выключатель (ключ), имеющий два устойчивых состояния. Тиристор может иметь три электрических вывода - анод, катод и управляющий электрод. Возможно также применение двухвыводных тиристоров - динисторов, в которых переход в состояние высокой проводимости происходит в моменты времени, когда напряжение между его анодом и катодом превысит напряжение открывания.

В предложенном устройстве возможно применение тиристоров, проводящих ток как в одном направлении (например, тринисторов), так и в двух направлениях - симисторов (симметричных триодных тиристоров или триаков (от англ. TRIAC - «Triode for alternating current»)), симметричных динисторов и т.д.

Предпочтительным является применение трехвыводных тиристоров, проводящих ток в одном направлении, а также их размещение внутри корпуса электрической машины вблизи лобовых частей катушек, снаружи электрической машины на ее корпусе или на подшипниковом щите, что приводит к сокращению общей длины электрических соединений и, соответственно, к повышению КПД, мощности и крутящего момента электрической машины.

Преобразователь 5 работает под управлением контроллера 7, реализованного на основе микроконтроллера общего применения или цифрового сигнального процессора, специально предназначенного для управления электрическими машинами.

Контроллер 7 содержит гальванически развязанные драйверы транзисторов, входящих в состав транзисторных модулей преобразователя 5, и тиристоров 6. Эти драйверы в общем случае содержат усилители токов затворов (баз) транзисторов, гальванически развязанные источники питания вторичных цепей драйверов, а также аналоговые и логические элементы, предназначенные для реализации защиты транзисторов и тиристоров от перегрева и перегрузок по току и напряжению, обеспечения необходимых скоростей включения/выключения транзисторов (транзисторных модулей), диагностики их состояния и т.п. Драйверы тиристоров могут быть реализованы на основе тринисторных или симисторных оптопар.

В состав контроллера 7 входят также интерфейсные устройства, предназначенные для приема сигналов с датчика положения ротора 3, датчиков тока 8 в фазных обмотках 2, датчиков напряжения на этих обмотках, датчиков температуры фазных обмоток и т.д., а также для обмена информацией между контроллером и внешними устройствами. Этот обмен реализован с использованием аналоговых или цифровых сигналов по отдельным проводам или по цифровой мультиплексной линии связи, например, по шине CAN (Controller Area Network - сеть контроллеров). Возможно также применение проводных интерфейсов типа LIN (Local Interconnection Network), RS-485 (стандарт EIA/TIA) и т.д., а также беспроводных интерфейсов типа ZigBee (стандарт IEEE 802.15.4), Wi-Fi (стандарт IEEE 802.11), Bluetooth (стандарт IEEE 802.15.1) и т.п.

Преобразователь 5, рассматриваемый как отдельное устройство или совместно с контроллером 7, может именоваться силовым электронным преобразователем, инвертором, силовым коммутатором, электронным транзисторным коммутатором, блоком управления электрической машиной, силовым контроллером и т.д.

Электрическое питание преобразователя 5, контроллера 7 и индукторной электрической машины в целом при ее работе в режиме электродвигателя осуществляется по силовым шинам постоянного тока +U, -U. По этим же шинам осуществляется передача энергии в нагрузку при работе электрической машины в режиме генератора.

Для сглаживания пульсаций питающего напряжения электродвигателя и выходного напряжения генератора используется конденсатор 9, группа параллельно соединенных конденсаторов или аккумуляторная батарея.

При работе индукторной электрической машины в режиме электродвигателя электронный преобразователь (силовой коммутатор, инвертор и т.п.) 5, работающий под управлением контроллера 7, синхронно с положением вала 4 ротора 1, определяемым с помощью датчика положения ротора 3, поочередно подключает фазные обмотки 2 к источнику постоянного напряжения (к силовым шинам)+U, -U. Для этого осуществляется одновременное включение одного верхнего и одного нижнего транзисторов, относящихся к различным полумостам преобразователя. Одновременно контроллер 7 формирует импульсы управления тем тиристором 6, который должен находиться в проводящем состоянии во время работы данной фазы. В случае применения двухвыводных тиристоров (динисторов), напряжение их перехода в проводящее состояние (напряжение включения) выбирается меньше выходного напряжения преобразователя 5 (т.е. меньше, чем разность между минимальным напряжением на силовых шинах +U, -U и падением напряжения на транзисторах преобразователя), что приводит к автоматическому переходу динисторов в проводящее состояние после включения транзисторов преобразователя.

Ток, протекающий по обмоткам фазы А, В, С, D, Е или F, создает в магнитопроводах статора и ротора магнитный поток. В результате взаимного притяжения зубцов статора и ротора возникает крутящий момент, приводящий во вращение вал 4 индукторной электрической машины.

После поворота вала 4 ротора 1 на угол, соответствующий числу фаз и числу пар полюсов электрической машины, контроллер 7 осуществляет отключение транзисторов преобразователя, подающих напряжение на работающую фазу. Ток в ней начинает снижаться. Далее контроллер 7 формирует сигналы включения транзисторов и тиристора следующей фазы. По ней начинает протекать ток. В этот интервал времени ток в предыдущей фазе снижается до нуля, что приводит к выключению тиристора 6 этой фазы. Далее процессы повторяются, в результате чего осуществляется непрерывное вращение вала 4 ротора 1.

Кроме описанной симметричной коммутации фазных обмоток 2, в зависимости от числа фаз, количества зубцов ротора и статора, а также требований к пульсациям крутящего момента электрической машины, возможны также парная симметричная и несимметричная коммутация ее фазных обмоток.

Во время работы каждой фазы осуществляется импульсное (широтно-импульсное, частотно-импульсное, время-импульсное, двухпозиционное и т.п.) регулирование тока в ее обмотке. Измерение тока, необходимое для этого регулирования, осуществляется с помощью датчиков тока 8.

После отключения в преобразователе 5 одновременно двух транзисторов, через которые напряжение силовых шин подавалось на обмотку рабочей фазы, ток этой обмотки начинает протекать по антипараллельным диодам транзисторных модулей. В этом случае полярность напряжения на фазной обмотке меняется на противоположную, а его величина в первоначальный момент времени равна напряжению на силовых шинах. Это приводит к быстрому снижению тока в фазной обмотке.

Если в преобразователе 5 отключается только один транзистор, то ток в фазной обмотке замыкается через оставшийся включенным второй транзистор и антипараллельный диод. В этом случае напряжение на фазной обмотке близко к нулю, что приводит к медленному снижению этого тока.

Соответственно, путем регулирования моментов времени включения и отключения транзисторов в преобразователе 5 осуществляется регулирования тока в фазных обмотках и, соответственно, крутящего момента электрической машины. При этом при включении двух транзисторов одновременно формируется импульс включения соответствующего тиристора 6. Этот тиристор во время регулирования величины тока в фазной обмотке остается во включенном состоянии.

Внешний сигнал управления электрической машиной, поступающий, в частности, по шине CAN, может задавать, например, величину крутящего момента или скорости вращения ротора.

В первом случае контроллер 7 устанавливает величину тока в фазных обмотках 2, соответствующую заданной величине крутящего момента. Во втором случае контроллер 7 определяет скорость вращения вала ротора с помощью датчика положения ротора 3, сравнивает текущее значение этой скорости с заданной и осуществляет импульсное регулирование величины тока в фазных обмотках в зависимости от их рассогласования.

Одновременно контроллер 7 обеспечивает защиту преобразователя 5 и фазных обмоток 2 от аварийных режимов - от перегрева, превышения тока и т.д. При этом часть функций защиты может быть реализована аппаратно непосредственно в драйверах транзисторов и тиристоров, а часть функций - совместно драйверами и микроконтроллером (программно), на основе которого реализован контроллер 7.

При работе электрической машины в режиме генератора при вращающемся роторе 1 через транзисторы преобразователя 5 на фазные обмотки подаются импульсы возбуждения генератора путем подключения к этим обмоткам напряжения силовых шин +U, -U. Моменты подключения каждой из фазных обмоток и длительности интервалов времени, в течение которых осуществляется это подключение, определяются контроллером 7 в зависимости от положения и скорости вращения ротора, величины (сопротивления) электрической нагрузки и требуемой величины выходного напряжения генератора, которая задается, в частности, по шине CAN. После окончания каждого импульса возбуждения каждая фаза переходит в генераторный режим и ток поочередно от каждой фазной обмотки 2 через антипараллельные диоды транзисторных модулей, выполняющие функции силового выпрямителя, поступает на силовые шины шин +U, -U и далее на нагрузку.

На фиг. 5 и фиг. 6 приведены временные диаграммы токов в обмотках трехфазного индукторного электродвигателя (фиг. 1). На фиг. 5 - в случае установки последовательно в обмотки фаз диодов, на фиг. 6 - тиристоров.

Из этих временных диаграмм следует, что замена диодов на тиристоры позволяет исключить паразитные токи, возникающие в фазных обмотках перед включением следующей фазы. Это приводит к снижению потерь в обмотках и в магнитопроводах статора и ротора ориентировочно на 0,7…3%. Исключение токов паразитного контура позволяет также исключить соответствующий тормозной момент электрической машины при ее работе в режиме электродвигателя и крутящий момент при работе в режиме генератора. Благодаря этому достигается повышение КПД и снижение пульсаций крутящего момента электрической машины.

Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов индукторной электрической машины возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.

1. Индукторная электрическая машина, содержащая безобмоточный ротор, зубчатый магнитопровод которого закреплен на валу с подшипниками, и статор с фазными обмотками, выполненными в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах магнитопровода статора в его пазах, причем фазные обмотки подключены к преобразователю, выполненному на основе симметричных мостовых или полумостовых транзисторных модулей, и через тиристоры, включенные последовательно в эти обмотки, соединены в треугольник, или многоугольник, или звезду, или попарно объединены через эти тиристоры.

2. Индукторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена без отдельной обмотки возбуждения и без постоянных магнитов в статоре, или без отдельной обмотки возбуждения с постоянными магнитами в статоре, или с отдельной обмоткой возбуждения с постоянными магнитами в статоре, или с отдельной обмоткой возбуждения без постоянных магнитов в статоре.

3. Индукторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что тиристоры выполнены трехвыводными или двухвыводными, проводящими ток в одном или в двух направлениях.

4. Индукторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что тиристоры размещены внутри корпуса электрической машины около лобовых частей катушек, или на наружной поверхности корпуса, или на подшипниковом щите.