[1]Изобретение относится к электротехнике, в частности к совмещенным электрическим машинам, обладающим свойствами магнитоэлектрических вентильных двигателей и магнитных редукторов.
[2]Из существующего уровня техники известен вентильный электродвигатель со встроенным механическим многоступенчатым редуктором с планетарной или фрикционной передачей [1]. В этом двигателе частота вращения привода может контролироваться с высокой степенью точности с помощью блока электроники и датчиков положения, размещенных на валах каждой ступени передачи и на валу ротора электродвигателя. Недостатком данного технического решения является то, что такое устройство совмещенной электрической машины недостаточно надежно из-за наличия трущихся элементов механических передач. Механические передачи также характеризуются высоким уровнем акустических шумов, подвержены износу, перегреву, повреждениям при перегрузке, а также требуют периодической смазки.
[3]Прогресс в области технологии магнитной передачи привел к развитию нового класса электрических машин: магнитно-редукторных машин. У магнитных редукторов указанные выше недостатки, присущие механическим редукторам, практически отсутствуют. Эти машины включают в себя магнитный механизм, интегрированный в машину с постоянными магнитами почти в тех же габаритах. Возможность такой интеграции продиктована тем, что плотность электромагнитного момента у магнитного редуктора примерно в 10 раз выше, чем у вентильного двигателя с постоянными магнитами. У магнитного редуктора она может достигать значений более 100 кНм/м3 [2], в то время, как у магнитоэлектрического вентильного двигателя плотность электромагнитного момента составляет около 10 кНм/м3 [3, 4].
[4]Электрическая машина со встроенным магнитным редуктором, которую можно рассматривать в качестве аналога по отношению к предлагаемому техническому решению, обсуждается в статье «Improved Motor Integrated Permanent Magnet Gear for Traction Applications)) [5]. В этой совмещенной электрической машине частотно управляемый синхронный двигатель с трехфазной малополюсной обмоткой приводит во вращение быстроходный вал встроенного магнитного редуктора. Магнитное поле здесь создается высокоэнергетическими постоянными магнитами, что сильно удорожает саму по себе весьма сложную конструкцию.
[5]Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является вентильный двигатель со встроенным магнитным редуктором, содержащим малополюсную трехфазную обмотку статора с числом пар полюсов р1, модулятор с числом ферромагнитных шихтованных стержней Z, внутренний шихтованный сердечник, на поверхности которого расположены многополюсные постоянные магниты с числом пар полюсов Z2=Z-p1 [6]. Недостатками данного технического решения являются высокая стоимость высокоэнергетических постоянных магнитов и сложная конструкция многополюсного ротора с уложенными в глубокие радиальные пазы тангенциально намагниченными магнитами с целью уменьшения потока рассеяния.
[6]Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение являются:
[7]- удешевление тихоходного вентильного двигателя за счет отказа от использования высокоэнергетических постоянных магнитов и упрощение конструкции ротора;
[8]- возможность кратковременной форсировки электромагнитного момента на валу двигателя за счет непродолжительного увеличения тока в катушках, возбуждающих магнитное поле ротора.
[9]Данная задача решается за счет того, что заявленный тихоходный вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором, содержащий трехфазную малополюсную обмотку на неподвижном статоре с числом пар полюсов р1 от 1 до 3, обмотку возбуждения постоянного тока на подшипниковом щите, модулятор с числом ферромагнитных стержней Z, ротор с шихтованным сердечником, на наружной поверхности которого расположены Z2=Z-р1 открытых зубцов, отличающийся тем, что вращающийся ротор выполнен без постоянных магнитов и имеет выходной вал, модулятор закреплен неподвижно.
[10]Вторым вариантом реализации конструкции заявленного тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором может быть устройство, в котором ротор без постоянных магнитов закреплен неподвижно, а выходной вал соединен с вращающимся модулятором.
[11]Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:
[12]- существенное удешевление тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором и упрощение конструкции ротора за счет отказа от высокоэнергетических постоянных магнитов;
[13]- возможность кратковременной форсировки электромагнитного момента на валу заявляемого двигателя за счет непродолжительного увеличения тока в катушках, возбуждающих магнитное поле ротора.
[14]Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где изображены
[15]продольный и поперечный разрезы конструкции заявляемого вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором.
[16]Тихоходный вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором имеет расположенную на подшипниковом щите обмотку возбуждения (1), обтекаемую постоянным током и являющуюся одним из источников магнитного поля; статор (3) с трехфазной малополюсной обмоткой (2), имеющей от одной до трех пар полюсов р1, которая подключается к преобразователю частоты (ПЧ) с регулируемой угловой частотой тока со; модулятор (5) с числом ферромагнитных стержней Z; ротор с шихтованным сердечником (6), на наружной поверхности которого расположены Z2=Z открытых зубцов. Обмотка возбуждения (1) создает униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковый щит, корпус двигателя (4) и вал ротора (7).
[17]Заявляемый магнитоэлектрический двигатель является вентильным, поскольку питание обмотки статора осуществляется от статического преобразователя частоты (ПЧ), режим работы ключей которого синхронизирован с угловым положением ротора с помощью датчика положения ротора (ДПР). Благодаря ДПР основная гармоника тока статора будет всегда в противофазе с ЭДС холостого хода обмотки статора, что является одной из основных особенностей работы вентильного двигателя. В качестве ДПР для вентильных двигателей часто применяется поворотный трансформатор (резольвер).
[18]Работает тихоходный вентильный двигатель индукторного типа со встроенным магнитным редуктором следующим образом.
[19]Собственно магнитный редуктор составляют совокупность статора со своей обмоткой, модулятора и ротора. Статорная обмотка при частоте питающего напряжения 50 Гц создает трехфазное поле, вращающееся со скоростью n=3000/p об/мин. Модулятор своими сегментами, выполненными из магнитомягкого материала, осуществляет модуляцию магнитного поля в воздушных зазорах: магнитное поле, создаваемое статором, изменит свой гармонический состав. Число сегментов в модуляторе д.б. таким, чтобы в гармоническом составе этого магнитного поля появилась пространственная гармоника с числом пар полюсов ротора. Аналогично, магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения проходя через ротор, будет модулироваться с образованием пространственных гармоник с числом пар полюсов статора. Обмотка возбуждения создает униполярный магнитный поток, замыкающийся через подшипниковый щит, корпус двигателя и вал ротора.
[20]Для обеспечения работы магнитного редуктора необходимо, чтобы число сегментов в модуляторе Z было равно
[21]
[22]где р1 - число пар полюсов статора, Z2 - число пар полюсов ротора.
[23]Причем, разность Z-Z2, т.е. число пар полюсов р1 не должна быть большой.
[24]Для магнитного редуктора с трехфазной обмоткой на статоре справедливо соотношение [7]:
[25]
[26]где Ω1, Ω2 - скорости вращения в рад/с соответственно модулятора и ротора; ω - угловая частота тока обмотки статора.
[27]Возможны два варианта конструкции заявляемого тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором.
[28]Вариант 1. Модулятор жестко закреплен неподвижно (Ω1=0), выходной вал сочленен с вращающимся сердечником ротора, имеющим Z2открытых зубцов и скорость вращения которого в соответствии с выражением (1) будет равна:
[29]
[30]Вариант 2. Ротор жестко закреплен неподвижно (Ω2=0), выходной вал сочленен с вращающимся модулятором, скорость вращения Ω1 которого в соответствии с формулой (1) будет равна:
[31]
[32]Ввиду принципиально малого различия чисел Z и Z2 (Z≈Z2) скорости вращения выходных валов в обоих вариантах конструкции заявляемого тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором, см. (2) и (3), будут близки друг к другу, отличаясь знаками. При этом формулы (2) и (3) показывают, что заявляемое устройство является тихоходным вентильным двигателем.
[33]В качестве примера примем число пар полюсов трехфазной обмотки статора p1=3, число стержней модулятора Z=19, тогда число зубцов ротора Z2 в соответствии с (1) равно:
[34]
[35]При выходной частоте преобразователя частоты 
Гц будем иметь при неподвижном модуляторе из (2) скорость вращения ротора - выходного вала двигателя:
[36]
[37]Расчеты [7] показывают, что при одинаковых габаритах и магнитных индукциях в воздушном зазоре заявляемый вентильный двигатель будет иметь электромагнитный момент, незначительно, примерно на 25%, уступающий аналогичному двигателю с постоянными магнитами.
[38]Поскольку униполярный магнитный поток создается обмоткой возбуждения, имеется возможность форсировать режим работы заявляемого тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором, кратковременно увеличив ток в указанной обмотке. Время, на которое можно форсировать режим, определяется величиной тока и условиями охлаждения обмотки возбуждения.
[39]Таким образом, возможность кратковременно форсировать режим работы заявляемого тихоходного вентильного двигателя индукторного типа со встроенным магнитным редуктором несколько расширяются. Это можно сделать, как увеличив ток в статорной обмотке, так и увеличив ток в обмотке возбуждения постоянного тока. В двигателе с постоянными магнитами возможности форсировать момент можно только увеличив ток статора.
[41]1. Пат. 2027283 РФ, МПК Н02K 7/116. Электродвигатель со встроенным редуктором / Хейкки Тапани Койвикко. - 4742437/07; заявлено 10.11.1989; опубл. 20.01.1995.
[42]2. Rens, J.A novel high-performance magnetic gear / J. Rens, K. Atallah, D. Howe, S. Calverley // IEEE Transactions on Magnetics. - 2001. - T. 37, №4. - C. 2844.
[43]3. Torque Density of PM motors Developed under Government Programs [Электронный ресурс]: отчет о НИР: Report 06-08 / Precision Magnetics Inc.; Dantam K.R. - 2008. - 7 c. - Режим доступа: https://ru.scribd.com/document/87569175/Torque-Densitv-of-PM-Motors.
[44]4. A new PM Machine topology for low-speed, high-torque drives / K. Atallah [и др.] // Proceedings of the 2008 International
[45]5. T.V. Frandsen, P.O. Rasmussen, K.K. Jensen. "Improved Motor Integrated Permanent Magnet Gear for Traction Applications", ECCE 2012, pp.3332-3339.Conference on Electrical Machines. - 2008. - 4 c.
[46]6. Пат. 2704239 РФ, МПК H02K 19/06. Магнитоэлектрический вентильный электродвигатель со встроенным магнитным редуктором (варианты) / Афанасьев А.А., Токмаков Д.А., Романов Р.А., заявлено 22.05.2019; опубл. 25.10.2019. Бюл. №30.
[47]7. Афанасьев А.А. Аналитические и численные методы решения задач электромеханики на основе комплексного магнитного потенциала. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2017. - 430 с.
