RU2306657C1

RU2306657C1 - Electric machine

Info

Publication number: RU2306657C1
Application number: RU2005137249/09A
Authority: RU
Inventors: Георгий Михайлович Свиридов (RU); Георгий Михайлович Свиридов; Алексей Петрович Сеньков (RU); Алексей Петрович Сеньков
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-09-20
Also published as: RU2005137249A

Abstract

FIELD: electric engineering, in particular - electric machines and electric drive.

SUBSTANCE: in electric machine, containing a rotor made of magneto-conductive material with constant magnet, polarity of which is alternated in tangential direction, and a stator, magnetic duct of which is made of magneto-conductive rings and longitudinal closing packets, and its windings are made of circular sections, distributed in axial direction and positioned between two adjacent magneto-conductive rings, in accordance to invention, control winding is positioned, consisting of sections, which are interconnected in such a way, that magnetization force signs of these sections alternate in tangential direction.

EFFECT: ensured control of output voltage amplitude, reduced vibrations and acoustic noise of the machine, and also reduced hazard of ignition of the machine in case of short circuit in windings.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам и электроприводу.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to electric machines and electric drives.

Известна, например, многофазная индукторная электрическая машина (пат. РФ №2037940, опубл. в БИ №17, 1995), содержащая ротор из магнитопроводящего материала с зубцами на поверхности, проходящими в осевом направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих полос. Обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами. Недостатками аналога являются низкий выходной момент и мощность на выходном валу, большие масса и габариты.Known, for example, is a multiphase induction electric machine (US Pat. RF No. 2037940, published in BI No. 17, 1995), containing a rotor of a magnetically conductive material with teeth on the surface, passing in the axial direction, and a stator, in which the magnetic circuit is made of magnetic rings and longitudinal trailing stripes. The armature windings are made annular in the number of phases distributed in the axial direction and placed between two adjacent magnetically conducting rings. The disadvantages of the analogue are the low output torque and power on the output shaft, large mass and dimensions.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является электрическая машина (пат. РФ №2241298, опубл. в БИ №33, 2004), содержащая ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных пакетов. Обмотки якоря выполнены кольцевыми, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между соседними магнитопроводящими кольцами. Каждая фаза может состоять из одной или нескольких кольцевых секций с различными знаками намагничивающей силы. Полярность постоянных магнитов на роторе чередуется в тангенциальном направлении. Число зубцов на магнитопроводящих кольцах статора выполнено в два раза меньше числа полюсов ротора, и зубцы магнитопроводящих колец, между которыми размещены кольцевые секции одной и той же фазы, смещены на угол, равный угловой ширине полюса ротора. А угловое положение зубцов магнитопроводящих колец различных фаз отличается на угол 2π/m эл. рад, где m - число фаз.The closest analogue to the proposed technical solution is an electric machine (US Pat. RF No. 2241298, published in BI No. 33, 2004), containing a rotor of a magnetically conductive material with permanent magnets and a stator, in which the magnetic circuit is made of magnetically conducting rings and longitudinal packets. The armature windings are made circular, distributed in the axial direction and placed between adjacent magnetically conducting rings. Each phase may consist of one or more annular sections with different signs of magnetizing force. The polarity of the permanent magnets on the rotor alternates in a tangential direction. The number of teeth on the magnetically conducting rings of the stator is half as many as the number of poles of the rotor, and the teeth of the magnetically conducting rings between which the ring sections of the same phase are placed are shifted by an angle equal to the angular width of the rotor pole. And the angular position of the teeth of the magnetically conducting rings of different phases differs by an angle of 2π / m el. glad where m is the number of phases.

Однако указанная электрическая машина имеет ряд недостатков. В режиме генератора отсутствует возможность регулирования амплитуды выходного напряжения, не обеспечивается снижение вибрации и акустического шума машины, а также нет средств для уменьшения риска возгорания машины в случае короткого замыкания в обмотках. Задачей предлагаемого изобретения является создание электрической машины, в которой указанные недостатки устранены.However, this electric machine has several disadvantages. In generator mode, there is no way to control the amplitude of the output voltage, it does not provide a reduction in vibration and acoustic noise of the machine, and there is no means to reduce the risk of fire of the machine in the event of a short circuit in the windings. The objective of the invention is the creation of an electric machine in which these disadvantages are eliminated.

Это достигается тем, что у известной электрической машины, содержащей ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих пакетов, а его обмотки выполнены из кольцевых секций, распределенных в аксиальном направлении и размещенных между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, на продольных замыкающих пакетах магнитопровода статора размещена обмотка управления, состоящая из секций, которые соединены между собой таким образом, что знаки намагничивающей силы этих секций чередуются в тангенциальном направлении.This is achieved by the fact that in a known electric machine containing a rotor of a magnetically conductive material with permanent magnets, the polarity of which alternates in the tangential direction, and a stator, in which the magnetic circuit is made of magnetically conductive rings and longitudinal closure packets, and its windings are made of annular sections distributed in the axial direction and placed between two adjacent magnetically conducting rings, a control winding is placed on the longitudinal closing packages of the stator magnetic circuit, with toyaschaya of sections which are interconnected in such a way that the signs magnetizing force these sections alternate in the tangential direction.

Размещение на продольных замыкающих пакетах магнитопровода статора дополнительной обмотки управления с чередующимся в тангенциальном направлении знаком намагничивающей силы позволяет изменять степень насыщения продольных замыкающих пакетов магнитопровода статора и регулировать за счет этого магнитный поток, созданный постоянными магнитами ротора. От магнитного потока зависит э.д.с. в фазах статора и выходное напряжение генератора, следовательно обеспечивается возможность управления выходным напряжением электрической машины в генераторном режиме.Placing an additional control winding on the longitudinal closing packages of the stator magnetic circuit with a magnetizing force alternating in the tangential direction allows you to change the degree of saturation of the longitudinal closing packages of the stator magnetic circuit and thereby regulate the magnetic flux generated by the permanent rotor magnets. The emf depends on the magnetic flux in the phases of the stator and the output voltage of the generator, therefore, it is possible to control the output voltage of the electric machine in the generator mode.

Вибрация и акустический шум машины зависят от квадрата индукции магнитного поля в рабочем зазоре. При этом во многих электроприводах малые вибрация и акустический шум необходимы на частотах вращения значительно ниже номинальной частоты электрической машины. Наличие обмотки управления позволяет обеспечить снижение индукции магнитного поля в зазоре между ротором и статором путем увеличения тока в этой обмотке, что приводит к снижению вибрации и акустического шума электрической машины.Vibration and acoustic noise of the machine depend on the square of the magnetic field induction in the working gap. At the same time, in many electric drives, small vibration and acoustic noise are necessary at rotational speeds much lower than the rated frequency of the electric machine. The presence of the control winding allows to reduce the magnetic field induction in the gap between the rotor and the stator by increasing the current in this winding, which leads to a decrease in vibration and acoustic noise of the electric machine.

При коротком замыкании в обмотке статора машины на ходу при вращении ротора э.д.с. создает в обмотке статора токи короткого замыкания, намного превышающие номинальные, что может вызвать возгорание машины. Дополнительная обмотка управления за счет уменьшения магнитного потока дает возможность снизить э.д.с. и токи кроткого замыкания и уменьшает риск возгорания машины.With a short circuit in the stator winding of the machine on the go when the rotor rotates the emf creates short-circuit currents in the stator winding that are much higher than the rated ones, which can cause a machine fire. An additional control winding by reducing the magnetic flux makes it possible to reduce the emf. and short-circuit currents and reduces the risk of fire of the machine.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано осевое сечение предлагаемой электрической машины. На фиг.2 - диаметральное сечение машины А-А на фиг.1. На фиг.3 - диаметральное сечение машины В-В на фиг.1. На фиг.4 - диаметральное сечение машины С-С на фиг.1.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows an axial section of the proposed electric machine. Figure 2 is a diametrical section of the machine aa in figure 1. Figure 3 is a diametrical section of the machine BB in figure 1. Figure 4 is a diametrical section of the machine CC in figure 1.

В электрической машине (фиг.1) в корпусе 1 размещен стальной ротор 2, имеющий постоянные магниты 3, намагниченные в радиальном направлении. Полярность постоянных магнитов 3 на поверхности ротора 2 (фиг.1-4) чередуется по угловой координате. В приведенной для примера конструкции двигателя на роторе 2 размещены шесть постоянных магнитов 3. В корпусе 1 двигателя неподвижно установлен статор, в состав которого входят магнитопроводящие кольца 4, 5, 6, 7, 8 и 9, набранные из отдельных пластин. Между парами магнитопроводящих колец 4-5, 6-7, 8-9 установлены три кольцевые обмотки 10, 11 и 12, являющиеся фазами статора. В общем случае каждая фаза двигателя может состоять из нескольких кольцевых секций.In the electric machine (figure 1) in the housing 1 is placed a steel rotor 2 having permanent magnets 3 magnetized in the radial direction. The polarity of the permanent magnets 3 on the surface of the rotor 2 (Fig.1-4) alternates in angular coordinate. In the motor design shown for an example, six permanent magnets 3 are placed on the rotor 2. A stator is fixedly mounted in the motor housing 1, which includes magnetically conducting rings 4, 5, 6, 7, 8, and 9, assembled from separate plates. Between the pairs of magnetically conducting rings 4-5, 6-7, 8-9, three ring windings 10, 11 and 12 are installed, which are the phases of the stator. In the general case, each phase of the motor may consist of several ring sections.

Для замыкания магнитных потоков, проходящих через магнитопроводящие кольца 4 и 5, в корпусе 1 установлены продольные замыкающие пакеты 13 магнитопроводов, набранные из пластин и проходящие в аксиальном направлении. Аналогичные пакеты 14 магнитопроводов замыкают магнитные потоки, проходящие через магнитопроводящие кольца 6 и 7, а пакеты 15 магнитопроводов замыкают магнитные потоки, проходящие через магнитопроводящие кольца 8 и 9. На пакетах 13, 14 и 15 размещаются витки обмотки управления 16. При этом направление намотки обмотки управления 16 на пакеты 13 (14 и 15) чередуется в тангенциальном направлении.To close the magnetic flux passing through the magnetic rings 4 and 5, longitudinal closure packages 13 of the magnetic circuits, assembled from the plates and passing in the axial direction, are installed in the housing 1. Similar packages 14 magnetic circuits close the magnetic flux passing through the magnetic rings 6 and 7, and packages 15 magnetic circuits close the magnetic flux passing through the magnetic rings 8 and 9. On the packages 13, 14 and 15 are placed turns of the control winding 16. In this case, the direction of the winding of the winding control 16 on packets 13 (14 and 15) alternates in a tangential direction.

Электрическая машина работает следующим образом. В режиме генератора ротор 2 машины приводится во вращение первичным двигателем (например, дизелем). Вместе с ротором 2 вращается его магнитное поле, созданное постоянными магнитами 3. Магнитный поток, созданный ротором 2 и связанный с фазой 10, проходит в радиальном направлении из ротора 2 через воздушный зазор в зубцы магнитопроводящего кольца 4, в осевом направлении - по пакетам 13, снова в радиальном направлении - по магнитопроводящему кольцу 5 и через зубцы кольца 5 и зазор в ротор 2. При вращении ротора 2 магнитный поток изменяется по величине и направлению, создавая в фазе 10 синусоидальную э.д.с. В фазах 11 и 12 генератора также индуцируются синусоидальные э.д.с., но смещенные по времени на треть и две трети периода.The electric machine operates as follows. In generator mode, the rotor 2 of the machine is driven by a prime mover (e.g. diesel). Together with the rotor 2, its magnetic field rotates, created by the permanent magnets 3. The magnetic flux created by the rotor 2 and connected with phase 10 passes in the radial direction from the rotor 2 through the air gap into the teeth of the magnetically conducting ring 4, in the axial direction - through the packets 13, again in the radial direction — along the magnetically conducting ring 5 and through the teeth of the ring 5 and the gap in the rotor 2. When the rotor 2 rotates, the magnetic flux changes in magnitude and direction, creating a sinusoidal emf in phase 10. In phases 11 and 12 of the generator, sinusoidal emfs are also induced, but shifted in time by a third and two-thirds of the period.

Выходное напряжение генератора зависит от мощности и вида нагрузки. Стабилизация выходного напряжения генератора может быть обеспечена за счет регулирования э.д.с. Для этого в предлагаемой машине используется обмотка управления 16. При постоянном токе в обмотке 16 возникают управляющие магнитные потоки, проходящие в осевом направлении через пакеты 13, 14 и 15. На фиг.2-4 показаны управляющие магнитные потоки Ф, создаваемые обмоткой 16 в магнитопроводе первой фазы 10. Управляющие магнитные потоки, создаваемые обмоткой 16, проходят через пакеты 13 с чередующимся направлением при тангенциальном обходе, так как направление намотки обмотки 16 на пакетах 13, как было отмечено выше, чередуется, и замыкаются по магнитопроводящим кольцам 4 и 5. Поскольку зазоры между пакетами 13 и магнитопроводящими кольцами 4 и 5 минимальны, то небольшой намагничивающей силы обмотки управления 16 достаточно для изменения степени насыщения пакетов 13. Через пакеты 13 проходит также рабочий поток, созданный ротором 2, который индуцирует э.д.с. в обмотке 10. Очевидно, что рабочий поток, созданный ротором 2, при увеличении тока в обмотке управления 16 и повышении степени насыщения пакетов 13, будет уменьшаться, а значит, будет уменьшаться э.д.с. в обмотке 10 и выходное напряжение первой фазы. Аналогичным образом, ток обмотки управления 16 изменяет степень насыщения пакетов 14 и 15 и регулирует э.д.с. и напряжение второй 11 и третьей 12 фаз. Таким образом, с помощью дополнительной обмотки управления 16, размещенной на продольных замыкающих пакетах магнитопровода статора, осуществляется регулирование выходного напряжения машины.The output voltage of the generator depends on the power and type of load. Stabilization of the generator output voltage can be ensured by controlling the emf To do this, the proposed machine uses a control winding 16. With direct current in the winding 16, control magnetic fluxes occur, passing in the axial direction through the packets 13, 14 and 15. Figure 2-4 shows the control magnetic flux F created by the winding 16 in the magnetic circuit the first phase 10. The control magnetic flux generated by the winding 16 passes through the packets 13 with an alternating direction with a tangential bypass, since the direction of the winding of the winding 16 on the packets 13 alternates, and closes in a magneto to the leading rings 4 and 5. Since the gaps between the packets 13 and the magnetically conducting rings 4 and 5 are minimal, then a small magnetizing force of the control winding 16 is sufficient to change the degree of saturation of the packets 13. Through the packets 13 also passes a working stream created by the rotor 2, which induces e. d.s in the winding 10. It is obvious that the work flow created by the rotor 2, with increasing current in the control winding 16 and increasing the degree of saturation of the packets 13, will decrease, and therefore, the emf will decrease in the winding 10 and the output voltage of the first phase. Similarly, the current of the control winding 16 changes the saturation degree of packets 14 and 15 and adjusts the emf. and the voltage of the second 11 and third 12 phases. Thus, using an additional control winding 16 located on the longitudinal closing packets of the stator magnetic circuit, the output voltage of the machine is regulated.

Вибрация и акустический шум машины уменьшаются, если индукция магнитного поля в рабочем зазоре уменьшается. Уменьшением за счет увеличения тока в обмотке управления 16 рабочего магнитного потока и, следовательно, индукции магнитного поля в рабочем зазоре достигается уменьшение вибрации и акустического шума предлагаемой машины в режиме двигателя.Vibration and acoustic noise of the machine are reduced if the induction of the magnetic field in the working gap is reduced. By reducing due to the increase in current in the control winding 16 of the working magnetic flux and, therefore, the induction of the magnetic field in the working gap, a decrease in vibration and acoustic noise of the proposed machine in engine mode is achieved.

При возникновении короткого замыкания в обмотке электрической машины в генераторном или двигательном режиме при вращении ротора 2 по инерции магнитное поле ротора 2 индуцирует в обмотках 10, 11 и 12 э.д.с., которая создает ток короткого замыкания. Для предотвращения возгорания электрической машины необходимо уменьшить магнитный поток ротора 2, связанный с обмотками 10, 11 и 12 статора. В предлагаемой машине для этой цели используется обмотка управления 16. Ток обмотки 16 создает насыщение пакетов 13, 14 и 15 магнитопровода статора, в результате чего магнитный поток ротора 2, связанный с обмотками 10, 11 и 12 уменьшается, уменьшаются э.д.с. обмоток 10, 11 и 12 и токи короткого замыкания. Благодаря этому уменьшается опасность возгорания электрической машины при коротком замыкании.When a short circuit occurs in the winding of an electric machine in the generator or motor mode when the rotor 2 is rotated by inertia, the magnetic field of the rotor 2 induces an emf in the windings 10, 11 and 12, which creates a short circuit current. To prevent the ignition of an electric machine, it is necessary to reduce the magnetic flux of the rotor 2 associated with the stator windings 10, 11 and 12. In the proposed machine, a control winding is used for this purpose 16. The current of the winding 16 creates saturation of the packets 13, 14 and 15 of the stator magnetic circuit, as a result of which the magnetic flux of the rotor 2 associated with the windings 10, 11 and 12 decreases, the emf decreases. windings 10, 11 and 12 and short circuit currents. This reduces the risk of fire of an electric machine during a short circuit.

Таким образом, в предлагаемой электрической машине размещение на продольных пакетах магнитопровода статора обмотки управления дает возможность регулирования магнитных потоков и э.д.с. фаз. За счет этого обеспечивается управление выходным напряжением электрической машины в генераторном режиме, уменьшение вибрации и акустического шума машины, а также снижение токов фаз при коротком замыкании и уменьшение тем самым риска возгорания машины. В прототипе для управления выходным напряжением в режиме генератора, для снижения вибрации и акустического шума, а также уменьшения токов короткого замыкания никаких технических средств нет.Thus, in the proposed electric machine, the placement on the longitudinal packets of the stator magnetic circuit of the stator control winding makes it possible to control magnetic flux and emf phases. This ensures the control of the output voltage of the electric machine in the generator mode, the reduction of vibration and acoustic noise of the machine, as well as the reduction of phase currents during a short circuit and thereby reducing the risk of fire of the machine. In the prototype for controlling the output voltage in generator mode, to reduce vibration and acoustic noise, as well as reduce short circuit currents, there are no technical means.

Claims

Электрическая машина, содержащая ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих пакетов, а его обмотки выполнены из кольцевых секций, распределенных в аксиальном направлении и размещенных между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, отличающаяся тем, что на продольных замыкающих пакетах магнитопровода статора размещена обмотка управления, состоящая из секций, которые соединены между собой таким образом, что знаки намагничивающей силы этих секций чередуются в тангенциальном направлении.An electric machine containing a rotor of a magnetically conductive material with permanent magnets, the polarity of which alternates in the tangential direction, and a stator, in which the magnetic circuit is made of magnetically conducting rings and longitudinal closure packets, and its windings are made of annular sections distributed in the axial direction and placed between two adjacent magnetic conductive rings, characterized in that on the longitudinal closing packages of the stator magnetic circuit there is a control winding consisting of a section and which are interconnected in such a way that the signs of the magnetizing force of these sections alternate in the tangential direction.