RU2802788C1 - Two-phase synchronous switched reluctance electric machine - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates the design of synchronous reluctance motors and generators of the end (axial) type. A two-phase synchronous valve-reluctance electric machine comprises a rotor and a stator, consisting of two bearing shields. Bars of ferromagnetic material are installed in the grooves of the rotor disk made of non-magnetic material, which are the poles of the rotor. Each stator bearing shield comprises U-shaped ferromagnetic cores and one concentric coil common to all U-shaped cores of one shield, which is one of the phases. The number of U-shaped stator cores is equal to the number of slots in the rotor disk. The U-shaped cores of one shield are shifted relative to the U-shaped cores of another shield by 180 electrical degrees. The geometric shift between the U-shaped cores of one shield and another shield depends on the number of rotor slots (p) and is equal to α = 360/(2p).

EFFECT: providing high operational characteristics.

2 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к конструкции синхронных индукторных (вентильно-индукторных) двигателей и генераторов торцевого (аксиального) типа, и может быть использовано в электроприводах различного назначения и системах генерации электроэнергии. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to the design of synchronous inductor (switched-reluctance) motors and generators of the end (axial) type, and can be used in electric drives for various purposes and power generation systems.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известна индукторная машина с аксиальным магнитным потоком для жестких условий эксплуатации (Патент RU 2539572 опубл. 20.01.2015), которая содержит цилиндрический корпус, статор с обмоткой, безобмоточный ротор с внешним валом, имеющий «n» магнитных зубцов и дисковую пластину из немагнитного материала.An inductor machine with axial magnetic flux for harsh operating conditions is known from the prior art (Patent RU 2539572 published on January 20, 2015), which contains a cylindrical body, a stator with a winding, a winding-free rotor with an external shaft having “n” magnetic teeth and a disk plate made of non-magnetic material.

Известное техническое решение предназначено для жестких условий эксплуатации, поэтому обмотка статора изолируется от внешней среды. При этом из-за дисковой пластины из немагнитного материала увеличивается рабочий воздушный зазор, что приводит к ухудшению технических характеристик машины. Кроме того, однопакетная конструкция машины уступает двухпакетной по удельным показателям.The known technical solution is designed for harsh operating conditions, so the stator winding is isolated from the external environment. At the same time, due to the disk plate made of non-magnetic material, the working air gap increases, which leads to a deterioration in the technical characteristics of the machine. In addition, the single-package design of the machine is inferior to the two-package design in terms of specific indicators.

Известен мотор - генератор (Патент RU 2759797 опубл. 18.11.2021), который состоит из диска ротора из немагнитного материала с постоянными магнитами, полюсных наконечников и статора на подшипниковых щитах. Ротор имеет четное число постоянных магнитов, намагниченных по радиусу, с двумя полюсными наконечниками на каждом магните. Магниты имеют чередующуюся полярность. Число П-образных сердечников статора (р), установленных на каждом подшипниковом щите, в два раза меньше числа постоянных магнитов, число которых должно быть обязательно четным. В пазах П-образных сердечников статора установлены концентрические катушки, каждая из которых является фазой двухфазного мотор-генератора - на одном щите фаза U, а на другом, сдвинутая на 90 электрических градусов относительно первой фазы-фаза V.A known motor-generator (Patent RU 2759797 publ. November 18, 2021), which consists of a rotor disk made of non-magnetic material with permanent magnets, pole pieces and a stator on bearing shields. The rotor has an even number of permanent magnets magnetized along a radius, with two pole pieces on each magnet. Magnets have alternating polarity. The number of U-shaped stator cores (p) installed on each bearing shield is half the number of permanent magnets, the number of which must be even. Concentric coils are installed in the grooves of the U-shaped stator cores, each of which is a phase of a two-phase motor-generator - on one panel there is phase U, and on the other, phase V is shifted by 90 electrical degrees relative to the first phase.

Для реализации известного изобретения нужны постоянные магниты и требуется изготовление полюсных наконечников в количестве в два раза большем, чем количество постоянных магнитов, что приводит к существенному удорожанию изделия. Кроме того, для достижения требуемой индукции в магнитопроводах и рабочем зазоре требуется увеличение осевого размера постоянных магнитов, а значит и ротора в целом, что приводит к увеличению массы и момента инерции ротора, а также массы и габаритов изделия в целом.To implement the known invention, permanent magnets are needed and the production of pole pieces is required in an amount twice as large as the number of permanent magnets, which leads to a significant increase in the cost of the product. In addition, to achieve the required induction in the magnetic cores and the working gap, it is necessary to increase the axial size of the permanent magnets, and therefore the rotor as a whole, which leads to an increase in the mass and moment of inertia of the rotor, as well as the mass and dimensions of the product as a whole.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задачей заявляемого изобретения является разработка двухфазной синхронной вентильно-индукторной электрической машины, обладающей высокими эксплуатационными характеристиками.The objective of the claimed invention is to develop a two-phase synchronous switched-reluctance electric machine with high performance characteristics.

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение конструкции двухфазной синхронной вентильно-индукторной электрической машины, а также экономия активных материалов.The technical result of the claimed invention is to simplify the design of a two-phase synchronous switched-reluctance electric machine, as well as to save active materials.

Технический результат достигается тем, что в двухфазной синхронной вентильно-индукторной электрической машине, содержащей ротор, выполненный из немагнитного диска с пазами, по меньшей мере, один статор, состоящий из двух подшипниковых щитов, содержащих П-образные ферромагнитные сердечники и одну общую для всех П-образных сердечников каждого щита концентрическую катушку, расположенную в пазах П-образных сердечников, согласно предложенному решению, число П-образных сердечников на каждом подшипниковом щите равно числу пазов ротора, в которых установлены шихтованные бруски из ферромагнитного материала, являющиеся полюсами ротора, при этом П-образные сердечники одного щита сдвинуты относительно П-образных сердечников другого щита на 180 электрических градусов, а геометрический сдвиг между П-образными сердечниками одного щита и другого щита зависит от числа пазов ротора (р) и равен: α = 360/(2р).The technical result is achieved by the fact that in a two-phase synchronous switched reluctance electric machine containing a rotor made of a non-magnetic disk with grooves, at least one stator consisting of two bearing shields containing U-shaped ferromagnetic cores and one common for all P -shaped cores of each shield, a concentric coil located in the grooves of the U-shaped cores, according to the proposed solution, the number of U-shaped cores on each bearing shield is equal to the number of rotor grooves in which laminated bars of ferromagnetic material are installed, which are the poles of the rotor, while P The -shaped cores of one shield are shifted relative to the U-shaped cores of the other shield by 180 electrical degrees, and the geometric shift between the U-shaped cores of one shield and the other shield depends on the number of rotor slots (p) and is equal to: α = 360/(2p).

На полюсах ротора с одной и другой стороны могут быть выполнены радиальные скосы.Radial bevels can be made on the rotor poles on one and the other side.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

На фиг. 1 представлен общий вид двухфазной синхронной вентильно-индукторной электрической машины без корпуса, на фиг. 2 - ротор, на фиг. 3 - задний подшипниковый щит с П-образными сердечниками и одной фазой, на фиг. 4 показан скос на полюсах ротора.In fig. 1 shows a general view of a two-phase synchronous switched-reluctance electric machine without a housing; Fig. 2 - rotor, in Fig. 3 - rear bearing shield with U-shaped cores and one phase, in Fig. Figure 4 shows the bevel on the rotor poles.

Осуществление изобретения Carrying out the invention

Двухфазная синхронная вентильно-индукторная электрическая машина состоит из диска ротора 1 из немагнитного материала, в пазах которого установлены шихтованные бруски 2, статора на подшипниковых щитах 3, содержащих П-образные ферромагнитные сердечники 4. Число П-образных сердечников 4 статора, установленных на каждом подшипниковом щите 3 равно числу зубцов ротора 1, при этом число зубцов может быть как четным, так и нечетным. В пазах П-образных сердечников 4 статора установлены концентрические катушки 5. П-образные сердечники одного щита сдвинуты относительно П-образных сердечников другого щита на 180 электрических градусов. Геометрический сдвиг между П-образными сердечниками одного щита и другого щита (а) зависит от числа пазов ротора (р) и равен: α = 360/(2р).A two-phase synchronous switched-reluctance electric machine consists of a rotor disk 1 made of non-magnetic material, in the grooves of which laminated bars 2 are installed, a stator on bearing shields 3 containing U-shaped ferromagnetic cores 4. The number of U-shaped stator cores 4 installed on each bearing shield 3 is equal to the number of teeth of rotor 1, and the number of teeth can be either even or odd. Concentric coils 5 are installed in the grooves of the U-shaped stator cores 4. The U-shaped cores of one shield are shifted relative to the U-shaped cores of the other shield by 180 electrical degrees. The geometric shift between the U-shaped cores of one shield and another shield (a) depends on the number of rotor slots (p) and is equal to: α = 360/(2p).

Для возможности запуска данной машины в двигательном режиме в нужном направлении вращения полюса ротора должны быть выполнены с асимметрией, например, с одной и другой стороны могут быть выполнены радиальные скосы.To be able to start this machine in motor mode in the desired direction of rotation, the rotor poles must be made with asymmetry, for example, radial bevels can be made on one side and the other.

Работа устройстваDevice operation

Предлагаемая двухфазная синхронная вентильно-индукторная электрическая машина управляется от электронного коммутатора по датчику положения ротора 1. В двигательном режиме импульс напряжения от источника питания подается последовательно на обмотку фазы U, затем на обмотку фазы V, потом опять на обмотку фазы U и так далее. Направление вращения машины определяется асимметрией полюсов ротора. Полюса ротора будут притягиваться к П-образным сердечникам статора стороной с большей проводимостью (в нашем случае - стороной, где нет скоса).The proposed two-phase synchronous switched-reluctance electric machine is controlled from an electronic commutator using rotor position sensor 1. In motor mode, a voltage pulse from the power source is applied sequentially to the U phase winding, then to the V phase winding, then again to the U phase winding, and so on. The direction of rotation of the machine is determined by the asymmetry of the rotor poles. The rotor poles will be attracted to the U-shaped stator cores by the side with greater conductivity (in our case, the side where there is no bevel).

Однозначное направление вращения (левое или правое) достигается за счет радиального скоса на полюсах ротора 1 с одной и другой стороны, что обеспечивает магнитную асимметрию.An unambiguous direction of rotation (left or right) is achieved due to the radial bevel on the poles of the rotor 1 on one side and the other, which ensures magnetic asymmetry.

При использовании предлагаемого устройства в генераторном режиме устройство также управляется от электронного коммутатора по датчику положения ротора. В определенный момент подается импульс напряжения определенной длительности на одну из фаз, генератор возбуждается, под действием ЭДС через нагрузку и катушки фазы течет ток, создающий тормозной момент на валу генератора, затем включается другая фаза и так далее.When using the proposed device in generator mode, the device is also controlled from an electronic switch via a rotor position sensor. At a certain moment, a voltage pulse of a certain duration is applied to one of the phases, the generator is excited, under the influence of the EMF, a current flows through the load and phase coils, creating a braking torque on the generator shaft, then another phase is turned on, and so on.

Как и в двигательном режиме, непрерывное преобразование энергии достигается путем коммутации фаз в соответствии с показаниями датчика положения ротора.As in motor mode, continuous energy conversion is achieved by switching phases in accordance with the readings of the rotor position sensor.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения неизвестна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям.A comparative analysis of the claimed invention showed that the set of essential features of the claimed invention is unknown from the prior art, therefore, it meets the “novelty” patentability condition imposed on inventions.

Заявленная совокупность существенных признаков позволяет достигнуть неочевидных технических результатов, которые не были достигнуты известными техническими решениями на дату подачи настоящей заявки, поэтому заявленное изобретение соответствует условиям патентоспособности «изобретательский уровень».The declared set of essential features makes it possible to achieve non-obvious technical results that were not achieved by known technical solutions as of the filing date of this application, therefore the claimed invention meets the conditions of patentability “inventive step”.

Claims (2)

1. Двухфазная синхронная вентильно-индукторная электрическая машина, содержащая ротор, выполненный из немагнитного диска с пазами, по меньшей мере, один статор, состоящий из двух подшипниковых щитов, содержащих П-образные ферромагнитные сердечники и одну общую для всех П-образных сердечников каждого щита концентрическую катушку, расположенную в пазах П-образных сердечников, отличающаяся тем, что число П-образных сердечников на каждом подшипниковом щите равно числу пазов ротора, в которых установлены шихтованные бруски из ферромагнитного материала, являющиеся полюсами ротора, при этом П-образные сердечники одного щита сдвинуты относительно П-образных сердечников другого щита на 180 электрических градусов, а геометрический сдвиг между П-образными сердечниками одного щита и другого щита зависит от числа пазов ротора (р) и равен: α = 360/(2р).1. Two-phase synchronous switched-reluctance electric machine containing a rotor made of a non-magnetic disk with grooves, at least one stator consisting of two bearing shields containing U-shaped ferromagnetic cores and one common for all U-shaped cores of each shield a concentric coil located in the grooves of the U-shaped cores, characterized in that the number of U-shaped cores on each bearing shield is equal to the number of rotor slots in which laminated bars of ferromagnetic material are installed, which are the poles of the rotor, while the U-shaped cores of one shield are shifted relative to the U-shaped cores of the other shield by 180 electrical degrees, and the geometric shift between the U-shaped cores of one shield and the other shield depends on the number of rotor slots (p) and is equal to: α = 360/(2p). 2. Двухфазная синхронная вентильно-индукторная электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что на полюсах ротора с одной и другой стороны выполнены радиальные скосы.2. Two-phase synchronous switched-reluctance electric machine according to claim 1, characterized in that radial bevels are made on the rotor poles on one and the other side.