RU161994U1

RU161994U1 - GRADIENT MOTOR

Info

Publication number: RU161994U1
Application number: RU2015145835/07U
Authority: RU
Inventors: Иван Альбертович Вечеров; Марк Леонидович Ивлев; Евгений Николаевич Коптяев; Александр Владимирович Сажин
Original assignee: Евгений Николаевич Коптяев
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2016-05-20

Abstract

Синхронный реактивный электродвигатель, включающий в себя статор с пазами, уложенную в них многофазную концентрическую обмотку и безобмоточный ферромагнитный ротор с зубцами, отличающийся тем, что в каждой группе вложенных одна в другую катушек упомянутой концентрической обмотки чередуется полярность упомянутых катушек, образуя встречно-последовательное включение.A synchronous jet motor including a stator with slots, a multiphase concentric winding laid in them, and a winding winding ferromagnetic rotor with teeth, characterized in that in each group of coils embedded in the concentric winding, the polarity of the said coils alternates, forming an in-series connection.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области электротехники и может быть использовано в силовом электроприводе.The technical field to which the utility model belongs. The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in a power electric drive.

Уровень техники. Из уровня техники известен синхронный реактивный электродвигатель [патент РФ №2368993], имеющий в своем составе ротор и статор с многофазной обмоткой. Ротор выполняется из расположенных вдоль оси двигателя ферромагнитных пакетов с межпакетными промежутками, отделяющими пакеты один от другого. По крайней мере, в одном на полюсное деление промежутке между ферромагнитными пакетами, наиболее близко расположенными к продольной оси, размещен постоянный магнит, при этом ось намагничивания постоянного магнита совпадает с нормалью к поверхностям прилегающих к нему ферромагнитных пакетов. Размещение в межпакетных промежутках в окрестностях продольной оси постоянных магнитов предназначено для компенсации поперечного магнитного потока статора (и, как следствие, уменьшения проводимости по поперечной оси при сохранении проводимости по продольной оси на высоком уровне). При синусоидальном распределении магнитного потока максимум поперечного потока имеет место в сечении машины, совпадающем с продольной осью. Наибольшая эффективность достигается при размещении постоянных магнитов между ферромагнитными пакетами вблизи продольной оси ротора в районе наибольшей концентрации поперечного магнитного потока.The level of technology. The prior art synchronous jet motor [RF patent No. 2368993], comprising a rotor and a stator with a multiphase winding. The rotor is made of ferromagnetic packets located along the axis of the engine with inter-packet gaps separating the packets from one another. At least one gap between the ferromagnetic packets closest to the longitudinal axis is located at the pole division, a permanent magnet is placed, while the axis of magnetization of the permanent magnet coincides with the normal to the surfaces of the adjacent ferromagnetic packets. The placement of permanent magnets in the inter-packet spaces in the vicinity of the longitudinal axis is intended to compensate for the transverse magnetic flux of the stator (and, as a result, to reduce the conductivity along the transverse axis while maintaining the conductivity along the longitudinal axis at a high level). With a sinusoidal distribution of the magnetic flux, the maximum transverse flux occurs in the cross section of the machine, which coincides with the longitudinal axis. The greatest efficiency is achieved by placing permanent magnets between the ferromagnetic packets near the longitudinal axis of the rotor in the region of the highest concentration of the transverse magnetic flux.

К недостаткам такого решения можно отнести использование постоянных магнитов в конструкции ротора, что увеличивает себестоимость двигателя и снижает срок эксплуатации по причине непрерывного старения магнитов и ухудшения их параметров. Конструкция ротора подобной машины характеризуется сложностью, что приводит к удорожанию технологии изготовления и снижению надежности в аварийных режимах.The disadvantages of this solution include the use of permanent magnets in the design of the rotor, which increases the cost of the engine and reduces the life due to the continuous aging of the magnets and the deterioration of their parameters. The rotor design of such a machine is characterized by complexity, which leads to a rise in the cost of manufacturing technology and a decrease in reliability in emergency conditions.

Также из уровня техники известен синхронный реактивный электродвигатель обращенного исполнения [патент РФ №2016469], который имеет статор с парой катушек на магнитопроводах, имеющих наконечники которые попарно соединяются с магнитопроводами разных катушек. Статор размещается в полости зубчатого ротора. Полюса магнитопроводов разных катушек направлены встречно параллельно и размещены с чередованием по окружности радиального рабочего зазора четырехзубцового ротора с чередованием угловой протяженности зубцов 1:2 и впадин между зубцами 2:1 для повышения использования активного объема.Also known from the prior art is a reversed-response synchronous electric motor [RF patent No. 20166469], which has a stator with a pair of coils on magnetic circuits having tips that are connected in pairs with magnetic circuits of different coils. The stator is located in the cavity of the gear rotor. The poles of the magnetic circuits of different coils are directed counter-parallel and placed with alternating around the circumference of the radial working clearance of the four-pronged rotor with alternating angular length of the teeth 1: 2 and the depressions between the teeth 2: 1 to increase the use of active volume.

К недостаткам подобного решения можно отнести усложнение обращенной конструкции двигателя, что ведет к снижению его надежности и ресурса. Также недостатком является наличие малого числа включенных встречно катушек обмотки статора, что неизбежно ведет к ухудшению виброакустической характеристики двигателя, снижению плавности вращения ротора и увеличению уровня вибраций.The disadvantages of this solution include the complication of the inverted engine design, which leads to a decrease in its reliability and resource. Another disadvantage is the presence of a small number of counter-connected stator winding coils, which inevitably leads to a deterioration of the vibration-acoustic characteristics of the motor, a decrease in the smoothness of rotation of the rotor and an increase in the level of vibration.

Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.This technical solution is the closest prototype in its technical essence.

Раскрытие полезной модели. Из теории электрических машин известны различные варианты индукторных двигателей, в том числе синхронные реактивные двигатели с безобмоточным ротором. Их область применения обусловлена потребностью в источнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения классического синхронного двигателя, что делает этот двигатель весьма неэкономичным при средних мощностях, и требует наличия источника постоянного тока. Поэтому при малых и средних мощностях синхронные двигатели с возбуждением постоянным током не находят применения. В этом случае в устройствах автоматики и силового электропривода широко используют реактивные синхронные двигатели.Disclosure of a utility model. From the theory of electrical machines, various versions of induction motors are known, including synchronous jet engines with a windingless rotor. Their scope is due to the need for a direct current source to power the field winding of a classic synchronous motor, which makes this motor very uneconomical at medium power, and requires a direct current source. Therefore, at low and medium powers, DC synchronous motors are not used. In this case, synchronous motors are widely used in automation and power electric drive devices.

Ротор реактивного синхронного двигателя имеет явновыраженные полюсы. При очень малых мощностях ротор делают цилиндрическим из алюминия, в который при отливке закладываются стержни из мягкой стали, выполняющие функцию явновыраженных полюсов. В мощных реактивных двигателях (другое название - двигатели с переменным магнитным сопротивлением), ротор выполняется зубчатым с полыми пазами.The rotor of a jet synchronous motor has distinct poles. At very low powers, the rotor is made cylindrical of aluminum, into which, during casting, rods of mild steel are laid, which serve as distinct poles. In powerful jet engines (another name - engines with variable magnetic resistance), the rotor is gear with hollow grooves.

В реактивных синхронных двигателях вращающий момент создается вследствие стремления ротора ориентироваться в магнитном поле таким образом, чтобы магнитное сопротивление для этого поля было наименьшим. Поэтому ротор будет всегда занимать такое положение в пространстве, при котором магнитные линии вращающегося магнитного поля статора замкнутся через сталь ротора, так что ротор будет вращаться вместе с магнитным полем статора. Иными словами, намагниченный ротор стремится стать по направлению потока вращающегося поля. Ротор мощных реактивных двигателей выполнен из стали в виде цилиндра, на поверхности которого имеются зубцы (выступы).In jet synchronous motors, the torque is created due to the tendency of the rotor to orient itself in a magnetic field so that the magnetic resistance for this field is the smallest. Therefore, the rotor will always occupy a position in space in which the magnetic lines of the rotating magnetic field of the stator are closed through the steel of the rotor, so that the rotor will rotate with the magnetic field of the stator. In other words, a magnetized rotor tends to become in the direction of flow of a rotating field. The rotor of powerful jet engines is made of steel in the form of a cylinder, on the surface of which there are teeth (protrusions).

Вращающий момент в таком двигателе создается в результате того, что при увеличении магнитного потока магнитные линии, стремясь замкнуться по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, притягивают зубец ротора к полюсу. При уменьшении магнитного потока ротор по инерции подвигается далее и при последующем возрастании магнитного потока притягивается следующий зубец. Таким образом, вращающий момент синхронного двигателя не остается постоянным и направленным в одну сторону, а непрерывно пульсирует, что является причиной неравномерного, толчкообразного хода двигателя.The torque in such an engine is created as a result of the fact that when the magnetic flux increases, the magnetic lines, trying to close along the path with the least magnetic resistance, attract the rotor tooth to the pole. With a decrease in magnetic flux, the rotor moves further by inertia and, with a subsequent increase in magnetic flux, the next tooth is attracted. Thus, the torque of the synchronous motor does not remain constant and directed in one direction, but continuously pulsates, which causes an uneven, jerky motion of the motor.

Число зубцов ротора соответствует числу полюсов, при этом зубцы ротора определяют скорость его вращения. За один период изменения тока под полюсом проходит два зубца, что приводит к зависимости оборотов в функции от соотношения числа зубцов ротора.The number of teeth of the rotor corresponds to the number of poles, while the teeth of the rotor determine the speed of its rotation. For one period of change in current, two teeth pass under the pole, which leads to a dependence of the rotations in function of the ratio of the number of teeth of the rotor.

Пульсации момента являются одним из главных особенностей и недостатков синхронных реактивных двигателей. Пути их уменьшения лежат в механизме электромагнитного взаимодействия сердечников статора и ротора. Исследование природы электромагнитного момента и пондеромоторных сил, порождающих его, принято проводить с использованием численных методов моделирования магнитного поля и специальных расчетных моделей.Ripple torque is one of the main features and disadvantages of synchronous jet engines. Ways to reduce them lie in the mechanism of electromagnetic interaction of the stator and rotor cores. The study of the nature of the electromagnetic moment and the ponderomotive forces generating it is customary to be carried out using numerical methods for modeling the magnetic field and special calculation models.

В первом приближении, для оценки действия пондеромоторных сил можно использовать формулу силы Лоренца, действующей на ферромагнитные тела в магнитном поле: пондеромоторная сила действует на тело, втягивая его по направлению максимальной напряженности поля, прямо пропорционально градиенту квадрата индукции.In a first approximation, to evaluate the action of ponderomotive forces, you can use the formula of the Lorentz force acting on ferromagnetic bodies in a magnetic field: the ponderomotive force acts on the body, pulling it in the direction of the maximum field strength, in direct proportion to the gradient of the square of induction.

Данная зависимость является квадратичной, это означает, что с некоторых значений напряженности поля даже небольшое увеличение его будет приводить к весьма большому росту пондеромоторной силы, которая будет воздействовать на ферромагнитное тело.This dependence is quadratic, which means that from some values of the field strength even a slight increase in it will lead to a very large increase in the ponderomotive force, which will affect the ferromagnetic body.

Опытным путем было установлено, что среди многофазных обмоток машин переменного тока максимальный градиент поля дает концентрическая вложенная обмотка (фигура 1), которая является простой и наиболее распространенной среди электрических асинхронных двигателей. В ходе опытных работ на трансформаторе с вращающимся полем, являющимся аналогом асинхронной машины с заторможенным ротором, было установлено, что магнитный поток каждого полюса такой обмотки концентрируется в отдельно взятом зубце, с резким градиентом перехода с зубца на зубец. Также в ходе работ было обнаружено, что на заторможенный ротор трансформатора действует значительный вращающий момент. В полном соответствии с формулой силы Лоренца, наблюдалась нелинейная зависимость величины силы от значения амплитуды индукции в зубце.It was experimentally established that among multiphase windings of alternating current machines, the maximum field gradient gives a concentric nested winding (figure 1), which is the simplest and most common among electric induction motors. During experimental work on a transformer with a rotating field, which is an analog of an asynchronous machine with a locked rotor, it was found that the magnetic flux of each pole of such a winding is concentrated in a single tooth, with a sharp transition gradient from tooth to tooth. Also during the course of work, it was found that a significant torque is acting on the braked rotor of the transformer. In full accordance with the Lorentz force formula, a nonlinear dependence of the magnitude of the force on the value of the induction amplitude in the tooth was observed.

Осциллограмма, приведенная на фигуре 2, была снята с катушки, установленной на отдельно взятом зубце. Из нее следует, что концентрация магнитного поля в зубце, и создание градиента поля между зубцами носит локальный характер. Это означает, что сила, действующая на зубец, возникает на протяжении только меньшей части периода питающей сети. То есть эффективность такого решения как синхронного реактивного двигателя будет ограничена, а в случае использования концентрических обмоток с большой степенью вложенности катушек соотношение "эффективных" зубцов к их общему числу на роторе будет невелико.The waveform shown in figure 2 was taken from a coil mounted on a single tooth. It follows that the concentration of the magnetic field in the tooth, and the creation of a field gradient between the teeth is local in nature. This means that the force acting on the tooth arises during only a smaller part of the supply network period. That is, the effectiveness of such a solution as a synchronous jet engine will be limited, and in the case of using concentric windings with a large degree of nesting of the coils, the ratio of "effective" teeth to their total number on the rotor will be small.

Подобный двигатель, таким образом, можно назвать градиентным по принципу создания градиента магнитного поля, лежащего в его основе. Основная задача его оптимизации формулируется следующим образом: необходимо создать максимальный градиент магнитного поля, действующий на все зубцы ротора одновременно. В этом случае будет обеспечен максимальный вращающий момент - и наилучшие массогабаритные характеристики. Эту задачу реализует данное решение.Such an engine, therefore, can be called gradient based on the principle of creating a gradient of the magnetic field underlying it. The main task of its optimization is formulated as follows: it is necessary to create a maximum magnetic field gradient acting on all the teeth of the rotor simultaneously. In this case, maximum torque will be ensured - and the best weight and size characteristics. This task is implemented by this solution.

От синхронных реактивных двигателей, известных из теории электрических машин, его отличает использование классической распределенной многофазной обмотки, ротор с большим количеством зубцов и отсутствие зависимости эффекта залипания ротора от соотношения числа зубцов ротора и статора. В общем случае, наилучшей конфигурацией является равенство зубцов статора и ротора.It is distinguished from synchronous jet engines known from the theory of electric machines by the use of a classical distributed multiphase winding, a rotor with a large number of teeth and the absence of dependence of the sticking effect of the rotor on the ratio of the number of teeth of the rotor and stator. In general, the best configuration is the equality of the teeth of the stator and the rotor.

Как известно, магнитное поле является дипольным и имеет два полюса: северный и южный. В отличие от других полей - одноименные полюса магнитного поля имеют силовое действие друг на друга, отталкиваясь. Данное явление и используется в данном решении: чтобы увеличить градиент магнитного поля, и реализовать его в каждом зубце - необходимо использовать разнополярное (встречное) включение входящих в группу вложенных друг в друга катушек обмотки статора.As you know, the magnetic field is a dipole and has two poles: north and south. Unlike other fields - the same-named poles of a magnetic field have a force action on each other, repelling. This phenomenon is used in this solution: in order to increase the gradient of the magnetic field, and to realize it in each tooth, it is necessary to use the bipolar (counter) inclusion of the stator winding coils included in the group included in the group.

Для этого изменяется полярность включения каждой второй вложенной катушки на противоположную полярность. Как известно, концентрические обмотки могут иметь разную степень вложенности катушек, от 2 до 6 катушек в группе - в общем случае, полярность включения катушек необходимо чередовать через одну катушку в группе. Наглядно это изображено на фигуре 3, где стрелками наглядно изображено изменение полярности включения катушек по сравнению с фигурой 1.To do this, the polarity of the inclusion of each second nested coil is reversed by the opposite polarity. As you know, concentric windings can have varying degrees of nesting of coils, from 2 to 6 coils in a group - in general, the polarity of switching on coils must be alternated through one coil in a group. This is clearly shown in figure 3, where the arrows clearly show the change in the polarity of the inclusion of coils in comparison with figure 1.

Проведенное моделирование в специализированном программном пакете для электромагнитных расчетов показало изменение картины распределения поля, и концентрацию магнитного поля в каждом зубце магнитопровода статора. Возникающий при этом градиент магнитного поля максимален - чем достигается максимальный двигательный момент.The simulation in a specialized software package for electromagnetic calculations showed a change in the field distribution pattern, and the concentration of the magnetic field in each tooth of the stator magnetic circuit. The resulting magnetic field gradient is maximum - what is the maximum motor torque achieved.

Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:The inventive utility model is a new solution having the following fundamental differences from the prototype:

- для создания двигательного момента реализуется максимальный градиент индукции на всех зубцах ротора одновременно, что дает наибольший двигательный момент;- to create a motor moment, the maximum gradient of induction is realized on all the teeth of the rotor at the same time, which gives the greatest motor moment;

- вложенные одна в другую катушки в группах концентрической обмотки соединяются встречно-последовательно, что обеспечивает наибольший вращающий момент;- nested one into the other coils in the concentric winding groups are connected counter-in-series, which provides the greatest torque;

- отсутствует режим "залипания" ротора, поскольку создаваемый градиент поля создается особой обмоткой статора, а не за счет конструкции ротора.- there is no “sticking” mode of the rotor, since the created field gradient is created by a special stator winding, and not due to the design of the rotor.

Таким образом, совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - значительному повышению эксплуатационных качеств, а именно: достижение максимального вращающего момента, улучшения массогабаритных показателей.Thus, the set of essential features of the solution leads to a new technical result - a significant increase in performance, namely: achieving maximum torque, improving overall dimensions.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема взаимно-согласного включения катушек в группах концентрической обмотки с числом полюсов, равным шести. На фигуре 2 изображена осциллограмма ЭДС наводимой в катушке, установленной на зубце магнитопровода. На фигуре 3 изображена схема взаимно-встречного включения катушек в группах концентрической многофазной обмотки с числом полюсов, равным шести.A brief description of the drawings. The figure 1 shows a diagram of the mutually consonant inclusion of coils in groups of concentric winding with the number of poles equal to six. The figure 2 shows the waveform of the emf induced in the coil mounted on the tooth of the magnetic circuit. The figure 3 shows a diagram of the reciprocal inclusion of coils in groups of concentric multiphase windings with a number of poles equal to six.

Claims

A synchronous jet motor including a stator with slots, a multiphase concentric winding laid in them, and a winding winding ferromagnetic rotor with teeth, characterized in that in each group of coils embedded in the concentric winding, the polarity of the said coils alternates, forming an in-series connection.