RU2143777C1

RU2143777C1 - Contactless permanent-magnet machine

Info

Publication number: RU2143777C1
Application number: RU98118202/09A
Authority: RU
Inventors: Р.К. Евсеев; Л.М. Епифанова
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество Проектно-Производственно-Технологическая Фирма "ЭЛМА-Ко"
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 1999-12-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; contactless DC and AC generators and motors. SUBSTANCE: electrical machine has stator 1 whose Z teeth 2 carry m-phase winding 3 and rotor 5 with 2p alternating poles. According to invention, conductors of different phases are spaced apart; stator tooth number Z is multiple of phase number m; tooth number Z and rotor pole number 2p are chosen so as to ensure that difference between them is (l), where l is minimal integer number. In this case, m- phase winding having l coil groups in each phase is wound in alternating directions and stator teeth of one phase shifted through 180 deg/l are wound cumulatively when l is odd number and differentially when l is even number; phase shift α_m is found from expression α_m= π/m, where m = 2l; α_m= [3-(-1)m/2]•π/m at m = (2l + 1), where l = 1, 2 .... EFFECT: improved torque, reduced loss and mass of active materials, improved reliability, reduced static moment on shaft. 10 cl

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к бесконтактным электрическим машинам, и может быть использовано в автономном электрооборудовании в качестве источника постоянного или переменного тока (вентильные генераторы (ВГ) постоянного или переменного тока), а также в качестве электромеханической части вентильных двигателей (БД) постоянного или переменного тока. The invention relates to electrical engineering, namely to non-contact electric machines, and can be used in stand-alone electrical equipment as a source of direct or alternating current (valve generators (VG) of direct or alternating current), as well as as an electromechanical part of direct-drive valve motors (DB) or alternating current.

Известны вентильные машины (ВМ) бесконтактного исполнения [1, 2], достоинством которых являются улучшенные рабочие характеристики за счет определенного соотношения числа зубцов статора (z) и полюсов ротора (2p). Прототипом данного изделия служит бесколлекторный двигатель постоянного тока [2], к основным недостаткам которого относится сужение его функциональных возможностей (использование его только в режиме бесконтактного двигателя постоянного тока. Предлагаемое решение лишено указанных недостатков. Целью изобретения является повышение функциональных возможностей бесконтактной электрической машины за счет использования ее в режимах как генератора, так и двигателя при повышении удельных энергетических показателей ВМ, а именно увеличение удельного момента (ω_уд= M_н/G_дв) и снижение удельных потерь (P_уд= ΔP_Σ/M_н), что приведет в свою очередь к увеличению добротности BM d = M²/ΔP_ΣG_дв), влияющей на энергетические и динамические возможности ВМ (как в режиме двигателя, так и генератора постоянного или переменного тока).Known non-contact valve machines (VMs) [1, 2], the advantage of which are improved performance due to a certain ratio of the number of stator teeth (z) and rotor poles (2p). The prototype of this product is a brushless DC motor [2], the main disadvantages of which are the narrowing of its functionality (using it only in the mode of a contactless DC motor. The proposed solution is devoid of these drawbacks. The aim of the invention is to increase the functionality of a contactless electric machine by using it in the modes of both the generator and the engine with an increase in the specific energy indicators of the VM, namely, an increase in specific moment (ω _beats = M _n / G _dv ) and a decrease in specific losses (P _beats = ΔP _Σ / M _n ), which in turn will lead to an increase in the quality factor BM d = M ² / ΔP _Σ G _dv ), which affects the energy and the dynamic capabilities of the VM (both in engine mode and in a direct or alternating current generator).

Применение данной бесконтактной электрической машины (БЭМ) не только в режимах бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ) [2], но и как бесконтактного генератора (постоянного или переменного тока) в автономных системах электроснабжения значительно расширяет сферу применения бесконтактных машин данного класса. Так, ВГ с большим числом полюсов (2p) и числом фаз (m) могут формировать напряжения питания с малыми пульсациями. Это же относится к БД постоянного и переменного тока с малыми пульсациями действующего момента на валу машины. The use of this contactless electric machine (BEM) not only in the modes of a contactless direct current motor (BDTT) [2], but also as a contactless generator (direct or alternating current) in autonomous power supply systems significantly expands the scope of contactless machines of this class. So, SH with a large number of poles (2p) and the number of phases (m) can form supply voltages with small ripples. The same applies to direct and alternating current databases with small ripple current moment on the machine shaft.

Кроме того, предлагаемая бесконтактная электрическая машина имеет улучшенные условия теплоохлаждения обмоток якоря за счет того, что каждая катушка имеет хороший тепловой контакт с корпусом машины (имеет малое тепловое сопротивление), а также имеет малые удельные омические (основные греющие) потери за счет лучшего использования меди обмоток якоря (уменьшение длины среднего витка за счет уменьшения длины вылета лобовых частей обмоток), а также лучшее использование машины по удельной жесткости машины (коэффициенту демпфирования

что приводит к улучшению динамических параметров машины (уменьшению времени разгона в режиме двигателя), а также к увеличению жесткости нагрузочной характеристики (в режиме генератора), что упрощает схемную реализацию регуляторов напряжения в контуре управления выходным напряжением при изменении нагрузки на генератор.In addition, the proposed non-contact electric machine has improved heat cooling conditions for the armature windings due to the fact that each coil has good thermal contact with the machine body (has low thermal resistance) and also has low specific ohmic (main heating) losses due to the better use of copper armature windings (reducing the length of the middle turn by reducing the length of the protrusion of the frontal parts of the windings), as well as the best use of the machine in terms of the specific rigidity of the machine (damping coefficient

which leads to an improvement in the dynamic parameters of the machine (decrease in acceleration time in engine mode), as well as to an increase in the rigidity of the load characteristic (in generator mode), which simplifies the circuit implementation of voltage regulators in the output voltage control loop when the generator load changes.

Наиболее рациональным методом решения проблемы (улучшения рабочих характеристик ВМ) является электромагнитное редуцирование, достигаемое путем использования не только первой, но и более высоких гармонических составляющих кривой основного поля. The most rational method for solving the problem (improving VM performance) is electromagnetic reduction, achieved by using not only the first, but also higher harmonic components of the main field curve.

Бесконтактная электрическая машина (БЭМ) состоит из магнитопроводящего статора, выполненного с K-равномерно расположенными катушками обмотки якоря (при зубцовом варианте z = k), число которых кратно числу фаз (m) и ротора с 2p- чередующимися полюсами, отделенными от статора рабочим зазором, отличается тем, что обмотка статора намотана таким образом, что число катушек (К) отличается от числа полюсов ротора (2p) на величину /l/, где l - минимально возможное положительное число (K - 2p = /l/). A non-contact electric machine (BEM) consists of a magnetically conductive stator made with K-evenly spaced armature winding coils (with a tooth variant z = k), the number of which is a multiple of the number of phases (m) and the rotor with 2p alternating poles separated by a working gap from the stator , characterized in that the stator winding is wound in such a way that the number of coils (K) differs from the number of rotor poles (2p) by the value / l /, where l is the minimum possible positive number (K - 2p = / l /).

Каждая катушка статора представляет явновыраженный полюс (независимо от исполнения статора - зубцовый или беззубцовый вариант), а каждая фаза состоит из l - катушечных групп с чередующейся полярностью катушек (или за счет намотки катушек, или за счет подсоединения выводных концов катушек). Катушки одной фазы сдвинуты между собой на угол α_m, причем α_m= π/m при m четном, m = 2 l;

при m =(2l+1), где l=1,2...Each stator coil represents a pronounced pole (irrespective of the stator design, a tooth or toothless version), and each phase consists of l-coil groups with alternating polarity of the coils (either by winding the coils, or by connecting the output ends of the coils). The coils of one phase are shifted to each other by an angle α _m , with α _m = π / m for m even, m = 2 l;

for m = (2l + 1), where l = 1,2 ...

Описанные выше элементы конструкции БЭМ, характерными чертами которой является определенное соотношение катушек (K) и числа полюсов (2p), связанных определенным образом, и обмотка статора с определенным образом намотанными и подключенными катушками при фиксированном числе K и 2p, позволяют выполнить обмотки, различные по числу фаз, что также расширяет функциональные возможности БЭМ этого типа. The above-described elements of the BEM design, the characteristic features of which are a certain ratio of coils (K) and the number of poles (2p) connected in a certain way, and a stator winding with a certain way of wound and connected coils for a fixed number of K and 2p, allow windings, different in the number of phases, which also extends the functionality of this type of BEM.

Кроме улучшения удельных показателей (по моменту, потерям, массе активных материалов) данная БЭМ улучшает надежностные характеристики машины за счет разнесения проводников различных фаз между собой, а также уменьшается статический момент на валу машины за счет уменьшения реактивного момента (как за счет отказа от зубцов, так и за счет рационального выбора K и 2p). In addition to improving specific indicators (in terms of moment, loss, and weight of active materials), this BEM improves the reliability of the machine by spacing the conductors of various phases among themselves, and also reduces the static moment on the shaft of the machine by reducing the reactive moment (as due to the rejection of the teeth, and due to the rational choice of K and 2p).

Предлагаемая БЭМ может быть реализована в следующих конструктивных вариантах, представленных на фиг. 1 (а - з). The proposed BEM can be implemented in the following structural variants shown in FIG. 1 (a - h).

На фиг. 1 (а - з) обозначены статор 1, на зубцах 2 которого намотана m - фазная обмотка 3 и отделенный воздушным зазором 4 ротор 5 с зубцами 6, образующими 2p-полюсную систему. На фиг. 2 представлена схема двухфазной, а на фиг. 3 - схема трехфазной машины. Примеры, приведенные на фиг. 2, 3, демонстрируют одно из преимуществ данного изобретения, когда при неизменных параметрах статора и ротора (z = const, 2p = const) можно выполнить БЭМ с различным числом фаз (m). In FIG. 1 (a - h), stator 1 is indicated, on the teeth 2 of which an m - phase winding 3 is wound and a rotor 5 separated by an air gap 4 with teeth 6 forming a 2p-pole system. In FIG. 2 shows a two-phase circuit, and in FIG. 3 is a diagram of a three-phase machine. The examples shown in FIG. 2, 3, demonstrate one of the advantages of this invention when, with the stator and rotor parameters unchanged (z = const, 2p = const), BEM can be performed with a different number of phases (m).

Источники информации:
1 Патент RU N 2091969, H 02 K 29/00, 27.09.97.Sources of information:
1 Patent RU N 2091969, H 02 K 29/00, 09/27/97.

2 Заявка WO 91/18440, H 02 K 21/14. 2 Application WO 91/18440, H 02 K 21/14.

Claims

A non-contact electric machine containing a stator with z evenly spaced teeth, on which the m-phase winding is placed, and a rotor with 2p alternating poles, characterized in that the number of stator teeth z, which is a multiple of the number of phases m, and the number of poles of the rotor 2p are chosen so that the difference between them was ± l, where l is the minimum integer, and the m-phase winding representing the winding, each phase of which consists of l-coil groups is wound so that the winding directions on the stator teeth alternate within each coil group and so and the teeth of one phase, shifted by 180 ^o / l, was direction consonant when l is odd and a counter for even l, and the shift between phases α _m is defined as
α _m = π / m at m = 2l;

for m = (2l + 1),
where l = 1, 2 ...