RU2571955C1

RU2571955C1 - Switched reluctance electrical machine

Info

Publication number: RU2571955C1
Application number: RU2014136517/07A
Authority: RU
Inventors: Александр Дмитриевич Петрушин; Дмитрий Александрович Петрушин; Максим Вячеславович Чавычалов
Original assignee: Александр Дмитриевич Петрушин; Дмитрий Александрович Петрушин; Максим Вячеславович Чавычалов
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2015-12-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: switched reluctance electrical machine comprises active toothed fragments with coils at the stator, at that pitch of these toothed garments is equal to the rotor slot pitch. The electrical machine comprises fragments (1) of the stator tooth, tooth yoke (2) boundary (3) of the stator teeth at ring-type magnetic circuit, coils (4) of stator winding for one tooth, the rotor tooth (5), the rotor yoke (6), shaft (7); β - slot pitch of the rotor, (A-B-C) - belonging of teeth to the respective phases.

EFFECT: improved efficiency of electromechanical conversion of energy in switched reluctance electrical machine due to reduced magnetic losses in the magnet circuit.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам вентильно-индукторного типа, и может быть использовано для приводных и генераторных установок, предусматривающих повышенные требования к эффективности электромеханического преобразования энергии.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to electric machines of a valve-inductor type, and can be used for drive and generator sets, providing increased requirements for the efficiency of electromechanical energy conversion.

Известна конструкция m-фазной реактивно-индукторной электрической машины, содержащей зубчатый статор, на зубцах которого расположены катушки статорной обмотки, и зубчатый ротор, не содержащий обмоток [Miller, T.J.E. Switched Reluctance Motor and Their Control. / T.J.E. Miller. - Magna Physics Publishing and Oxford University Press, 1993. - 198 p., см. фиг. 1.1, стр. 2.]. При этом катушки полюсов одной фазной обмотки располагаются через угловой интервал π/k, где k - число пар полюсов одной фазы.A known design of an m-phase reactive induction electric machine containing a gear stator, on the teeth of which are located stator winding coils, and a gear rotor without windings [Miller, T.J.E. Switched Reluctance Motor and Their Control. / T.J.E. Miller - Magna Physics Publishing and Oxford University Press, 1993. - 198 p., See Fig. 1.1, p. 2.]. In this case, the pole coils of one phase winding are located through the angular interval π / k, where k is the number of pole pairs of one phase.

В машинах такой конструкции возникают повышенные потери из-за большой длины силовых линий рабочего магнитного потока, замыкающихся по кольцевому сердечнику через полюсы одной из фаз, между которыми располагаются полюсы остальных фаз.In machines of this design, increased losses occur due to the large length of the lines of force of the working magnetic flux closing along the annular core through the poles of one of the phases, between which the poles of the other phases are located.

Также известна конструкция вентильного реактивно-индукторного двигателя [Патент RU 2068608], содержащая безобмоточный ротор с зубцами и статор, зубцы (полюса) которого охвачены катушками и размещены так, что образуется m-фазная магнитная система, в которой число зубцов на статоре Zc=k×2m выбирается кратным 2 m, число зубцов ротора Zp=Zc±k, где k=2, 3, 4, а катушки двух m-фазных сосредоточенных обмоток статора размещены на зубцах (полюсах) таким образом, чтобы все магнитодвижущие силы в одноименных фазах одной и той же обмотки были направлены одинаково или от статора к ротору, или от ротора к статору. Основной магнитный поток при такой конструкции возбужденного полюса замыкается через соседние зубцы статора, которые относятся к другим фазам.Also known is the design of a jet reactive induction motor [Patent RU 2068608], comprising a windingless rotor with teeth and a stator, the teeth (poles) of which are covered by coils and arranged so that an m-phase magnetic system is formed in which the number of teeth on the stator Zc = k × 2m is chosen as a multiple of 2 m, the number of teeth of the rotor is Zp = Zc ± k, where k = 2, 3, 4, and the coils of two m-phase concentrated stator windings are placed on the teeth (poles) so that all magnetomotive forces in the phases of the same name the same windings were directed the same way or about t of the stator to the rotor, or from the rotor to the stator. The main magnetic flux with this design of the excited pole is closed through adjacent teeth of the stator, which belong to other phases.

Недостатком такой конструкции является высокий уровень взаимоиндукции катушек разных фаз, что приводит к возникновению дополнительных тормозных моментов при вращении ротора и снижает эффективность электромеханического преобразования энергии.The disadvantage of this design is the high level of mutual induction of the coils of different phases, which leads to additional braking moments during rotation of the rotor and reduces the efficiency of electromechanical energy conversion.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция индукторного двигателя [Патент RU 2068608], состоящая из ротора в виде шихтованного зубчатого магнитопровода и статора, содержащего в пазах шихтованного зубчатого магнитопровода катушки обмотки. В пазах статора выполнены ферромагнитные выступы, которые позволяют уменьшить магнитную индукцию в наиболее напряженном в магнитном отношении участке ярма и, за счет этого, уменьшить потери мощности на перемагничивание магнитопровода статора.Closest to the claimed one is the design of an induction motor [Patent RU 2068608], consisting of a rotor in the form of a charged gear magnetic circuit and a stator containing in the grooves of a charged gear magnetic circuit of a winding coil. In the grooves of the stator, ferromagnetic protrusions are made, which make it possible to reduce magnetic induction in the most magnetically stressed portion of the yoke and, thereby, reduce power losses due to magnetization reversal of the stator magnetic circuit.

Такая конструкция хоть и позволяет уменьшить потери мощности на перемагничивание по отношению к выше приведенным аналогам, однако эти потери достаточно высоки из-за большой длины силовых линий рабочего магнитного потока замыкающихся по кольцевому сердечнику через полюсы одной из фаз.This design, although it can reduce the power loss for magnetization reversal in relation to the above analogues, however, these losses are quite high due to the large length of the lines of force of the working magnetic flux closing along the annular core through the poles of one of the phases.

Изобретением решается задача повышения эффективности электромеханического преобразования энергии в вентильно-индукторной электрической машине за счет снижения магнитных потерь в магнитопроводе.The invention solves the problem of increasing the efficiency of electromechanical energy conversion in a valve-inductor electric machine by reducing magnetic losses in the magnetic circuit.

Поставленная задача решается за счет того, что вентильно-индукторная электрическая машина, состоящая из ротора в виде шихтованного зубчатого магнитопровода и статора, содержащего в пазах шихтованного зубчатого магнитопровода катушки обмотки, отличается тем, что зубцы статора, принадлежащие одной фазе, разделены на активные зубцовые фрагменты с катушками с шагом зубцовых фрагментов, равным шагу зубцового деления ротора. При такой конструкции магнитопровода практически отсутствует индуктивная связь не только с соседними фазами, но и с катушками, расположенными на других зубцах одной и той же фазы. Магнитные силовые линии возбужденной фазы замыкаются через фрагменты одного зубца статора, а не по кольцевому магнитопроводу. При этом существенно уменьшается длина магнитных линий рабочего потока, снижаются магнитные потери, уменьшаются потоки рассеяния и повышается кратность изменения магнитной проводимости при согласованном и рассогласованном положении зубцов статора и ротора и, соответственно, увеличивается эффективность электромеханического преобразования энергии.The problem is solved due to the fact that the valve-inductor electric machine, consisting of a rotor in the form of a charged gear magnetic circuit and a stator, containing winding coils in the grooves of a charged gear magnetic circuit, is characterized in that the stator teeth belonging to one phase are divided into active tooth fragments with coils with a pitch of tooth fragments equal to the pitch of gear division of the rotor. With this design of the magnetic circuit, there is practically no inductive coupling not only with adjacent phases, but also with coils located on other teeth of the same phase. The magnetic lines of force of the excited phase are closed through fragments of one stator tooth, and not through an annular magnetic circuit. At the same time, the length of the magnetic lines of the working flow is significantly reduced, the magnetic losses are reduced, the scattering fluxes are reduced, and the magnitude of the change in the magnetic conductivity increases when the stator and rotor teeth are aligned and mismatched, and, accordingly, the efficiency of electromechanical energy conversion increases.

Поскольку в предлагаемой конструкции рабочий магнитный поток замыкается в пределах фрагментов одного зубца статора, магнитопровод статора может быть выполнен в процессе изготовления с раздельными зубцами, а в последующем собран в общем корпусе. При этом упрощается процедура штамповки и снижается количество отходов материала магнитопровода при производстве электрической машины. Предлагаемое решение может быть использовано при производстве электрических машин большой мощности (тяговые машины транспортных установок, генераторы электростанций и т.д.).Since in the proposed design the working magnetic flux is closed within fragments of one stator tooth, the stator magnetic circuit can be made with separate teeth during the manufacturing process, and subsequently assembled in a common housing. This simplifies the stamping procedure and reduces the amount of waste material of the magnetic circuit in the manufacture of an electric machine. The proposed solution can be used in the production of high-power electric machines (traction machines of transport units, power plant generators, etc.).

При производстве электрических машин заявляемой конструкции по критерию минимальной массы толщина кольцевого магнитопровода между зубцами статора может быть уменьшена и выбрана из соображений обеспечения механической прочности. Предлагаемое решение может быть использовано, например, при производстве электрических машин летательных аппаратов.In the manufacture of electrical machines of the claimed design according to the criterion of minimum weight, the thickness of the annular magnetic circuit between the teeth of the stator can be reduced and selected for reasons of ensuring mechanical strength. The proposed solution can be used, for example, in the manufacture of electric aircraft machines.

Предлагаемая конструкция электрической машины может быть исполнена в обращенном виде, когда неподвижный индуктор (статор) охвачен подвижной пассивной частью (ротор).The proposed design of the electric machine can be performed in a reversed form when the stationary inductor (stator) is covered by a movable passive part (rotor).

Изобретение поясняется фиг. 1 - 5. The invention is illustrated in FIG. fifteen.

Изобретение поясняется на примере электрической машины трехфазного исполнения следующей конфигурации: число зубцов ротора 14, число зубцов статора 6, число фрагментов зубца статора 2. На фиг. 1 показано поперечное сечение варианта электрической машины предлагаемой конструкции (1 - фрагменты зубца статора, 2 - ярмо зубца, 3 - граница зубцов статора по кольцевому магнитопроводу, 4 - катушки статорной обмотки одного зубца, 5 - зубец ротора, 6 - ярмо ротора, 7 - вал, β - зубцовое деление ротора), буквами А-В-С указана принадлежность зубцов к соответствующим фазам. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны картины замыкания силовых линий магнитного потока варианта предлагаемой конструкции вентильно-индукторной машины (1, 7 - фрагменты зубца статора, 2, 6 - воздушный зазор, 3, 5 - зубцы ротора, 4 - ярмо ротора, 8 - ярмо зубца статора). На фиг. 4 показан вариант электрической машины заявляемой конструкции при раздельном выполнении зубцов магнитопровода статора. На фиг. 5 показан вариант исполнения предлагаемой конструкции электрической машины с уменьшенной толщиной кольцевого магнитопровода до величины, определяемой механической прочностью конструкции.The invention is illustrated by the example of a three-phase electric machine of the following configuration: the number of teeth of the rotor 14, the number of teeth of the stator 6, the number of fragments of the tooth of the stator 2. In FIG. 1 shows a cross section of a variant of an electric machine of the proposed design (1 - fragments of a stator tooth, 2 - yoke of a tooth, 3 - border of stator teeth along an annular magnetic circuit, 4 - stator coil of one tooth, 5 - rotor tooth, 6 - rotor yoke, 7 - shaft, β is the tooth division of the rotor), the letters A-B-C indicate the belonging of the teeth to the corresponding phases. In FIG. 2 and FIG. Figure 3 shows the closure patterns of the magnetic flux lines of a variant of the proposed design of the valve-inductor machine (1, 7 — fragments of the stator tooth, 2, 6 — air gap, 3, 5 — rotor teeth, 4 — rotor yoke, 8 — stator tooth yoke). In FIG. 4 shows a variant of an electric machine of the claimed design with separate execution of the teeth of the stator magnetic circuit. In FIG. 5 shows an embodiment of the proposed design of an electric machine with a reduced thickness of the annular magnetic circuit to a value determined by the mechanical strength of the structure.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В двигательном режиме работы электрической машины в фазную обмотку подается напряжение, под действием которого протекает электрический ток, в результате чего возникает магнитное поле. Картина замыкания силовых линий магнитного поля показана на фиг. 2. Магнитный поток замыкается по пути «фрагмент зубца статора 1 - воздушный зазор 2 - зубец ротора 3 - ярмо ротора 4 - зубец ротора 5 - воздушный зазор 6 - фрагмент зубца статора 7 - ярмо зубца статора 8 - фрагмент зубца статора 1». При этом возникает электромагнитный момент, стремящийся повернуть ротор в направлении положения минимального магнитного сопротивления. Для устойчивого вращения ротора требуется поочередно возбуждать и снимать питание с фазных обмоток в зависимости от углового положения ротора. В генераторном режиме импульс тока подается в фазные обмотки, закрепленные на зубцах статора, относительно которых ротор находится в положении минимального магнитного сопротивления. Магнитный поток замыкается по пути, как и в двигательном режиме работы. Картина замыкания силовых линий магнитного поля показана на фиг. 3.The operation of the device is as follows. In the motor mode of operation of an electric machine, a voltage is applied to the phase winding, under the action of which an electric current flows, resulting in a magnetic field. The pattern of the closure of the magnetic field lines is shown in FIG. 2. The magnetic flux closes along the path "stator tooth fragment 1 - air gap 2 - rotor tooth 3 - rotor yoke 4 - rotor tooth 5 - air gap 6 - stator tooth fragment 7 - stator tooth yoke 8 - stator tooth fragment». In this case, an electromagnetic moment arises, tending to rotate the rotor in the direction of the position of the minimum magnetic resistance. For stable rotation of the rotor, it is required to alternately excite and remove power from the phase windings, depending on the angular position of the rotor. In the generator mode, a current pulse is supplied to the phase windings mounted on the stator teeth, relative to which the rotor is in the position of minimum magnetic resistance. Magnetic flux closes along the path, as in motor operation. The pattern of the closure of the magnetic field lines is shown in FIG. 3.

Claims

1. Valve-inductor electric machine, consisting of a rotor in the form of a charged gear magnetic circuit and a stator, containing winding coils in the grooves of a charged gear magnetic circuit, characterized in that the stator teeth belonging to one phase are divided into active tooth fragments with coils with pitch of tooth fragments equal to the pitch of the gear division of the rotor.

2. Valve-inductor electric machine according to claim 1, characterized in that the stator magnetic circuit is made in the manufacturing process with separate teeth.