RU2700179C9 - Электрическая машина - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – улучшение рабочих характеристик и КПД машины. Электрическая машина содержит статор с зубчатым магнитопроводом, выполненный из магнитомягкого материала, c N зубцами и f-фазную 2p-полюсную распределённую обмотку, в котором

, где q≥1 и представляет собой рациональное число, f≥3. Ротор содержит зубчатый магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала. Многополюсная магнитная система выполнена из магнитотвёрдого материала, зафиксирована на магнитопроводе статора и намагничена так, что на каждом зубце статора имеется одинаковое четное число 2m чередующихся разноимённых полюсов. Число зубцов ротора R=Nm±p. Угловая ширина зубца ротора на участке, отходящем от зазора в радиальном направлении на расстояние, равное сумме толщины магнитной системы в радиальном направлении и ширины зазора, достигает 20% и не достигает 30% зубцового деления ротора. Сумма ширины зазора и толщины магнитной системы в радиальном направлении не превышает 20% длины дуги, соответствующей его зубцовому делению, обращённой к зазору окружности ротора, а угловой размер шлица паза статора составляет не более

. 16 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к электрическим машинам, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами на статоре.

Уровень техники

В настоящее время электрические машины находят широкое применение в различных областях промышленности, например в качестве приводов вентиляторов, компрессоров, насосов, гибридных- и электроавтомобилей, станков и т.п. Также электрические машины широко применяются в генераторных установках (ветрогенераторы, дизельные генераторы, бензогенераторы и газовые генераторы) и стартер-генераторах.

Из US6853110 известна однофазная машина переменного потока, содержащая статор со встроенной обмоткой, на зубцах которого зафиксированы магниты, имеющие равное количество чередующихся северных и южных полюсов, и ротор, расположенный внутри по отношению к статору и магнитам.

Из RU 2524144 известна однофазная машина переменного потока, в которой количество зубцов на статоре равно двум, количество магнитных полюсов на каждом зубце статора равно четырем, а соседние полюса, относящиеся к разным зубцам магнитопровода статора, являются одноименными, и количество зубцов ротора вдвое меньше количества полюсов на всех зубцах магнитопровода статора. Машина обладает высоким КПД и удельными характеристиками, однако, как и все однофазные машины, она обладает повышенными пульсациями момента, вибрациями и акустическим шумом.

Кроме того, из статьи «Улучшение удельной мощности трехфазной машины с переменным потоком с распределенной обмоткой» («Power density improvement of three phase flux reversal machine with distributed winding») под авторством D.S. More и B.G. Fernandes, опубликованной в журнале IET Electric Power Applications в 2009 г, известна трехфазная машина переменного потока с распределенной обмоткой в которой:

• Статор содержит магнитопровод с 12 зубцами и распределенную обмотку с четырьмя полюсами, где число пар полюсов обмотки статора p=2, при этом число q=1, где q представляет собой отношение числа зубцов к произведению числа фаз на число полюсов.

• На каждом зубце статора расположено по два магнита примерно равного размера, причем соседние магниты, расположенные на одном зубце, намагничены противоположно.

• Между зубцами статора располагаются пазы, шлицы которых приблизительно равны ширине магнита.

• Соседние магниты, расположенные на соседних зубцах статора, намагничены одинаково.

В этой машине число зубцов статора равно 12, число магнитов на статоре равно 24, а число зубцов ротора равно 16. Поверхность зубцов статора, обращенная к зазору, занимает примерно 2/3 (66,7%) всей поверхности статора, обращенной к зазору, а 1/3 (33,3%) этой поверхности не используется (шлицы пазов). Недостатками такой конструкции являются:

• Низкий КПД и удельная мощность вследствие широкого шлица паза, примерно 1/3 (33,3 %) поверхности статора, обращенной к зазору, не используется (шлицы пазов).

• Сложный гармонический состав магнитодвижущей силы (МДС) магнитов вследствие нарушения периодичности их чередования большим шлицем паза и наличие в МДС дополнительных нежелательных гармоник. Из-за этого возникают большие пульсации момента, акустический шум, вибрации и большой момент страгивания.

Кроме того, из статьи «Различные конфигурации электрических машин с магнитами на зубцах статора» под авторством В.А. Дмитриевского и В.А. Прахта, опубликованной в «Журнале научных публикаций аспирантов и докторантов» в 2011 г. известны машины переменного потока с рассредоточенными (распределенными) катушками (обмотками) и числом зубцов ротора в периоде машины на единицу больше или меньше числа пар магнитов (полюсов) одинаковой намагниченности. В том числе рассматриваются трехфазные машины с соседними магнитами, расположенными на соседних зубцах статора, намагниченными противоположно. Данные рекомендации позволяют при целом числе q практически полностью использовать поверхность статора, что повышает КПД и удельную мощность. Отсутствие провалов магнитного поля уменьшает пульсации момента и момент страгивания. Пример такой машины со значением q=1 из данной работы показан на фиг. 1а. Пример такой машины со значением q=3, изображенный на фиг. 1б, исследовался в работе «A Comparative Analysis of Permanent Magnet Flux Reversal Generators with Distributed and Concentrated Winding») под авторством M. Ghasemian и F. Tahami, опубликованной в трудах конференции 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society в 2017 г. Однако ни одна из статей не содержит рекомендации о выборе форм и размеров деталей электрической машины, позволяющие в полном объеме увеличить КПД и удельную мощность машины и снизить пульсации момента и акустический шум.

Таким образом, технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание электрической машины со сниженными пульсациями момента, акустическим шумом, вибрациями и моментом страгивания, и увеличенными удельной мощностью и КПД, а также с малым моментом инерции ротора.

Раскрытие сущности изобретения

Указанная задача решена при помощи электрической машины, содержащей статор, который содержит зубчатый магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала, c N зубцами и f-фазную 2p-полюсную распределенную обмотку, и в котором

, где q≥1 и представляет собой рациональное число, f≥3, а N, f и p – натуральные числа, ротор, установленный с зазором относительно статора и содержащий зубчатый магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала, и многополюсную магнитную систему, выполненную из магнитотвердого материала, расположенную между ротором и магнитопроводом статора, зафиксированную на магнитопроводе статора и намагниченную таким образом, что на каждом зубце магнитопровода статора имеется одинаковое четное количество 2m чередующихся разноименных полюсов. При этом в электрической машине соседние полюса, относящиеся к разным зубцам магнитопровода статора, намагничены противоположно, а число зубцов ротора R=Nm±p. Кроме того, угловая ширина зубца ротора на участке, отходящем от зазора в радиальном направлении на расстояние, равное сумме толщины магнитной системы в радиальном направлении и ширины зазора, достигает 20% и не достигает 30% зубцового деления ротора, а сумма ширины зазора и толщины магнитной системы в радиальном направлении не превышает 20% длины дуги, обращенной к зазору окружности ротора, соответствующей его зубцовому делению, при этом угловой размер шлица паза статора составляет не более

.

Такая конструкция электрической машины позволяет уменьшить пульсации момента, акустический шум, вибрации и момент страгивания, момент инерции ротора, а также увеличить удельную мощность и КПД электрической машины.

Согласно одному варианту реализации, в электрической машине число пар полюсов обмотки статора p=1, p=2, p=3 или p=4.

Согласно другому варианту реализации, в электрической машине с распределенной обмоткой число q является рациональным и 1≤q≤5.

Согласно другому варианту реализации, в электрической машине m=1, m=2 или m=3.

Согласно другому варианту реализации, в электрической машине число фаз f=3, f=5, f=6, f=7, f=9 или f=10.

Согласно другому варианту реализации, магнитная система электрической машины содержит несколько постоянных магнитов.

Согласно другому варианту реализации, магниты электрически изолированы друг от друга и от магнитопровода.

Согласно другому варианту реализации, электрическая машина содержит по меньшей мере один магнит, имеющий несколько полюсов.

Согласно другому варианту реализации, каждый полюс образован несколькими одноименно намагниченными магнитами.

Согласно другому варианту реализации, в электрической машине концы зубцов ротора имеет фаску, скругление или другое сужение.

Согласно другому варианту реализации, в электрической машине зубец ротора уширяется к основанию.

Согласно другому варианту реализации, в электрической машине минимальный угловой размер дуги, пересекающей контур поперечного сечения зубца статора, составляет не более 30% и не менее 10% от максимального углового размера зубца статора.

Согласно другому варианту реализации, зубец статора содержит участки с угловой толщиной менее 30% максимального углового размера зубца статора на расстоянии менее 30% но не содержит такие участки на расстоянии менее 10% максимального углового размера зубца статора на участке между зазором и максимальным сужением зубца от поверхности магнитопровода обращенной к зазору.

Согласно другому варианту реализации, в электрической машине глубина шлица паза статора не превышает ширину шлица паза.

Согласно другому варианту реализации, глубина паза статора составляет не более 23% от радиуса обращенной к зазору окружности ротора.

Согласно другому варианту реализации, угловая ширина зубца ротора на дне участка, отходящего от зазора в радиальном направлении на расстояние, равное сумме толщины магнитной системы в радиальном направлении и ширины зазора, не менее 20% зубцового деления ротора, и на этом участке толщина зубца не превышает 30% зубцового деления ротора 2.

Согласно другому варианту реализации, угловой размер шлица паза статора составляет не более

от зубцового деления ротора.

Краткое описание чертежей

Варианты реализации настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 показаны известные электрические машины;

на фиг. 2 показаны примеры электрических машин с разным числом зубцов ротора и с p=1, q=1;

на фиг. 3а-в показаны примеры электрических машин с разным числом q, в которых p=2;

на фиг. 4 показан пример электрической машины с f=5;

на фиг. 5. показан пример электрической машины с m=2;

на фиг. 6 показаны различные формы зубцов ротора;

на фиг. 7 показаны обозначения некоторые геометрических параметров электрической машины;

на фиг. 8 показаны некоторые закономерности формы статора электрической машины;

на фиг. 9 показаны полезный поток между зубцом статора и ротора, а также противопотоки согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 2a показан один из вариантов реализации электрической машины 1 по настоящему изобретению. Электрическая машина 1 согласно данному варианту реализации содержит ротор 2 с зубцами 8 и статор 3. Статор 3 содержит зубчатый магнитопровод 4 c N=6 зубцами 5 статора и f-фазную 2p-полюсную обмотку 7, расположенную в пазах 6 статора. В данном варианте реализации число пар полюсов p=1, а число фаз f=3. При этом в других вариантах реализации количество зубцов 5 статора может отличаться и составлять от 5 до 100, например 5, 7, 10, 12, 20, 33, 57 и т.д., но без ограничения приведенными примерами. Число пар магнитных полюсов на каждом зубце m=1. Число зубцов ротора равно R=Nm-1=5. Кроме того, в варианте реализации, показанном на фиг. 2б, число зубцов ротора равно R=Nm+1=7.

Если бы число зубцов ротора на фиг. 2a и 2б было равно Nm=6, то ротор можно было бы повернуть так, чтобы зубцы ротора оказались над одноименными магнитами статора. Однако число зубцов ротора на единицу больше или меньше Nm=6. Поэтому, когда над одним из полюсов находится зубец ротора, соседний зубец ротора оказывается уже не точно над полюсом той же намагниченности и смещается в сторону полюса противоположной намагниченности. При обходе вдоль окружности от зубца ротора к следующему зубцу ротора это смещение нарастает по мере продвижения к диаметрально противоположной области окружности. В результате зубцы ротора, наиболее близко расположенные к диаметрально противоположной области окружности, оказываются преимущественно над полюсами противоположной намагниченности, и создается двухполюсное магнитное поле. В общем случае для создания 2p-полюсного магнитного поля число зубцов ротора должно отличаться от Nm на p, т.е. число зубцов ротора R=Nm±p.

2p-полюсное магнитное поле взаимодействует с 2p-полюсной обмоткой статора и обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую при использовании машины в качестве двигателя и, наоборот, при использовании машины в качестве генератора.

В полном обороте ротора укладывается R электрических периодов. Скорость вращения вала рассчитывается по формуле n=f/R, где f — частота питающего напряжения. Чем больше R, тем меньше скорость вращения вала при той же частоте питания.

Основной причиной возникновения момента страгивания и пульсаций момента является взаимодействие зубчатого ротора и магнитной системы статора. В одном электрическом периоде равном 360/R градусов укладывается N1 периодов пульсаций момента, обусловленных взаимодействием ротора и магнитной системы статора, где N1 — числитель сокращенной дроби N/R. Ротор, будучи помещенный в произвольное магнитное поле, в силу своей симметрии будет испытывать пульсации момента при повороте с периодом, равным электрическому периоду. В описываемой же электрической машине гармоники пульсаций момента не кратные N1 подавляются. В результате подавления гармоник достигается снижение момента страгивания и пульсаций момента. Аналогичные рассуждения показывают, что увеличение R1, где R1 — знаменатель сокращенной дроби N/R также способствует снижению пульсаций момента и момента страгивания.

В варианте реализации, показанном на фиг. 2а, N1=6, R1=5, а в варианте реализации, показанном на фиг. 2б, N1=6, R1=7, что обеспечивает низкие пульсации момента и момент страгивания.

Основное преимущество электрической машины с магнитами на зубцах статора над традиционной синхронной машиной с магнитами на роторе — возможность создания многополюсной тихоходной электрической машины с небольшим числом пар полюсов обмотки p. При этом чем меньше число пар полюсов обмотки, тем больше МДС обмотки при той же токовой нагрузке, т.е. требуемую МДС можно достичь за счет меньшей токовой нагрузки. В результате обеспечивается уменьшение потерь в обмотке и увеличение КПД электрической машины. В связи с этим максимальный КПД достигается при p=1. Указанное число пар полюсов является оптимальным с позиции энергоэффективности для электрической машины с достаточно большой длиной магнитопровода по сравнению с диаметром, когда значимая доля потерь в обмотке сосредоточена в ее пазовых частях. Однако в других вариантах реализации число p может быть равно 2, 3 или 4. Стоит отметить, что увеличение числа p до 2, 3 или 4 позволит значительно снизить радиальные усилия, которые уменьшают срок службы подшипников, увеличивают механические потери в подшипниках и уменьшают КПД. Обмотки машин с p>1 могут содержать параллельные ветви, что позволяет применять машину при пониженном напряжении питания, например при питании от аккумуляторов. Кроме того, при достаточно короткой длине электрической машины основные потери в обмотке сосредоточены в ее лобовых частях, т.е. частях, находящихся вне паза, и увеличение p до 2, 3 или 4 не вызывает существенного уменьшения КПД электрической машины. Пример электрических машин с p=2 показан на фиг. 3 и фиг. 5.

Электрическая машина на фиг. 3а также содержит обмотку с числом

, равным единице q=1, где q представляет собой отношение числа зубцов к произведению числа фаз на число полюсов. При этом в данном варианте реализации число пар полюсов p=2, число фаз f=3, а число зубцов ротора R=10. В других вариантах реализации число q может быть равно 1,5 (фиг. 3б), 2 (фиг. 3в), 3, 4, 5 или другому рациональному числу 1<q≤5 без ограничения. Обмотки могут быть с укорочением шага и без. Увеличение q при тех же p и f приводит к увеличению R, благодаря чему уменьшается скорость вращения ротора, что актуально для безредукторных тихоходных приложений (ветрогенераторы, мотор-колеса, большие вентиляторы и т.п.). Кроме того, увеличение q позволяет увеличить N1 и R1 и способствует снижению пульсаций момента и момента страгивания. Снижению пульсаций момента также способствует улучшение МДС обмоток с q>1.

Чем меньше число фаз f, тем меньше силовых полупроводниковых ключей (например, транзисторов) требуется для преобразователя частоты, что упрощает его схему и уменьшает цену преобразователя частоты. Увеличение числа фаз увеличивает обмоточный коэффициент и, как следствие, увеличивает КПД машины. Кроме того, уменьшается напряжение питания, что актуально, например, для аккумуляторного питания. Увеличиваются N1 и R1, что уменьшает пульсации момента и момент страгивания. Обмотка создает более синусоидальное распределение МДС, и, как следствие, уменьшаются шум и пульсации момента. Кроме того, при увеличении числа f при тех же q, m и p происходит увеличение числа зубцов ротора R, благодаря чему уменьшается скорость вращения ротора, что актуально для безредукторных тихоходных приложений, таких как мотор-колеса, безредукторные тихоходные большие вентиляторы и безредукторные ветрогенераторы. Машина с f=5 показана на фиг. 4. Кроме того, в других вариантах реализации число f может быть равно 3, 5, 6, 7, 9 или 10, но без ограничения приведенными примерами.

Многополюсная магнитная система выполнена из магнитотвердого материала и расположена между ротором 2 и магнитопроводом статора 3. Указанная система зафиксирована на магнитопроводе статора 3 и намагничена таким образом, что на каждом зубце 5 статора имеется одинаковое количество 2m чередующихся разноименных полюсов. В вариантах реализации по фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 число m равно 1, однако в других вариантах реализации число m может быть равно 2 или 3. Следует отметить, что m>1 при том же числе полюсов магнитов 2Nm на всех зубцах статора обеспечивает уменьшение количества шлицов паза и увеличивает используемую поверхность воздушного зазора, вследствие чего увеличиваются КПД и удельная мощность. Кроме того, увеличение m приводит к увеличению R1 и иногда N1 и уменьшает пульсации момента и момент страгивания. Машина с m=2, N1=6, R1=11 показана на Фиг. 5.

Несколько магнитных полюсов могут быть образованы одним магнитом. В некоторых вариантах реализации каждый зубец 5 статора может содержать по одному магниту.

Однако, если магниты являются электропроводными (например, алнико или редкоземельные магниты), в них наводятся токи Фуко, что уменьшает КПД машины.

Для увеличения КПД магниты разбиваются на несколько частей, электрически изолированных друг от друга и/или от магнитопровода статора. В частности, каждый полюс может быть образован отдельным магнитом или несколькими магнитами, намагниченными в одном направлении.

Концы зубцов ротора могут иметь фаску, скругление или другое сужение (фиг. 6а). В результате такой формы зубца переключение структуры магнитной цепи при перемещении зубца ротора от одного к другому полюсу магнитной системы происходит более плавно. Также уменьшаются момент страгивания, пульсации момента и акустический шум.

Также зубцы ротора могут уширяться к основанию (фиг. 6б). В результате такой формы зубца уменьшается сопротивление магнитной цепи, и увеличиваются КПД и удельная мощность. К тому же увеличивается механическая прочность зубца.

Кроме того, глубина шлица паза статора не превышает его ширину (

в обозначениях фиг. 7). В результате уменьшается пазовое рассеяние, увеличивается коэффициент мощности, уменьшается насыщение магнитопровода статора и увеличиваются КПД и удельная мощность.

На фиг. 8 контур поперечного сечения зубца статора, представленный ломаными O3O1O5W и VO6O2O4 и дугой WV, имеет сужение O1O2O4O3. Поскольку только не более половины полюсов, расположенных на каждом зубце статора, участвуют в формировании магнитного потока, а магнитная индукция в зазоре много меньше, чем магнитная индукция насыщения материала магнитопровода, минимальный угловой размер зубца, т.е. минимальный угловой размер дуги, концентрической с осью окружности статора, пересекающей контур поперечного сечения зубца статора, может составлять не более 30% от максимального углового размера зубца. Согласно фиг. 8, минимальный угловой размер паза – это угловой размер отрезков О1О2 и О3О4, а максимальный угловой размер паза – это размер дуги WV. Это обеспечивает увеличение площади паза, уменьшение потерь в обмотке, увеличение КПД и удельной мощности машины.

Вместе с тем, для обеспечения механической прочности минимальный угловой размер паза должен быть не менее 10% от максимального размера паза.

Минимальный угловой размер дуги, пересекающей контур поперечного сечения паза статора может составлять не более 30% и не менее 10% от максимального углового размера паза на участке между зазором и максимальным сужением зубца и в случае другой формы контура сечения паза, например в случае кривой линии, и в случае, если обращенный к зазору участок контура зубца WV не является дугой.

Кроме того, предпочтительно, чтобы точки O1 и O2 были удалены от окружности магнитопровода, обращенной к зазору, на расстояние не менее 10% длины дуги WV. В результате при протекании потока между участками AWO5O1 и DVO6O2, c одной стороны, и участком O1O2O4O3, с другой стороны, удается избежать насыщения. В результате обеспечивается повышение КПД и удельной мощности машины.

Кроме того, предпочтительно, чтобы точки O1 и O2 были бы удалены от окружности магнитопровода, обращенной к зазору, на расстояние не более 30% длины дуги WV. В результате увеличивается площадь паза, и повышаются КПД и удельная мощность машины.

В более общем случае O3O1O5W и VO6O2O4 могут не быть ломанными, а WV может отличаться от дуги окружности, но зубец содержит участки с угловой толщиной менее 30% длины дуги, соответствующей максимальному угловому размеру зубца на участке между зазором и максимальным сужением зубца, на расстоянии менее 30% длины этой дуги от поверхности магнитопровода обращенной к зазору. Также зубец не содержит участки с угловой толщиной менее 30% длины дуги, соответствующей максимальному угловому размеру зубца на участке между зазором и максимальным сужением зубца, на расстоянии менее 10% длины этой дуги от поверхности магнитопровода обращенной к зазору. Для пояснения на фиг. 8 показаны воображаемые радиальные линии AI и DM, делящие WV в отношении 35:30:35. Участкам зубца статора с угловой толщиной менее 30% длины дуги WV соответствуют участки поперечного сечения его контура, находящиеся между AI и DM. Из фиг. 8 видно, что некоторые такие участки попадают в слой, ограниченный окружностями EFGH и IKLM, удаленными на 30% и 10% длины дуги WV соответственно от окружности ABCD. Кроме того, ни один из таких участков не попадает в слой, ограниченный окружностями EFGH и ABCD.

Поверхность магнитопровода статора, обращенная к ротору, может не быть дугой концентрической окружностью. В этом случае под расстоянием от точки до линии понимается кратчайшее расстояние от этой точки до точки на линии.

Указанные геометрические размеры позволяют увеличить заполнение обмоткой зубцово-пазового слоя.

Поскольку благодаря применению обмотки с малым числом полюсов для создания достаточной МДС требуется значительно меньшая токовая нагрузка, чем в традиционных безредукторных синхронных электрических машинах, глубина паза может составлять не более 23% от радиуса обращенной к зазору окружности ротора.

Кроме того, угловая ширина зубца 8 ротора по фиг. 3а составляет 23% зубцового деления ротора 2. В результате увеличивается КПД и удельная мощность машины, что пояснено на фиг. 9. В частности, когда полюса, над которыми находятся зубцы 8 ротора, создают полезный магнитный поток, т.е. поток, обуславливающий работоспособность электрической машины, магниты, над которыми находятся пазы ротора, создают противопоток, который при достаточно глубоких пазах ротора замыкается на боковые стороны зубца 8 ротора. Для уменьшения указанного противопотока зубец 8 ротора должен быть достаточно узким. Однако чрезмерное уменьшение этой величины приводит к уменьшению полезного потока и, возможно, к насыщению зубца ротора, что приведет к снижению КПД и удельной мощности. Кроме того, наиболее существенное влияние оказывают противопотоки, замыкающиеся на боковые стороны зубца ротора и находящиеся вблизи воздушного зазора, а именно на участке, отходящем от зазора в радиальном направлении на расстояние, равное сумме толщины магнитной системы в радиальном направлении и ширины зазора. Этот участок обозначен на фиг. 7 как h1, а сумма толщины магнитной системы в радиальном направлении и ширины зазора обозначена h2. Таким образом, h1=h2. Поэтому на дне этого участка угловая толщина зубца составляет не менее 20% зубцового деления ротора 2, а толщина зубца на этом участке не превышает 30% зубцового деления ротора 2.

Кроме того, в варианте реализации, показанном на фиг. 3а, сумма толщин воздушного зазора и магнитной системы в радиальном направлении составляет 18,5% длины дуги зубцового деления ротора на окружности ротора 2, обращенной к зазору. При этом в других вариантах реализации эта сумма не превышает 20% длины дуги зубцового деления ротора. Стоит отметить, что для работы электрической машины 1 необходима неоднородность магнитного поля, которая может быть обеспечена зубчастостью ротора 2. При продвижении от ротора 2 к магнитопроводу статора 3 указанная неоднородность ослабевает. В связи с этим расстояние между ротором 2 и магнитопроводом статора 3 должно быть не очень большим. Это расстояние складывается из толщины магнитной системы (в частности, суммы толщин магнитов, ее составляющих) в радиальном направлении и толщины воздушного зазора. Таким образом, для достижения требуемой неоднородности сумма толщин воздушного зазора и магнитов в радиальном направлении должна быть ограничена сверху.

Кроме того, в различных вариантах реализации угловой размер шлица 9 паза статора составляет не более

, т.е. не более среднего углового размера магнитного полюса, что обеспечивает лучшее использование поверхности статора по сравнению с известными электрическими машинами (фиг. 1а, 1б). В результате обеспечено повышение КПД и удельной мощности машины. Еще более явное преимущество машина получает, если угловой размер шлица 9 паза статора составляет не более

. Уменьшение шлица менее чем до нецелесообразно, поскольку противоположные магниты, распложенные близко друг к другу, не вносят существенный вклад в полезное магнитное поле, а уменьшение шлица может увеличить индуктивность пазового рассеяния, уменьшить коэффициент мощности, удельные характеристики и КПД машины. Кроме того, слишком узкие пазы затрудняют укладку всыпной обмотки. Ширину шлица обычно выбирается не менее 1.5-2 диаметров проволоки.

Таким образом, благодаря конструкции электрической машины 1 по настоящему изобретению можно достичь уменьшения пульсации момента, акустического шума, вибрации и момента страгивания вследствие равномерного чередования магнитов вдоль окружности статора, а также увеличить удельную мощность и КПД электрической машины вследствие эффективного формирования магнитами 2p-полюсного магнитного потока, соответствующего 2p-полюсной распределенной обмотке. Для достижения этой цели необходимо совместное выполнение следующих условий: 2p-полюсный магнитный поток формируется за счет того, что соседние полюса, относящиеся к разным зубцам магнитопровода статора, намагничены противоположно, а число зубцов ротора R=Nm±p. Чтобы машина была оптимальна, необходимо 1) ограничить сверху угловой размер шлицов паза статора, чтобы максимально использовать поверхность статора, 2) подавить противопоток, ограничив угловой размер зубца ротора, и 3) обеспечить влияние зубчатости ротора на магнитное поле на всем промежутке между магнитопроводами статора и ротора, включая зазор и магнитную систему, ограничив сумму толщин магнитной системы и зазора.

Claims (24)

1. Электрическая машина, содержащая статор, содержащий зубчатый магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала, c N зубцами и f-фазную 2p-полюсную распределенную обмотку, в котором

, где q≥1 и представляет собой рациональное число, f≥3, а N, f и p – натуральные числа,

ротор, установленный с зазором относительно статора и содержащий зубчатый магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала,

и многополюсную магнитную систему, выполненную из магнитотвердого материала, расположенную между ротором и магнитопроводом статора, зафиксированную на магнитопроводе статора и намагниченную таким образом, что на каждом зубце магнитопровода статора имеется одинаковое четное количество 2m чередующихся разноименных полюсов, при этом

соседние полюса, относящиеся к разным зубцам магнитопровода статора, намагничены противоположно, а

число зубцов ротора R=Nm±p, причем

угловая ширина зубца ротора на участке, отходящем от зазора в радиальном направлении на расстояние, равное сумме толщины магнитной системы в радиальном направлении и ширины зазора, достигает 20% и не достигает 30% зубцового деления ротора,

сумма ширины зазора и толщины магнитной системы в радиальном направлении не превышает 20% длины дуги, соответствующей его зубцовому делению, обращенной к зазору окружности ротора,

угловой размер шлица паза статора составляет не более

.

2. Машина по п. 1, в которой p=1.

3. Машина по п. 1, в которой p=2, p=3 или p=4.

4. Машина по п. 1 с распределенной обмоткой, в которой q рационально и 1≤q≤5.

5. Машина по п. 1, в которой m=1, m=2 или m=3.

6. Машина по п. 1, в которой f=3, f=5, f=6, f=7, f=9 или f=10.

7. Машина по п. 1, в которой магнитная система содержит несколько постоянных магнитов.

8. Машина по п. 7, в которой магниты электрически изолированы друг от друга и от магнитопровода.

9. Машина по п. 8, в которой каждый полюс образован несколькими одноименно намагниченными магнитами.

10. Машина по п. 1, в которой концы зубцов ротора имеют фаску, скругление или другое сужение.

11. Машина по п. 1, в которой зубец ротора уширяется к основанию.

12. Машина по п. 1, в которой минимальный угловой размер дуги, пересекающей контур поперечного сечения зубца статора, составляет не более 30% и не менее 10% от максимального углового размера зубца статора на участке между зазором и максимальным сужением зубца.

13. Машина по п. 12, в которой зубец статора содержит участки с угловой толщиной менее 30% максимального углового размера зубца статора на участке между зазором и максимальным сужением зубца на расстоянии менее 30%, но не содержит такие участки на расстоянии менее 10% максимального углового размера зубца статора на участке между зазором и максимальным сужением зубца от поверхности магнитопровода, обращенной к зазору.

14. Машина по п. 1, в которой глубина шлица паза статора не превышает ширину шлица паза.

15. Машина по п. 1, в которой глубина паза статора составляет не более 23% от радиуса обращенной к зазору окружности ротора.

16. Машина по п. 1, в которой угловая ширина зубца ротора на дне участка, отходящего от зазора в радиальном направлении на расстояние, равное сумме толщины магнитной системы в радиальном направлении и ширины зазора, не менее 20% зубцового деления ротора, и на этом участке толщина зубца не превышает 30% зубцового деления ротора.

17. Машина по п. 1, в которой угловой размер шлица паза статора составляет не более

от зубцового деления ротора.

Images