RU181979U1

RU181979U1 - SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR GENERATOR

Info

Publication number: RU181979U1
Application number: RU2017147032U
Authority: RU
Inventors: Александр Степанович Андреенко; Владимир Николаевич Милов; Евгений Владимирович Милов; Юрий Владимирович Милов; Иван Александрович Сипин
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2018-07-31

Abstract

Заявляемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам, работающим в режиме двигателя и генератора, и может быть использована в силовых электроприводах, в различных системах автоматики, а также в качестве источника переменного или постоянного тока, в качестве вентильного генератора. Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности электрической машины за счет увеличения токовой постоянной двигателя-генератора и обеспечения возрастания удельной мощности двигателя-генератора на единицу тепловых потерь. 2 ил.

The inventive utility model relates to the electric power industry, in particular to synchronous electric machines operating in the engine and generator mode, and can be used in power electric drives, in various automation systems, and also as an alternating or direct current source, as a valve generator. The technical result, which is achieved by the claimed utility model, is to increase the efficiency of an electric machine by increasing the current constant of the motor-generator and ensuring an increase in the specific power of the motor-generator per unit of heat loss. 2 ill.

Description

Заявляемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам, работающим в режиме двигателя и генератора, и может быть использована в силовых электроприводах, в различных системах автоматики, а также в качестве источника переменного или постоянного тока, в качестве вентильного генератора.The inventive utility model relates to the electric power industry, in particular to synchronous electric machines operating in the engine and generator mode, and can be used in power electric drives, in various automation systems, and also as an alternating or direct current source, as a valve generator.

Синхронные электрические двигатели являются электрическими машинами переменного тока, в которых ротор и магнитное поле токов статора вращаются синхронно.Synchronous electric motors are AC electric machines in which the rotor and magnetic field of the stator currents rotate synchronously.

Известны многополюсные магнитоэлектрические машины с ротором коллекторного типа с призматическими магнитами с тангенциальным намагничиванием (В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев Электрические генераторы с постоянными магнитами, М., Энергоатомиздат, 1988, с. 29-30).Multipole magnetoelectric machines with a collector-type rotor with prismatic magnets with tangential magnetization are known (V.A. Balagurov, F.F. Galteev Electric generators with permanent magnets, M., Energoatomizdat, 1988, pp. 29-30).

Однако, указанные машины имеют недостаток - сложность конструкции ротора и малое использование активного объема, что вызвано необходимостью выполнения в многополюсных машинах классического типа большого числа пазов на статоре для размещения обмотки. Это в свою очередь приводит к насыщению зубцовой зоны и снижению коэффициента заполнения паза медью.However, these machines have a drawback - the complexity of the design of the rotor and the low use of the active volume, which is caused by the need to perform in multipolar machines of the classical type a large number of grooves on the stator to accommodate the winding. This in turn leads to saturation of the tooth zone and a decrease in the fill factor of the groove with copper.

Широкое применение в современной электрической промышленности нашли электрические вентильные двигатели с применением в качестве магнитного ротора постоянных магнитов. Статор таких машин выполнен из шихтованного набора пластин электротехнической стали имеющие пазы для укладки проволоки. Такие вентильные машины обладают возможностью регулирования оборотов вращения и режимов работы при малом весе, обусловленного высоким коэффициентом полезного действия.Widespread use in the modern electrical industry has found electric valve motors using permanent magnets as a magnetic rotor. The stator of such machines is made of a laden set of plates of electrical steel with grooves for laying wire. Such valve machines have the ability to control rotational speeds and modes of operation at low weight, due to the high efficiency.

Из уровня техники известна многополюсная магнитоэлектрическая машина, содержащая статор с явно выраженными полюсами, на которых расположена m-фазная обмотка, выполненная в 2mk (k=1,2,3…) равных чередующихся фазных зонах в виде катушек по одной катушке на полюс, и явнополюсный активный ротор с чередующейся полярностью полюсов. В каждой фазной зоне размещены n полюсов, где n=2,3,4…, катушки в фазных зонах, расположенные на соседних полюсах, соединены встречно, катушки фазных зон, расположенные через 180°/k, при n-нечетном соединены согласно, при n-четном - встречно, а числа полюсов статора и ротора отличаются на 2k (Синхронный электродвигатель, патент РФ №2059994, опубл. 10.05.96, бюлл. №13).The prior art multi-pole magnetoelectric machine containing a stator with pronounced poles, on which is located the m-phase winding, made in 2mk (k = 1,2,3 ...) equal alternating phase zones in the form of coils of one coil per pole, and clearly polar active rotor with alternating polarity of poles. In each phase zone there are n poles, where n = 2,3,4 ..., the coils in the phase zones located at the neighboring poles are connected in the opposite direction, the coils of the phase zones located through 180 ° / k, when n-odd are connected according to n-even - counter, and the number of poles of the stator and rotor differ by 2k (Synchronous motor, RF patent No. 2059994, publ. 05/10/96, bull. No. 13).

Однако эта многополюсная магнитоэлектрическая машина имеет недостаток - наличие момента «залипания» от постоянных магнитов. Это связано с появлением дополнительного реактивного момента из-за различия в магнитных сопротивлениях для магнитного потока постоянных магнитов в различных положениях полюсов ротора относительно зубцов статора.However, this multi-pole magnetoelectric machine has a drawback - the presence of a “sticking” moment from permanent magnets. This is due to the appearance of an additional reactive moment due to the difference in magnetic resistances for the magnetic flux of permanent magnets at different positions of the rotor poles relative to the stator teeth.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, является техническое решение по патенту № CN 105978182 (А) (опубл. 28.09.2016), в котором описана роторно-статорная конструкция бесщеточного двигателя постоянного тока с постоянным магнитом. Конструкция данного двигателя содержит чередующиеся магнитные полюса одинаковой ширины, а зубья статора делятся на основные и вспомогательные которые расположены по окружности поочередно, причем ширина основных зубьев статора больше или меньше чем у вспомогательных. Такое техническое решение не позволяет скомпенсировать неравномерность вращения ротора двигателя при переходе от одного магнитного полюса к другому и неэффективное использование магнитопровода статора, что обуславливает невысокий коэффициент полезного действия.The closest in technical essence to the claimed utility model is the technical solution according to patent No. CN 105978182 (A) (published on September 28, 2016), which describes the rotor-stator design of a brushless DC motor with a permanent magnet. The design of this motor contains alternating magnetic poles of the same width, and the stator teeth are divided into main and auxiliary which are arranged alternately around the circumference, and the width of the main stator teeth is more or less than that of the auxiliary ones. This technical solution does not allow to compensate for the uneven rotation of the motor rotor during the transition from one magnetic pole to another and the inefficient use of the stator magnetic circuit, which leads to a low efficiency.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности электрической машины за счет увеличения токовой постоянной двигателя-генератора и обеспечения возрастания удельной мощности двигателя-генератора на единицу тепловых потерь.The technical result, which is achieved by the claimed utility model, is to increase the efficiency of an electric machine by increasing the current constant of the motor-generator and ensuring an increase in the specific power of the motor-generator per unit of heat loss.

Поставленная задача решается тем, что синхронный электрический двигатель-генератор, согласно техническому решению, содержит статор с трехфазной обмоткой и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися m магнитными полюсами, с шагом полюсного деления равным

, при этом статор выполнен с N<m ножками со симметричными и асимметричными шляпками, разделенными пазами, намотка статора выполнена пофазно для групп ножек, расположенных симметрично по окружности статора на угловом расстоянии

, друг от друга, при этом в одну группу для намотки одной фазы входят ножки с симметричными и асимметричными шляпками, а угловое расстояние между краями шляпок, обращенными в сторону группы ножек, предназначенной для намотки другой фазы, равно угловому расстоянию между полюсными делениями числа магнитных полюсов ротора, равного числу последовательно расположенных ножек одной группы, относящейся к одной фазе. Количество последовательно расположенных ножек, относящихся к одной фазе, составляет не менее двух, при этом все группы содержат одинаковое количество ножек. Ножки с асимметричными шляпками представляют собой граничные ножки одной группы.The problem is solved in that the synchronous electric motor-generator, according to the technical solution, comprises a stator with a three-phase winding and a rotor made in the form of a multi-pole magnet with alternating m magnetic poles evenly spaced around the circumference, with a pole pitch equal to

moreover, the stator is made with N <m legs with symmetrical and asymmetric hats separated by grooves, stator winding is made in phase for groups of legs located symmetrically around the stator circumference at an angular distance

, from each other, while one group for winding one phase includes legs with symmetric and asymmetric hats, and the angular distance between the edges of the hats facing the group of legs intended for winding another phase is equal to the angular distance between the pole divisions of the number of magnetic poles rotor equal to the number of consecutively arranged legs of one group belonging to one phase. The number of legs arranged in series, belonging to one phase, is at least two, while all groups contain the same number of legs. Legs with asymmetric hats are boundary legs of one group.

Заявляемая полезная модель поясняется следующими изображениями, на которых:The inventive utility model is illustrated by the following images, in which:

на фиг 1 схематично представлена электромагнитная часть заявляемого двигателя, представляющая собой схема взаимного расположения статора с 18 ножками и ротора с 20 магнитными полюсами для случая симметричных шляпок ножек статора;Fig. 1 schematically shows the electromagnetic part of the inventive motor, which is a diagram of the mutual arrangement of the stator with 18 legs and the rotor with 20 magnetic poles for the case of symmetrical caps of the stator legs;

на фиг. 2 показан вид взаимного расположения 18 ножек и 20 магнитных полюсов ротора для случая выполнения шляпок ножек статора асимметричными, в соответствии с предлагаемым техническим решением.in FIG. 2 shows a view of the mutual arrangement of 18 legs and 20 magnetic poles of the rotor for the case of stator leg caps being asymmetric, in accordance with the proposed technical solution.

Позициями на чертежах обозначены:The positions in the drawings indicate:

1 - статор,1 - stator

2 - ротор,2 - rotor

3 - обмотка,3 - winding

4, 5 - силовые линии,4, 5 - power lines,

6 - угол полюсного деления многополюсного магнита,6 - the angle of the pole division of a multipolar magnet,

7, 8 - углы раствора, по различным значениям которых судят об асимметричной конфигурации шляпок,7, 8 - the corners of the solution, according to various values of which judge the asymmetric configuration of the caps,

9 - зазор между шляпками,9 - the gap between the hats,

10 - толщина шляпки.10 - hat thickness.

Заявляемый синхронный электрический двигатель-генератор с постоянными магнитами, представляет собой электрическую машину, электромагнитная часть которой представлена на фиг. 1 и состоит из статора 1 с выполненной трехфазной обмоткой электрическим проводом 3, ротора с многополюсным магнитом 2 с чередующимися магнитными полюсами.The inventive permanent magnet synchronous electric motor generator is an electric machine, the electromagnetic part of which is shown in FIG. 1 and consists of a stator 1 with a three-phase winding made by an electric wire 3, a rotor with a multi-pole magnet 2 with alternating magnetic poles.

Статор 1 имеет N ножек, расположенных симметрично по окружности на угловом расстоянии

друг от друга. Шляпки ножек статора имеют конфигурацию, определяемую радиусом дуги «R», углами раствора 7 и 8, толщиной шляпки 10, зазором между шляпками 9. Полюсное деление многополюсного магнита 2 определяется углом 6, равным

, где m - число магнитных полюсов.The stator 1 has N legs located symmetrically around the circumference at an angular distance

apart from each other. The caps of the stator legs have a configuration determined by the radius of the arc "R", the corners of the

solution

7 and 8, the thickness of the cap 10, the gap between the caps 9. The pole division of the multi-pole magnet 2 is determined by an angle 6 equal to

where m is the number of magnetic poles.

Ниже представлено описание заявляемого технического решения на примере электрической машины, работающей в режимах двигателя-генератора, имеющей статор 1 с 18 ножками с выполненной обмоткой электропроводом 3, ротор 2 с 20 магнитными полюсами.The following is a description of the claimed technical solution by the example of an electric machine operating in engine-generator modes, having a stator 1 with 18 legs with a winding made by an electric wire 3, rotor 2 with 20 magnetic poles.

Намотка обмоток 3 полюсов статора осуществлена пофазно в три фазы. К первой фазе относятся ножки 1н, 2н, 3н и 10н, 11н, 12н; ко второй 4н, 5н, 6н и 13н, 14н, 15н; к третьей 7н, 8н, 9н и 16н, 17н, 18н (фиг. 2).The windings of the stator 3 poles are phase-wound in three phases. The first phase includes legs 1n, 2n, 3n and 10n, 11n, 12n; to the second 4n, 5n, 6n and 13n, 14n, 15n; to the third 7n, 8n, 9n and 16n, 17n, 18n (Fig. 2).

Одно из реализуемых положений магнитного ротора 2 в процессе работы двигателя-генератора изображено на фиг. 1. В этом случае ножка 2н расположена центрально напротив магнитного полюса п2. При симметричной геометрической форме правой и левой сторон шляпки, то есть при равных значениях углов 7 и 8, шляпки ножек 1н и 3н выходят за пределы полюсных делений магнитных полюсов п1 и п3, расположенных напротив этих ножек. В результате часть магнитных силовых линий 4 и 5 соседних магнитных полюсов, имеющих противоположную полярность, замыкаются через магнитопровод шляпки ножек статора по кратчайшим траекториям п20->1н->п1 и п4->3н->п3, что приводит к уменьшению магнитного потока цепи п1->1н->2н->п2 и, как следствие, неэффективному использованию магнитопровода, что в свою очередь приводит к возникновению дополнительных тепловых потерь на перемагничивание.One of the realized positions of the magnetic rotor 2 during operation of the engine-generator is shown in FIG. 1. In this case, the leg 2n is located centrally opposite the magnetic pole n2. With a symmetrical geometric shape of the right and left sides of the cap, that is, with equal values of angles 7 and 8, the cap of the legs 1n and 3n go beyond the pole divisions of the magnetic poles n1 and n3 located opposite these legs. As a result, part of the magnetic field lines of 4 and 5 adjacent magnetic poles of opposite polarity are closed through the magnetic circuit of the stator leg cap along the shortest paths n20-> 1n-> n1 and n4-> 3n-> n3, which leads to a decrease in the magnetic flux of the circuit n1 -> 1n-> 2n-> n2 and, as a consequence, inefficient use of the magnetic circuit, which in turn leads to additional heat losses due to magnetization reversal.

В случае заявляемого технического решения (фиг. 2) используется несимметричная конфигурация отдельных ножек в фазе В частности для рассматриваемой конфигурации двигателя-генератора углы 7 и 8 раствора шляпок ножек 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 15, 16, 18 не равны друг другу. Эти углы выбраны с возможностью обеспечения совпадения границы полюсных делений п1, п3 и п11, п13 магнитного ротора с границами магнитопровода статора 1н, 3н и 10н, 12н, соответственно, в реализуемом положении на фиг. 2. Реализуемое на фиг. 2 положение ротора обеспечивает максимальный поток в магнитопроводе ножек статора, относящихся к первой фазе. Это обуславливает возникновение максимального значения противо-ЭДС в обмотках второй и третьей фаз, что обеспечивает создание максимального механического крутящего момента электрической машины при протекании тока по обмоткам второй и третьей фаз. Угловое расстояние 6 между этими краями шляпок 1н и 3н равно угловому расстоянию между полюсными делениями магнитных полюсов ротора п20/п1 и п3/п4. Предлагаемое решение позволяет исключить паразитное влияние со стороны соседних магнитных полюсов и увеличить магнитный поток в магнитных цепях п1->1н->2н->п2, п3->3н->2н->п2 и п11->10н->11н->п12, п13->12н->11н->п12, что приводит к увеличению токовой постоянной двигателя-генератора и возрастанию удельной мощности двигателя-генератора на единицу тепловых потерь, обусловленных омическими потерями.In the case of the claimed technical solution (Fig. 2), the asymmetric configuration of the individual legs in the phase is used. In particular, for the configuration of the engine-generator under consideration, the angles 7 and 8 of the solution of the caps of the legs 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 15, 16, 18 are not equal to each other. These angles are selected so that the boundary of the pole divisions n1, n3 and n11, n13 of the magnetic rotor coincides with the boundaries of the stator magnetic circuit 1n, 3n and 10n, 12n, respectively, in the position being implemented in FIG. 2. Implemented in FIG. 2, the position of the rotor provides the maximum flux in the magnetic circuit of the stator legs related to the first phase. This causes the occurrence of the maximum value of the counter-EMF in the windings of the second and third phases, which ensures the creation of the maximum mechanical torque of the electric machine when current flows through the windings of the second and third phases. The angular distance 6 between these edges of the caps 1n and 3n is equal to the angular distance between the pole divisions of the magnetic poles of the rotor n20 / n1 and n3 / n4. The proposed solution allows to eliminate the parasitic effect from the side of neighboring magnetic poles and increase the magnetic flux in the magnetic circuits n1-> 1n-> 2n-> n2, n3-> 3n-> 2n-> n2 and n11-> 10n-> 11n-> n12 , n13-> 12n-> 11n-> n12, which leads to an increase in the current constant of the engine-generator and an increase in the specific power of the engine-generator per unit of heat loss due to ohmic losses.

Таким образом, достигается технический результат полезной модели.Thus, the technical result of the utility model is achieved.

Claims

1. Synchronous electric motor-generator, characterized in that it contains a stator with a three-phase winding and a rotor made in the form of a multi-pole magnet with alternating m magnetic poles evenly spaced around the circumference, with a pole pitch equal to

wherein the stator is made with N <m legs with symmetrical and asymmetric hats separated by grooves, the stator winding is made in phase for groups of legs located symmetrically around the stator circumference at an angular distance

apart, while one group for winding one phase includes legs with symmetric and asymmetric hats, and the angular distance between the edges of the hats facing the group of legs intended for winding another phase is equal to the angular distance between the pole divisions of the number of magnetic poles of the rotor equal to the number of consecutively arranged legs of one group belonging to one phase.

2. The synchronous electric motor-generator according to claim 1, characterized in that the number of consecutively arranged legs related to one phase is at least two, while all groups contain the same number of legs.

3. The synchronous electric motor-generator according to claim 1, characterized in that the legs with asymmetric caps are boundary legs of one group of legs.