Многополюсная электрическая машина с постоянными магнитами

012217 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно к многофазным электрическим машинам. Уровень техники В известном патенте US 6949856 описана многофазная электрическая машина, имеющая сосредоточенные катушки на статоре. Эта электрическая машина, которая может быть принята за ближайший аналог, содержит явнополюсный цилиндрический ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения и явнополюсный статор, расположенный коаксиально с ротором. Система возбуждения создает в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах противоположно. Число полюсов статора не равно числу полюсов ротора, а электрическое подключение катушек статора стандартно для трхфазных электрических машин. Соседние по окружности катушки статора соединены попарно последовательно, образуя фазную группу. Объединение двух катушек, принадлежащих разным полюсам статора в одну фазную группу, снижает величину электромагнитного момента. Величина индуктивности фазной обмотки зависит от величины индуктивности одной полюсной катушки и ее взаимоиндуктивности с соседней катушкой. В известных евразийских патентах 008613 и 009822 также описана весьма близкая по исполнению к предлагаемому изобретению многофазная электрическая машина. Система возбуждения ротора может быть выполнена на основе постоянных магнитов, размещенных в радиальных разрезах магнитопровода ротора и имеющих поочередно встречное тангенциальное направление намагниченности в соответствии с Евразийским патентом 008613. Разрезы разделяют магнитопровод ротора на отдельные сектора, и, в этом случае, обеспечивается наилучшее приближение к нулю магнитного потока, создаваемого в полюсах статора катушками одноименных фаз разных групп,соответственно, происходит локализация магнитного потока полюса ротора только в ближайших к нему полюсах статора. Аналогичными свойствами обладает магнитная система, выполненная в соответствии с Евразийским патентом 009822. Тангенциальное направление намагниченности постоянных магнитов позволяет увеличить индукцию магнитного поля в зазоре между ротором и статором по сравнению с радиально намагниченными постоянными магнитами. Раскрытие изобретения Задача настоящего изобретения состоит в создании электрической машины, в которой обеспечен технический результат, заключающийся в уменьшении индуктивности фазной обмотки без существенного снижения электромагнитного момента. Снижение индуктивности фазной обмотки позволяет снизить энергоемкость коммутационного звена преобразователя частоты при сохранении требуемой скорости коммутации тока фазы и коэффициента мощности машины. Для этой цели предлагается многофазная электрическая машина, содержащая явнополюсный ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения, создающей в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах ротора противоположно, и явнополюсный статор, число полюсов которого отлично от числа полюсов ротора, имеющий совокупность катушек статора, подразделенную на идентичные фазные группы катушек, образующие фазы, причем катушки в каждой фазной группе соединены последовательно так, чтобы полярности соседних полюсов статора, создаваемые катушками фазной группы, чередовались между собой, отличающаяся тем, что каждая катушка фазной группы, входящей в любую фазу, разделена по меньшей мере на две части, расположенные на смежных полюсах статора, причем на этих же полюсах расположены части катушек, входящих по меньшей мере в одну другую фазу, причем количество частей катушек, расположенных на каждом полюсе статора, совпадает с количеством частей, на которые разделена каждая катушка фазной группы. Для достижения требуемого эффекта, т.е. снижения индуктивности фазной обмотки на каждом статорном полюсе вместо одной катушки размещаются две (или более) катушки. Число витков этих двух катушек в сумме равно числу витков замещаемой катушки. Каждая из этих двух катушек будет относиться к разным фазным группам. Таким образом, последовательно соединенные катушки, входящие в одну фазную группу, расположены на разных полюсах статора, т.е. происходит условно называемое расщепление катушки (в традиционном смысле) на два или более статорных полюса. Оценим, насколько уменьшается максимальный момент, создаваемый машиной с предлагаемой обмоткой по сравнению с машиной, в которой на статорном полюсе находится по одной катушке. Рассмотрение проведем для случая q =2 - расщепление на два полюса, причем система возбуждения идентична в обоих случаях, и ампервитки полюса совпадают (т.е. ампервитки катушки, окружающей полюс в стандартном нерасщепленном варианте, равен сумме ампервитков катушек, размещенных на этом полюсе). В предположении синусоидальности и симметричности напряжений и токов, выражение для полной мощности машины может быть получено в следующем виде, где х - количество витков в первой катушке полюса, у - количество витков во второй катушке полюса:Uo - амплитуда первой гармоники ЭДС холостого хода;Io - амплитуда первой гармоники тока;- фазовый сдвиг между первой гармоникой тока и ЭДС холостого хода- фазовый сдвиг между ЭДС катушек соседних полюсов статора. Тогда для максимальной мощности и q =2 имеем следующую оценку, (при х=у): Для общего случая q катушек в полюсной группе справедлива следующая оценка: Численные значения проигрыша в максимальной мощности (моменте) приведены в таблице, где Nф количество фаз, q - количество катушек в полюсной группе. Таблица 1 Видно, что при большом количестве фаз проигрыш в мощности (моменте) весьма мал. В частности,в рассматриваемой далее в качестве примера машине с числом фаз, равным шести, проигрыш в мощности при расщеплении на две катушки составляет всего 3,4%. Оценим, насколько уменьшается индуктивность фазной обмотки по сравнению со стандартным случаем (q=1). Рассмотрение проведем для машин с возбуждением от постоянных магнитов, где отличными от нуля являются только взаимные индуктивности между соседними катушками. Пусть индуктивность одновитковой катушки, окружающей полюс, равна Lo. Тогда индуктивность нерасщепленной катушки равна Тогда индуктивность катушки, расщепленной на две части, составит: Здесь k - коэффициент связи катушек, расположенных на соседних полюсах статора. Он теоретически не превосходит 0,5. Численные расчеты дают величину 0,3-0,4 в зависимости от геометрии. Таким образом: Уменьшение индуктивности фазы при различных соотношениях числа витков в катушках (х/у) и коэффициентах связи (k) приведено в табл. 2. Видно, что даже при изменении отношения числа витков в катушках в два раза, коэффициент уменьшения индуктивности меняется достаточно слабо. Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлен пример осуществления электрической машины с ротором, расположенным коаксиально со статором внутри статора; на фиг. 2 а - схема выполнения катушек статора в прототипе; на фиг. 2 б - та же схема, но в предлагаемом изобретении при q=2; на фиг. 3 - одна из возможных схем распределения отдельных катушек по фазам. Осуществление изобретения На фиг. 1 представлен пример осуществления многофазной электрической машины с цилиндрическим ротором 2, расположенным внутри статора 1. Ротор 2 машины состоит из силовой немагнитной конструкции 9, на которой крепится магнитная система, состоящая из полюсов 4 ротора и постоянных магнитов 6. Силовая конструкция обеспечивает удержание центробежных сил, воздействующих на магнитную систему ротора, и передачу вращающего момента на вал машины. Тангенциально намагниченные постоянные магниты 6 размещены в межполюсных разрезах 5 ротора, причем направление намагниченности любых соседних магнитов противоположно. Возбуждение магнитного поля ротора может быть выполнено и другими способами, например с помощью обмоток возбуждения, охватывающих каждый полюс ротора и запитанных постоянным током. Магнитная система статора 1 состоит из двенадцати полюсов 3, равномерно расположенных по окружности статора и объединенных общим магнитопроводом - спинкой статора 8. Каждый из этих полюсов окружен двумя катушками статорной обмотки ix и iy, где i - номер полюса. Все катушки одного типа(х или у) одинаковые. Катушки разных типов могут отличаться числом витков и расположением относительно полюса статора. Две последовательно соединенные катушки типа х и типа у, охватывающие соседние полюса статора, образуют фазные группы, например 1 х-2 у, 2 х-3 у и т.д. Для чередования полярности соседних полюсов статора необходимо обеспечить протекание тока по проводникам катушек в фазной группе в соответствие с фиг. 2 б, где заглавными буквами обозначены фазные группы, а знак соответствует направлению протекания тока (для сравнения на фиг. 2 а представлено распределение токов в традиционной схеме выполнения фазных групп). Фазных групп в данной машине двенадцать, причем можно выделить шесть пар фазных групп, в которых угол сдвига фаз эдс, наведенной магнитным полем ротора, кратен 180 электрическим градусам. Так фазной группе 1 х-2 у соответствует фазная группа 7 х-8 у, причем сдвиг по фазе ЭДС группы 7 х-8 у относительно ЭДС группы 1 х-2 у составляет 180 электрических градусов. Нетрудно убедиться, что в рассматриваемом примере данный сдвиг будет соответствовать каждой паре фазных групп. Рассмотренные пары образуют шесть фаз при условии последовательного (или параллельного) соединения фазных групп, входящих в них. Ввиду сдвига на 180 электрических градусов последовательное соединение в одной фазе двух фазных групп должно быть осуществлено так, что конец обмоток одной группы соединен с концом обмотки другой группы, а начала обмоток обеих групп образуют выводы данной фазы. В рассматриваемом примере электрической машины питание осуществляется шестифазной системой токов, причем из фаз можно образовать две независимые трехфазные звезды. Здесь U1, V1 и W1 различные фазы первой трехфазной звезды, U2, V2, W2 различные фазы второй трехфазной звезды. Одна из возможных схем распределения отдельных катушек по фазам приведена на фиг. 3, где буквы Н и К обозначают начало и конец катушки соответственно и обозначены фазные группы в порядке их следования против часовой стрелки вдоль окружности статора на фиг. 1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Многофазная электрическая машина, содержащая явнополюсный ротор с четным числом полюсов и системой возбуждения, создающей в полюсах ротора магнитный поток, направление которого в любых соседних полюсах ротора противоположно, и явнополюсный статор, число полюсов которого отлично от числа полюсов ротора, имеющий совокупность катушек статора, подразделенную на идентичные фазные группы катушек, образующие фазы, причем катушки в каждой фазной группе соединены последовательно так, чтобы полярности соседних полюсов статора, создаваемые катушками фазной-3 012217 группы, чередовались между собой, отличающаяся тем, что каждая катушка фазной группы, входящей в любую фазу, разделена по меньшей мере на две части, расположенные на смежных полюсах статора,причем на этих же полюсах расположены части катушек, входящих по меньшей мере в одну другую фазу, причем количество частей катушек, расположенных на каждом полюсе статора, совпадает с количеством частей, на которые разделена каждая катушка фазной группы. 2. Многофазная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что ротор выполнен цилиндрическим и расположен коаксиально со статором внутри статора. 3. Многофазная электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что система возбуждения ротора выполнена на основе постоянных магнитов, размещенных в радиальных разрезах магнитопровода ротора и имеющих поочередно встречное тангенциальное направление намагниченности. 4. Многофазная электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что система возбуждения ротора выполнена с помощью обмоток возбуждения, охватывающих каждый полюс ротора и запитанных постоянным током.