Различные конфигурации электрических машин с магнитами на зубцах статора
Дмитриевский Владимир Александрович,
кандидат технических наук,
Прахт Владимир Алексеевич,
кандидат технических наук.
Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург.
В последнее время все большее внимание исследователей привлекают электрические машины с постоянными магнитами на статоре (ЭМ с ПМ на статоре). В англоязычной литературе [1] такой тип электрических машин называется stator interior permanent magnet machines или stator-PM mashine.
Основное достоинство ЭМ с ПМ на статоре – это отсутствие электрических проводников или постоянных магнитов на вращающемся роторе, в результате отсутствуют центробежные силы, действующие на магниты или электрические проводники, что положительно сказывается на конструктивной надежности и стоимости изготовления электрической машины. Магниты не нужно клеить на ротор или каким-то специальным образом крепить. Простота изготовления ротора удешевляет стоимость ЭМ. В частности, исключается необходимость применения нетривиальных методов крепления магнитов на роторе ЭМ с высокими скоростями движения [2]. Упрощение технологии изготовления ротора ЭМ с ПМ на статоре приводит к снижению себестоимости ЭМ. По большинству технических характеристик (массо-габаритные показатели, удельная мощность, электрический КПД) эти машины близки к вентильным электрическим машинам и превосходят их по надежности при разработке высокоскоростных приложений.
| Https://wifi-vdom.ru https://wifi-vdom.ru онлайм подключить интернет и в дмитровском районе. wifi-vdom.ru |
В [1] произведен обзор существующих конструкций ЭМ с ПМ на статоре. Одной из таких конструкций является электрическая машина с магнитами на зубцах статора (ЭММЗС). В англоязычной литературе такая конструкция называется flux-reversal permanent magnet machine. ЭММЗС имеет зубчатый ротор, зубчатый статор, обмотку на статоре и магниты, расположенные в зазоре между ротором и статором, прикреплённые к статору.
Достоинствами ЭММЗС по сравнению с другими ЭМ с ПМ являются:
— В отличие от большинства ЭМ с ПМ на статоре (flux switch permanent magnet и double salient permanent magnet machine [1]) в ЭММЗС магнитный поток через обмотки машины изменяется не от нуля до максимального своего значения, а меняет знак. Увеличение амплитуды колебания потока через обмотки машины при том же максимальном значении потока улучшает энергетические характеристики машины.
— Отсутствует магнитное поле от магнитов за пределами электрической машины, а, следовательно, к машине не прилипает ферромагнитный мусор.
Любая из рассмотренных в этой работе ЭММЗС может быть реализована в виде машины вращательного действия, линейной или дугостаторной машины. В дальнейшем мы сохраняет термины «ротор» и «статор», всякий раз имея виду три типа машин.
Вдоль направления вращения ЭММЗС (или движения линейной или дугостаторной ЭММЗС) её структура может повторяться несколько раз. Ниже преимущественно рассматриваются минимальные структуры, не содержащие повторений, называемые периодом.
1. Паттерны ЭММЗС
а) б)
Рис. 1. Паттерны ЭММЗС.
На рисунке 1 показаны некоторые способы расположения пазов и магнитов на статоре, а также геометрические соотношения между статором и ротором. Эти способы расположения активных элементов будем называть паттернами. Все рассмотренные в статье ЭММЗС являются трансформацией паттернов по определённым правилам.
Паттерны обладают следующими свойствами:
— длина магнита равна половине зубцового деления ротора;
— магниты располагаются впритык;
— поперечное сечение статора может иметь пазы для укладки катушек, причём расстояние между соседними пазами кратно удвоенной длине магнитов в паттерне I (см. рис. 1 (а)) и длине магнитов в паттерне II (см. рис. 1 (б)).
— на каждом зубце располагается равное количество магнитов разной намагниченности.
Таким образом, число зубцов ротора равно числу магнитов одинаковой намагниченности. Если в паттерне II соседние магниты на разных зубцах выполняются как один сплошной магнит, то при подсчёте магнитов он учитывается дважды.
Паттерн I (рис. 1а) характеризуется тем, что магниты, расположенные на зубце, изображённом слева, стремятся создать положительную разность магнитных (скалярных) потенциалов между статором и ротором, а магниты, расположенные на зубце, изображённом справа, отрицательную разность магнитных потенциалов. В результате по магнитопроводу статора протекает магнитный поток, охватывающий пазы статора. При смещении ротора на расстояние одного магнита магнитные потоки меняют своё направление. В результате в обмотке наводится ЭДС. ЭДС в соседних пазах сдвинута на 180º.
Однофазный двигатель на основе паттерна I (рис 2.) содержит чётное число пазов статора, на каждом зубце статора содержится чётное число магнитов, причём соседние магниты, расположенные на одном зубце, намагничены по-разному, а соседние магниты, расположенные на разных зубцах, намагничены одинаково. Число зубцов ротора равно числу одноимённых магнитов. Для обеспечения запуска однофазного электродвигателя возможно изготовить неравномерный воздушный зазор между ротором и статором.
а) б)
Рис. 2. Однофазный двигатель а) на основе паттерна I; б) на основе паттерна II.
На рис. 1б показан паттерн II. В этом паттерне все магниты создают одноимённую разность магнитных скалярных потенциалов. Поэтому в плоскости отсутствуют пути замыкания магнитного потока. Поэтому непосредственно расположение катушек в данном паттерне не имеет смысла, т.к. в них не будет наводиться ЭДС. Однако если расположить соосно два таких паттерна, создающих противоположные МДС между ротором и статором, то возникает магнитный поток.
Однофазный двигатель на основе паттерна II (рис.2б) имеет статор в виде магнитопровода вращения с одним единственным пазом, в который укладывается униполярная обмотка. На обоих зубцах статора располагаются магниты чередующейся намагниченности. Причём магниты на одном зубце сдвинуты на один магнит относительно магнитов на другом зубце. Число зубцов ротора равно числу магнитов одинаковой намагниченности на одном зубце статора.
Допускается изготовление однофазного двигателя на основе паттерна II, в котором магниты на обоих зубцах индуктора расположены без сдвига относительно друг друга. В этом случае ротор выполняется двухпакетным со сдвигом на половину зубового деления ротора.
Располагая на одной оси несколько однофазных ЭММЗС с различным сдвигом ротора относительно статора для различных машин, можно получить многофазную ЭММЗС.
2. Деформация паттерна и фазовый сдвиг
Паттерны обладают тем свойством, что число зубцов на роторе равно числу однонаправленных магнитов на статоре. Нарушение этого свойства будем называть деформацией паттерна. Деформация паттерна может происходить двумя способами:
— изменением зубцового деления ротора;
— если на паз статора приходится граница магнитов, то между магнитами создают воздушный промежуток, который может совпадать со шлицем паза (при сохранении геометрических размеров магнитов).
Как уже отмечалось, в пазах паттерна II ЭДС не наводится, однако после деформации ситуация изменяется, и в проводниках, уложенных в паз паттерна II, может создаваться ЭДС.
Пусть
ЭММЗС вращается с частотой 
. За один оборот ротора
мимо некоторого выбранного паза проходит количество зубцов, равное 
, где 
—
количество периодов, 
— количество зубцов ротора в
периоде. Угловая частота ЭДС, генерируемой на витках в пазу 
. Временной фазовый множитель имеет вид 
. Если в периоде статора 
пазов, то угловой размер зубцового
деления равен 
. Поэтому процессы, происходящие
в соседних пазах, разделены во времени на 
.
Таким образом, между ЭДС, генерируемыми в соседних пазах, имеем фазовый сдвиг 
, где знак + выбирается для паттерна II,
а знак – для паттерна I, что учитывает смену знака ЭДС, наводимых в соседних
пазах недеформированного паттерна I.
Фазовый сдвиг между соседними пазами равен
для паттерна II,
для паттерна I.
Отметим,
что в случае недеформированного паттерна кратно
. Поэтому при вычислении фазового сдвига
вместо количества зубцов на роторе можно подставлять в формулы количество
добавочных или недостающих зубцов на роторе по сравнению с недеформированным паттерном.
В частности, добавив половину зубцового деления ротора на каждый зубец статора в паттерне II, получим фазовый сдвиг 180º. На рис.3 представлен ещё один вариант однофазного двигателя. Он имеет чётное число зубцов на статоре. На каждом зубце содержится чётное число магнитов. На каждом периоде (два соседних зубца статора) число зубцов ротора больше или меньше на единицу числа магнитов одинаковой направленности. Электродвигатель с двумя магнитами на зубце статора описан в [3,4].
Рис. 3. Однофазный двигатель на основе паттерна II (второй вариант).
3. Трехфазные ЭММЗС
В ЭММЗС применяются сосредоточенные и распределенные обмотки. Первые создают фазовый сдвиг между токами соседних пазов, близкий 180º. Вторые создают фазовый сдвиг между токами соседних пазов, близкий 0º.
Распределенные обмотки ЭММЗС могут быть как однослойные, так и двухслойные. Двухслойные обмотки могут иметь укорочение шага, а могут не иметь. Возможно применение обмоток с дробным числом зубцов на полюс и фазу. У электрических машин, длина которых меньше радиуса, длина лобовых сторон катушек распределенной обмотки может оказаться значительно больше длины пазовых сторон катушек. Для сокращения сторон катушки, не создающих полезное магнитное поле, катушка может наматываться на ярмо.
ЭММЗС с рассредоточенными катушками имеют минимальный сдвиг ЭДС, наводимых в проводниках соседних пазов. Поэтому такие машины строятся на основе паттерна II и число зубцов ротора в периоде машины делают на единицу больше или меньше числа пар магнитов одинаковой намагниченности. Примеры ЭММЗС с распределённой обмоткой на базе паттерна II показаны на рис.4.
Однако
допускается изготовление ЭММЗС с распределенной однослойной обмоткой на основе
паттерна I. В этом случае число зубцов в периоде ротора выбирают на 
меньшим или большим количества
однонаправленных магнитов в периоде статора. Например, если статор имеет 6
зубцов и два магнита на каждом зубце (6 однонаправленных магнитов), то ротор
может содержать 2, 4, 8 или 10 зубцов. Примечательно, что если на рисунке 4а
каждый магнит разбить на 2 магнита, то этот двигатель можно рассматривать как
двигатель на основе паттерна I. Двигатель с 8 зубцами на роторе рассмотрен в [5].
а) b)
Рис. 4. Варианты ЭММЗС с рассредоточенной обмоткой.
Сосредоточенные обмотки могут быть однослойные и двухслойные.
В однослойных сосредоточенных обмотках обматывается каждый чётный зубец. В соседние пазы укладывается либо одна и та же фаза с противоположным знаком либо разные фазы с одним знаком (А и С; C и B; B и А; –А и –С;–C и –B; –B и –А). При этом число зубцов статора q, приходящихся на группу соседних катушек одинаковой фазы, включая необмотанные зубцы всегда чётно, а число зубцов, приходящихся на период, равно 6q, т.е. 12, 24, 36 и т.д. Например, при q=2 имеем А|-A|-C|C|B|-B|-A|A|C|-C|-B|B.
Поскольку между токами соседних пазов достигается сдвиг фазы близкий 180º, то ЭММЗС с сосредоточенной однослойной обмоткой естественно выполнять на основе паттерна I (рис. 5). При этом для обеспечения минимального отклонения сдвига фаз между ЭДС, действующих на проводники в соседних пазах, от 180º число зубцов ротора на единицу больше или меньше числа магнитов одинаковой намагниченности.
Рис. 5.
Однако
допускается изготовление ЭММЗС с сосредоточенной однослойной обмоткой на основе
паттерна II. В этом случае число зубцов в периоде ротора выбирают на меньшим или большим количества магнитов
одинаковой намагниченности на статоре.
В двухслойных
сосредоточенных обмотках в один паз укладываются либо одинаковые фазы с одним
знаком, либо разные с разным (А и –С;
–С и B; B и –A; –A и C; C и –B; –B и A).
В
двухслойных сосредоточенных обмотках с чётным q число соседних зубцов статора,
обматываемых одной фазой, равно 6q, т.е. 12, 24, 36 и т.д. Например, при
q=2 имеем A|-A-A|A-C|CC|-CB|-B-B|B-A|AA|-AC|-C-C|C
-B|BB|-B.
Однослойная сосредоточенная обмотка с чётным q и двухслойная сосредоточенная обмотка взаимозаменяемы. Более того, только правые или только левые слои двухслойной обмотки повторяют укладку однослойной обмотки.
В двухслойных сосредоточенных обмотках с нечётным числом зубцов статора q, охватываемых группой соседних катушек одинаковой фазы, приходящихся на период, равно 3q, т.е. 3, 9, 15 и т.д.
Поскольку эти обмотки характеризуются нечётным числом зубцов в периоде на статоре, применение паттерна I невозможно. На рис 6. показана ЭММЗС с тремя пазами в периоде статора на базе паттерна II. Даже появление одного дополнительного или недостающего зубца в периоде ротора приводит к сдвигу фазы 120°. Такой двигатель может содержать 2, 4 или 5 зубцов на период.
Рис. 6. Двигатель с сосредоточенной обмоткой при q=1.
Для
двухслойных сосредоточенных обмоток с нечётным 
число
дополнительных пазов на период конструкции выбирают равным ближайшему целому 
.
Например, при q=3 имеем A|-A-A|AA|-AC|-C-C|CC|-CB|-B-B|BB|-В. Если зубец статора содержит 2 магнита, то на период ротора может приходиться 4,5,13 или 14 зубцов. Если зубец статора содержит 4 магнита, то 13, 14, 22 или 23.
По способу исполнения двухслойные сосредоточенные обмотки в ЭММЗС могут быть с горизонтальными слоями и с вертикальными слоями (рис. 7).
Рис. 7. Способы укладки сосредоточенных двухслойных обмоток.
4. Совершенствование конструкции ЭММЗС
В настоящее время редкоземельные магниты являются самым дорогим материалом, применяемым в электрических машинах. С целью экономии магнитов, соприкасающиеся части магнитов разной намагниченности могут быть заменены некоторым зазором между ними, что практически не снижает технические характеристики электрической машины, поскольку в местах соприкосновения потоки магнитов замыкаются сами на себя и фактически не участвуют в создании потока в воздушном зазоре (на рис. 8 изображен линейный аналог, но подобное техническое решение возможно для дугостаторных и классических круговых ЭМ).
Рис. 8.
При высоких скоростях (оборотах вращения) в машинах с ПМ могут быть довольно существенные потери в магнитах, если магниты выполнены из монолитного материала. Для сокращения потерь выполняют разбиение магнитов на несколько фрагментов (шихтовку). Разбиение магнитов выполняют в поперечной плоскости (в плоскости рисунка), что является традиционной шихтовкой, направление которой совпадает с направлением обычно применяемой шихтовки магнитопроводов, так же поперёк окружности ротора или движения ВЭ (в случае линейного аналога). Второй способ показан на рис. 9а.
Разбиением магнитов на части можно снизить потери не только в ЭММЗС но и в машинах с магнитами на поверхности ротора, машинах с магнитами внутри ротора (interior permanent magnet machine), а также в машинах с магнитами в зубце статора (flux switching machine) и в ярме статора (double salient permanent magnet machine).
Потери в магнитах можно снизить, разместив над магнитом магнитомягкий материал, выполняющий роль распределителя магнитного потока (см. рис. 9 (б) и рис. 9 (в)). Магнитный поток стекает с зубца и равномерно распределяется по магниту, что несколько уменьшает магнитные потери.
Помимо уменьшения потерь распределитель потока обеспечивает уменьшение сопротивления магнитной цепи машины и тем самым улучшает её технические характеристики.
Кроме того, распределитель потока уменьшает зазор машины. Магниты более не находятся в зазоре, а оказываются внутри зубца статора. Это очень важно для многополюсных высокомоментных машин, постольку уменьшение магнитного зазора позволяет увеличить количество зубцов ротора.
Рис. 9.
На рис. 9в показан способ крепления распределителя потока посредством магнитного моста. Зубец статора снабжается зубчиками, в которых выполняют отверстие для магнитов. Это позволяет упростить технологию изготовления статора.
Литература
3. Ki Bong Jang, Sung Hong Won, Tae Heoung Kim, and Ju Lee. Starting and High-Speed Driving of Single-Phase Flux-Reversal Motor for Vacuum Cleaner. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 41, NO. 10, OCTOBER 2005.
4. Rajesh P. Deodhar, Svante Andersson, Ion Boldea, Timothy J. E. Miller. The Flux-Reversal Machine: A New Brushless Doubly-Salient Permanent-Magnet Machine. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 33, NO. 4, JULY/AUGUST 1997.
5. C. X. Wang, Ion Boldea, Syed A. Nasar, IEEE. Characterization of Three Phase Flux Reversal Machine as an Automotive Generator. IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 16, NO. 1, MARCH 2001.
Поступила в редакцию 20.12.2011 г.