Вентильно индукторный двигатель: Вентильно-индукторный двигатель ДВИ

Вентильно-индукторный двигатель с принудительным воздушным охлаждением

 

Предложение относится к частотно-регулируемому электроприводу и может быть применено при конструировании и изготовлении вентильно-индукторных двигателей с принудительным воздушным охлаждением. Технический результат полезной модели — повышение эффективности отвода тепла от наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов вентильно-индукторного двигателя, снижение их рабочей температуры и соответствующее увеличение надежности двигателя. Двигатель содержит корпус (1), на поверхности которого выполнены в аксиальном направлении теплоотводящие ребра (2), и автономный вентилятор (3), подающий воздух в торец корпуса (1) посредством воздуховода (4). Во внутренней полости корпуса (1) размещены зубчатые пакеты (5) статора с фазными обмотками (6), кольцевые обмотки возбуждения (7), а также зубчатые пакеты ротора (8), закрепленные на валу (9). Вал (9) ротора установлен в опорах вращения (10). В пакетах (5) статора в аксиальном направлении выполнены каналы (12) внутреннего охлаждения. Оребренная поверхность корпуса (1) частично покрыта приваренными к вершинам ребер (2) стальными листами (13) с созданием каналов (14) наружного охлаждения между ребрами (2). Входы (15) в каналы (14) наружного охлаждения выполнены из внутренней полости корпуса (1). 1 з.п.ф., 2 ил.

Область техники

Предложение относится к частотно-регулируемому электроприводу и может быть применено при конструировании и изготовлении вентильно-индукторных двигателей с принудительным воздушным охлаждением.

Уровень техники

Известны электрические машины с принудительным воздушным охлаждением, содержащие корпус с аксиально оребренной наружной поверхностью, вентилятор с воздуховодом, подводящим охлаждающий воздух в торец корпуса, и размещенные в корпусе шихтованные пакеты статора с фазными обмотками и шихтованные пакеты ротора, закрепленные на валу двигателя [1-3]. Охлаждение машин [1-3] характеризуется наличием аксиальных воздушных потоков, обдувающих шихтованные пакеты статора, ротора и оребренную поверхность корпуса.

Общим недостатком конструкций электрических машин [1-3] является невысокая эффективность теплоотвода от корпуса и размещенных в нем пакетов статора, что приводит к повышению температуры во внутренних областях пакетов статора и соответствующему снижению надежности двигателя. Этот недостаток в конструкции [1] обусловлен отсутствием каналов охлаждения внутри пакетов статора и в корпусе, а в конструкциях [2, 3] — использованием в качестве каналов охлаждения полых ребер, сформированных на поверхности корпуса из гофрированного металлического листа и поэтому имеющих плохую тепловую связь с корпусом.

Указанный недостаток особенно сильно проявляется в случае использования конструктивных решений [1-3] для охлаждения вентильно-индукторных двигателей, что обусловлено повышенной частотой питания их фазных обмоток от вентильных преобразователей, увеличивающей потери в стали, а также тем, что в таких двигателях основная доля тепловых потерь выделяется в статорной части машины, где располагаются как фазные обмотки, так и обмотки возбуждения двигателя.

Раскрытие существа полезной модели

Задача полезной модели — повышение эффективности охлаждения двигателя.

Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели — повышение эффективности отвода тепла от наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов вентильно-индукторного двигателя, снижение их рабочей температуры и соответствующее увеличение надежности двигателя.

Предметом полезной модели является вентильно-индукторный двигатель, содержащий корпус с аксиально оребренной поверхностью, вентилятор, подающий охлаждающий воздух в торец корпуса, и размещенные во внутренней полости корпуса зубчатые пакеты статора с фазными обмотками, кольцевые обмотки возбуждения и зубчатые пакеты ротора, закрепленные на валу, установленном в опорах вращения. При этом в зубчатых пакетах статора выполнены аксиальные каналы внутреннего охлаждения, а оребренная поверхность корпуса, по меньшей мере, частично покрыта приваренными к вершинам ребер стальными листами с созданием каналов наружного охлаждения между ребрами.

Приведенная совокупность признаков позволяет получить указанный выше технический результат.

Полезная модель имеет развитие, направленное на упрощение конструкции в частном случае ее осуществления. Развитие состоит в том, что входы в каналы наружного охлаждения выполнены из внутренней полости корпуса двигателя.

Осуществление полезной модели с учетом ее развития

На фиг.1 и фиг.2 показан пример осуществления предлагаемого вентильно-индукторного двигателя. На фиг 1 представлен общий вид двигателя, на фиг.2 — сечение корпуса двигателя с установленными в нем пакетами статора (условно без обмоток).

Двигатель на фиг.1 и фиг.2 содержит корпус 1 (в форме срезанного пустотелого цилиндра), на поверхности которого выполнены в аксиальном направлении теплоотводящие ребра 2, и автономный вентилятор 3, подающий воздух в торец корпуса 1 посредством направляющего воздуховода 4. Во внутренней полости корпуса 1 закреплены две пары зубчатых пакетов 5 статора с фазными обмотками 6 и две кольцевые обмотки 7 возбуждения, по одной на каждую пару пакетов 5.

Две пары зубчатых пакетов 8 ротора закреплены на валу 9, установленном в опорах вращения 10 с помощью втулки 11 из магнитомягкого материала, обеспечивающей магнитную связь между пакетами 8 ротора.

Пакеты 5 статора и пакеты 8 ротора шихтованы из листов электротехнической стали. Число зубцов пакетов статора и ротора различно.

В пакетах 5 статора в аксиальном направлении выполнены каналы 12 внутреннего охлаждения так, что под каждым пазом пакета 5 статора размещена пара каналов 12. Оребренная поверхность корпуса 1 частично покрыта приваренными к вершинам ребер 2 стальными листами 13 с созданием каналов 14 наружного охлаждения в промежутках между ребрами 2.

Вентилятор 3 с воздуховодом 4, каналы 12 внутреннего охлаждения и каналы 14 наружного охлаждения образуют систему принудительного охлаждения двигателя. Вентилятор 3 может, как в представленном примере, иметь автономный привод и подавать охлаждающий воздух в торец двигателя через воздуховод 4 или иметь кинематическую связь с валом 9 двигателя (например, вентилятор 3 может быть закреплен непосредственно на валу 9). В последнем случае входы 15 в каналы 14 наружного охлаждения могут быть выполнены из внутренней полости корпуса 1.

Устройство работает следующим образом.

На обмотки 7 возбуждения и фазные обмотки 6, а также на электродвигатель автономного вентилятора 3 подаются от внешних источников соответствующие питающие напряжения. Магнитные потоки, создаваемые фазными обмотками 6 и обмотками 7 возбуждения, замыкаются через пакеты 8 ротора. Принцип действия двигателя основан на магнитном притяжении зубца пакета ротора к ближайшему зубцу пакета статора. Соответствующие токи в фазных обмотках 6, задаваемые питающими их вентильными преобразователями, и неравенство зубцов в пакетах 5 статора и пакетах 8 ротора обеспечивают плавное вращение вала 9 с регулируемой частотой и требуемым вращающим моментом.

При этом охлаждение двигателя осуществляется следующим образом.

Вращающийся вентилятор 3 гонит атмосферный воздух через направляющий воздуховод 4 в торец корпуса 1, где охлаждающий воздух разделяется на:

— первый поток, проходящий вдоль наружной поверхности корпуса 1 по каналам 14 наружного охлаждения, образованным листами 13, приваренными к вершинам ребер 2;

— второй поток, проходящий по каналам 12 внутреннего охлаждения сквозь пакеты 5 статора;

— третий поток, проходящий через межзубцовые пазы пакетов 5 статора и пакетов 8 ротора и зазоры между пакетами 5 статора и пакетами 8 ротора.

Первый поток отводит тепло с ребер 2 корпуса 1, имеющего хороший тепловой контакт с пакетами 5 статора, интенсивно нагреваемых фазными обмотками 6, обмотками возбуждения 7 и вихревыми токами в стали. При этом листы 13 не заменяют теплоотводящие ребра корпуса (в отличие от гофрированных листов в [2, 3]), а служат только для формирования охлаждающего воздушного потока вдоль поверхности ребер 2 корпуса 1. В тех случаях, когда входы 15 в каналы 14 выполнены из внутренней полости корпуса 1, первый поток формируется из воздуха, нагнетаемого вентилятором 3 в торец корпуса 1, в виде воздушных струй, входящих в каналы 14 из внутренней полости корпуса 1 через входы 15.

Второй поток отбирает тепло из внутренних областей шихтованных пакетов 5 статора, от фазных обмоток 6 и обмоток 7 возбуждения, а третий — с зубцовых поверхностей пакетов 5 статора и пакетов 8 ротора.

Поскольку основная доля тепловых потерь вентильно-индукторного двигателя выделяется в его статоре, главную роль в охлаждении двигателя играют первый и второй потоки, формируемые в каналах 12 и 14 соответственно.

Выполнение вентильно-индукторного двигателя в корпусе с аксиально оребренной поверхностью, по меньшей мере, частично покрытой приваренными к вершинам ребер стальными листами, образующими каналы наружного охлаждения, и с аксиальными каналами внутреннего охлаждения, выполненными в шихтованных пакетах статора, обеспечивает в совокупности с другими существенными признаками полезной модели снижение рабочей температуры наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов вентильно-индукторного двигателя и соответствующее увеличение надежности двигателя.

Выполнение каналов 14 наружного охлаждения с входами 15, выполненными из внутренней полости корпуса позволяет сохранить эффективность охлаждения в частных случаях осуществления полезной модели, например, при использовании встроенного вентилятора. Источники информации

1. Патент RU 217318, МПК Н02К 9/04, 2001 г.

2. Патент RU 2089033, МПК Н02К 9/04, 1997 г.

3. Авт. свид. SU 1179483, МПК Н02К 9/02, 1985 г.

1. Вентильно-индукторный двигатель, содержащий корпус с аксиально-оребренной поверхностью, вентилятор, подающий охлаждающий воздух в торец корпуса, и размещенные во внутренней полости корпуса зубчатые пакеты статора с фазными обмотками, кольцевые обмотки возбуждения и зубчатые пакеты ротора, закрепленные на валу, установленном в опорах вращения, при этом в зубчатых пакетах статора выполнены аксиальные каналы внутреннего охлаждения, а оребренная поверхность корпуса, по меньшей мере, частично покрыта приваренными к вершинам ребер стальными листами с созданием каналов наружного охлаждения между ребрами.

2. Двигатель по п.1, в котором входы в каналы наружного охлаждения выполнены из внутренней полости его корпуса.

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением с жидкостной системой охлаждения

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильно-индукторным двигателям с независимой катушкой возбуждения. Технический результат — повышение эффективности охлаждения катушки независимого возбуждения вентильно-индукторного двигателя, а также сокращение электромагнитных потерь двигателя. Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением с жидкостной системой охлаждения содержит размещенные в корпусе два статора с фазными обмотками, соединенные между собой магнитопроводом, зубчатый двухпакетный ротор, закрепленный на валу магнитопроводящей втулки, катушку независимого возбуждения, расположенную неподвижно между пакетами ротора, а также микроконтроллер с силовыми ключами, обеспечивающий подачу напряжения на обмотки статора и катушку независимого возбуждения. Двигатель содержит каналы принудительного жидкостного охлаждения, а катушка крепится на двух круглых деталях, изготовленных из композитного материала на основе керамики, которые образуют герметичный отсек для катушки, сообщающийся с каналами жидкостного охлаждения и наполняемый охлаждающей жидкостью. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильно-индукторным двигателям с независимой катушкой возбуждения, и может быть использовано в качестве двигателей транспортных средств.

Известна система охлаждения закрытой электрической машины (патент на изобретение № RU2609466 от 22.12.2015), содержащая выполненные в корпусе статора вдоль его окружности концентрично оси машины и закрытые металлической оболочкой каналы принудительного жидкостного охлаждения, с основаниями в виде выступающих из него турболизаторов, а также расположенный над этой оболочкой закрытый с наружной стороны машины также металлической оболочкой и герметизированный от проникновения охлаждающей жидкости и наружного воздуха теплообменник в виде полости, принадлежащей замкнутой системе принудительного воздушного охлаждения от расположенного внутри машины на ее валу центробежного вентилятора, при этом стенки, разделяющие каналы жидкостного охлаждения машины, имеют выступы, к которым крепятся листы металлических оболочек, разделяющих системы жидкостного и воздушного охлаждения, и поверхности которых, обращенные внутрь теплообменника, имеют рифленую поверхность, выполненную накаткой или нанесением на нее турболизаторов, подобных турболизаторам на основании каналов жидкостного охлаждения, причем стенки, разделяющие каналы жидкостного охлаждения, выходят за пределы закрывающих их оболочек, разделяя теплообменник на отдельные области цилиндрической формы, но не перекрывают поток прогоняемого вентилятором нагретого воздуха через него, так как имеют для его осевого перемещения равномерно распределенные по окружности стенок прорези, и к тому же за вентилятором перед входом создаваемого им воздушного потока в корпус по наружному периметру вентилятора установлен направляющий аппарат, отличающая тем, что снабжена дополнительными системами принудительного жидкостного охлаждения катушек обмотки возбуждения, расположенных в металлическом каркасе цилиндрической формы между пакетами статора, каждая из которых включает в себя выполненные в цилиндрическом корпусе машины с центрами на верхней и нижней его образующих по два сквозных отверстия, расстояние между которыми равно расстоянию между серединами цилиндрических поверхностей боковых стенок каркасов, а также выполненные в каркасе и расположенные на диаметрально противоположных его сторонах Π-образные каналы, верхний из которых содержит два расположенных соосно с отверстиями в корпусе радиальных отверстия, выполненных в верхней части боковых стенок каркаса, а нижний два расположенных соосно с отверстиями в корпусе радиальных отверстия, выполненных в нижней части боковых стенок каркаса, причем радиальные отверстия и в верхней и нижней частях каркаса попарно соединены закрытыми с обеих торцевых сторон осевыми отверстиями, выполненными в цилиндрическом основании каркаса, а каждое из этих осевых отверстий контактирует с двумя рядами выполненных с наружной стороны цилиндрической поверхности каркаса под углом к ней и разделенных ориентированными вдоль оси машины и расположенными над осевыми отверстиями, двумя гладкими участками в виде полосок поверхности основания каркаса, при этом на всю остальную часть этой поверхности нанесены турболизаторы, закрытые по внешней своей поверхности металлическими листами, приваренными к оставленными гладкими участкам цилиндрического основания каркаса и к основаниям боковых его сторон.

В описанной системе охлаждения двигателя для отвода тепла от катушки возбуждения используют П-образные каналы, что является не достаточно эффективным, а также требует большего пространства и, как следствие, увеличения габаритов двигателя.

Известна также комбинированная система охлаждения закрытой индукторной машины (патент на изобретение № RU2695320 от 19.07.2016), имеющей пакеты статора с рабочей обмоткой и установленные на магнитопроводящей втулке пакеты ротора с размещенной между ними обмоткой возбуждения, содержащая выполненные в корпусе статора и закрытые с наружной его стороны металлической оболочкой каналы системы принудительного жидкостного охлаждения машины и расположенный внутри машины центробежный вентилятор, принадлежащий замкнутой системе принудительного воздушного охлаждения, отличающаяся тем, что имеются кольцевые полости охлаждения подшипниковых щитов, выполненные с наружной их стороны концентрично валу с выступающими из их основания турбулизаторами, связанные с жидкостной системой охлаждения корпуса не выходящими за пределы машины перепускными каналами и герметично закрытые с наружной их стороны металлической пластиной, а вентиляторы расположены с обеих сторон ротора и каждый из них выполнен в виде закрепленного на торцевой поверхности магнитопроводящей втулки вентиляционного диска, на обращенной к ротору поверхности которого выполнены радиальные каналы и объединяющий их периферийный кольцевой канал, и кольцевой прилегающей к торцевой стороне магнитопровода ротора вентиляционной пластины с наружным диаметром, меньшим диаметра ротора, которая перекрывает обращенную к ротору поверхность вентиляционного диска и имеет выполненные в ней вентиляционные отверстия, число которых равно или кратно числу зубцов ротора и которые расположены в пределах и симметрично оси каждой из его впадин.

В конструкции описанного аналога жидкостью охлаждают только корпус машины, а охлаждение внутренних элементов осуществляется движением воздуха внутри машины с помощью использования в ней воздушной составляющая системы охлаждения — турбулизаторов, что приводит к росту габаритов рассматриваемого устройства и усложнению его конструкции. Кроме того, потери тепла на центральной катушке индуктивности в номинальном режиме составляют 6кВт/ч, а при пиковых нагрузках этот параметр возрастает до 15кВт/ч, отвести такое количество тепла воздухом в замкнутой системе крайне сложно. Более того, отвод тепла осуществляется только с торцов катушки, на практике приведет к перегреву с последующим выходом из строя катушки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является закрытая электрическая машина с жидкостной системой охлаждения (патент на изобретение № RU 2713195 от 01.08.2019), содержащая двухпакетный зубчатый по расточке статор с расположенными на его зубцах катушками обмотки якоря, установленный в корпусе с выполненными с его наружной поверхности концентрично оси машины и закрытыми металлической оболочкой каналами, принадлежащими жидкостной системе принудительного жидкостного охлаждения, закрепленный на валу магнитопроводящей втулки зубчатый ротор, расположенную неподвижно между пакетами ротора обмотку возбуждения, подшипниковые щиты с втулками для установки в них подшипников, а также входной и выходной коллекторы жидкостной системы охлаждения, отличающаяся тем, что пакеты статора выполнены из магнитомягкого композиционного материала Somaloy в виде прилегающих друг к другу отдельных симметрично расположенных относительно продольной оси симметрии машины сегментов, имеющих при этом выполненные с торцевых их сторон фиксирующие элементы для обеспечения необходимой взаимной ориентации сегментов статора в машине по окружности и выполненные с наружной поверхности каждого из сегментов статора принадлежащие системе охлаждения полости и выступающие по их краям ориентированные вдоль продольной оси машины выступы прямоугольной формы, а расположенные же по окружности, концентричной валу, полости с внешней стороны корпуса выполнены не сплошными, а в виде отдельных не соприкасающихся друг с другом и смещенных к наружным торцам сегментированных пакетов статора отдельных полостей овальной или прямоугольной формы, расположенных симметрично линиям соприкосновения сегментов статора и имеющих к тому же выполненные в них под острым углом к основанию полостей в сегментах статора по два сквозных входящих в каждую полость отверстия, обеспечивающих последовательное перемещение жидкости из полости одного сегмента статора в полость следующего по окружности сегмента, при этом поступает охлаждающая жидкость в каналы корпуса из полостей сегментов статора, расположенных под верхним коллектором с выходом из него в эти полости через два отверстия в корпусе, смещенные к ближним к его средней части краям полостей, а выводится охлаждающая жидкость в нижний коллектор через два отверстия в нижней части корпуса, на внутренней же поверхности корпуса имеются пазы для размещения в них выступов, выполненных на внешней поверхности сегментированных пакетов статора, а на внутренней поверхности каждого из пакетов ротора, напротив, выполнены несколько выступов прямоугольной формы, на внешней же поверхности магнитопроводящей втулки с обеих ее сторон под пакетами ротора имеется столько же пазов для их размещения, но большей по сравнению с высотой входящих в них выступов глубиной, и каждая из образовавшихся таким образом под каждым выступом ротора щелей, предназначенных для протекания по ним охлаждающей жидкости, имеет два исходящих из нее выхода, один из которых в виде щели, образован неполным перекрытием пакетом ротора пазов во втулке со стороны обмотки возбуждения, а второй выполнен в виде отверстия в магнитопроводящей втулке, направлен под углом к оси машины и выходит из этой втулки со стороны подшипникого щита с выполненным в нем каналом доставки примерно 40% жидкости из нижнего коллектора по внешним трубопроводам после охлаждения ей статора в выполненные в подшипниковых щитах герметически охватывающие втулки подшипников цилиндрические полости с исходящими из них отверстиями с выходом в сторону торцевой поверхности магнитопроводящей втулки и исходящими из этой же полости и направленными внутрь подшипников соосными отверстиями во втулке подшипника и во внешнем его кольце, выход же охлаждающей жидкости из внутренних областей машины, так же как и шестидесяти процентов ее объема, использованного только для охлаждения статора, производится принудительно струйным насосом, но через специально выполненное для этого в нижней части корпуса отверстие.

Система охлаждения прототипа имеет три основных недостатка:

— такая система работает только когда происходит вращение ротора, то есть, когда автомобиль стоит на месте, система не способна отводить достаточное количество тепла, что очень важно, так-как температура возрастает постепенно и при активных разгонах и торможениях с использованием рекуперации произойдет перегрев на следующем светофоре;

— охлаждение катушки возбуждения жидкостью происходит только снаружи, что не позволит сделать ее достаточно большой;

— большие кинетические потери возникают в процессе разбрызгивания масла.

Задачей заявляемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении эффективности охлаждения катушки независимого возбуждения вентильно-индукторного двигателя, а также сокращении электромагнитных потерь двигателя.

Для достижения указанного технического результата предлагается вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением с жидкостной системой охлаждения, содержащий размещенные в корпусе два статора с фазными обмотками, соединенных между собой магнитопроводом, зубчатый двухпакетный ротор, закрепленный на валу магнитопроводящей втулки, катушку независимого возбуждения, расположенную неподвижно между пакетами ротора, а также микроконтроллер с силовыми ключами, обеспечивающий подачу напряжения на обмотки статора и катушку независимого возбуждения, при этом двигатель содержит каналы принудительного жидкостного охлаждения, а катушка крепится на двух круглых деталях изготовленных из композитного материала на основе керамики, которые образуют герметичный отсек для катушки, сообщающийся с каналами жидкостного охлаждения и наполняемый охлаждающей жидкостью.

Подача жидкости в каналы принудительного жидкостного охлаждения осуществляется через отверстия в нижней части магнитопровода статора, а отвод жидкости через отверстия в верхней части двигателя.

Сущность изобретения поясняется рисунками двигателя и системы охлаждения двигателя.

На фигуре 1 представлен разрез общего вида двигателя, на фигуре 2 представлена 3D модель двигателя и системы его охлаждения, где:

1 – обмотки статора;

2 – катушка независимого возбуждения;

3 – корпус;

4 – статоры;

5 – магнитопровод статоров;

6 – пакеты ротора;

7 – вал ротора;

8 – каналы принудительного жидкостного охлаждения;

9 – детали крепления катушки;

10 – магнитопроводящая втулка роторов.

Двигатель преобразует потенциальную электрическую энергию в механическую работу, используемую для передвижения транспортных средств, и состоит из силовой части, в которой происходит упомянутое преобразование энергии из одного вида в другой, и микроконтроллера (на фигуре не показан) с силовыми ключами, обеспечивающего подачу электроэнергии в обмотки статора 1 и катушку независимого возбуждения 2.

Данный двигатель имеет жидкостную систему охлаждения, содержит размещенные в корпусе 3 два статора 4 с фазными обмотками 1, соединенных между собой магнитопроводом 5, зубчатый двухпакетный ротор 6, закрепленный на валу 7 магнитопроводящей втулки 10, катушку независимого возбуждения 2, расположенную неподвижно между пакетами ротора 6, а также микроконтроллер с силовыми ключами (на фигуре не показан), обеспечивающий подачу напряжения на обмотки статора 1 и катушку независимого возбуждения 2, при этом двигатель содержит каналы принудительного жидкостного охлаждения 8, а катушка 2 крепится на двух круглых деталях 9 изготовленных из композитного материала на основе керамики, которые образуют герметичный отсек для катушки 2, сообщающийся с каналами жидкостного охлаждения 8 и наполняемый охлаждающей жидкостью, таким образом катушка возбуждения 2 полностью погружена в охлаждающую жидкость (например трансформаторное масло).

Подача жидкости осуществляется через отверстия в нижней части магнитопровода статора (на фигуре не показаны), далее жидкость проходит по каналам 8 в детали из керамики 9, попадает в центральную часть и наполняет отсек, в котором находится катушка независимого возбуждения 2, жидкость отбирает тепло непосредственно от катушки 2, которая разделена на шесть сегментов, для более эффективного охлаждения, и удаляется через отверстия в верхней части двигателя (на фигуре не показаны).

Тяговые характеристики данного двигателя позволяют устанавливать в транспортные средства без использования КПП. Возможно использование одновременно нескольких двигателей в одном транспортном средстве. Двигатель также может работать в режиме рекуперации, используя силу торможения для генерации электрической энергии.

Устройство работает следующим образом.

На фазные обмотки статоров и на катушку независимого возбуждения подается напряжение. Магнитные потоки, создаваемые фазными обмотками, замыкаются через магнитопроводы и пакеты ротора и статоров.

Охлаждение двигателя осуществляется путем подачи охлаждающей жидкости в каналы системы охлаждения, которая подводится к двигателю с помощью внешнего циркуляционного насоса. Охлаждение жидкости производится во внешнем радиаторе. Жидкость подают через отверстия в нижней части магнитопровода статора. По каналам жидкость поступает также в центральную часть двигателя и наполняет отсек, в котором находится катушка независимого возбуждения, полностью погружая катушку в жидкость, жидкость отбирает тепло непосредственно от катушки, и откачивается внешним насосом через отверстия в верхней части двигателя.

Применяемые композитные материалы на основе керамики позволяют сократить электромагнитные потери, что приведет к увеличению КПД и мощности двигателя, обеспечивают надежную работу двигателя при высоких температурах, расширяя его эксплуатационные характеристики. Керамика эффективна при работе с высокими температурами, способствует лучшему отводу тепла и является абсолютным диэлектриком. Погружение катушки в охлаждающую жидкость в емкости из материала на основе керамики позволяет обеспечить максимально эффективный отвод тепла от нее, это позволит сделать катушку большего размера, чем в устройствах-аналогах, в том числе это становится возможным благодаря разделению катушки независимого возбуждения на секции. Такое решение позволит использовать данный тип двигателей в легковых транспортных средствах и исключает необходимость использования воздушного или комбинированного охлаждения, приводящего к увеличению габаритов двигателя.

Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» заявляемого изобретения.

Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

1. Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением с жидкостной системой охлаждения, содержащий размещенные в корпусе два статора с фазными обмотками, соединенных между собой магнитопроводом, зубчатый двухпакетный ротор, закрепленный на валу магнитопроводящей втулки, катушку независимого возбуждения, расположенную неподвижно между пакетами ротора, каналы принудительного жидкостного охлаждения, а также микроконтроллер с силовыми ключами, обеспечивающий подачу напряжения на обмотки статора и катушку независимого возбуждения, отличающийся тем, что катушка крепится на двух круглых деталях, изготовленных из композитного материала на основе керамики, которые образуют герметичный отсек для катушки, сообщающийся с каналами жидкостного охлаждения и наполняемый охлаждающей жидкостью.

2. Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением по п.1, отличающийся тем, что катушка независимого возбуждения разделена на шесть сегментов.

IS Импульсный реактивный двигатель (SRM) Будущее электромобилей?

Что такое вентильный реактивный двигатель?

Реактивный реактивный двигатель «SRM», также называемый электродвигателем с регулируемым реактивным сопротивлением, привлекает все большее внимание в промышленных приложениях, таких как электромобили и ветроэнергетические системы, благодаря своей простой и прочной конструкции. SRM имеют лучшую эффективность, лучшую надежность, высокую отказоустойчивость, высокий коэффициент постоянной мощности и скорости (CPSR) и устойчивость к высоким температурам по сравнению с другими типами двигателей, такими как асинхронные двигатели, синхронные двигатели с постоянными магнитами и бесщеточные двигатели постоянного тока. Развитие преобразователей силовой электроники и их новейшие методы управления являются основными причинами увеличения использования SRM.

SRM состоит из сердечников статора и ротора, которые состоят из пакета ламинированных листов электротехнической стали. Катушки наматываются непосредственно на зубец статора или могут быть намотаны на бобину, а затем вставлены в зубец статора для достижения более высокого коэффициента заполнения катушки. Ротор с выступающими полюсами свободен от магнитов и обмоток, как показано на рисунке ниже.

3D CAD-вид 8-слотового-6-полюсного переключаемого реактивного двигателя с использованием программного обеспечения EMWorks

В природе у нас есть либо жидкости, либо электрические токи, либо магнитные поля, и все они любят течь по пути наименьшего сопротивления и ничего, кроме пути наименьшего сопротивления, что означает более высокую индуктивность. Таков основной принцип работы вентильных реактивных двигателей. Причина, по которой он называется переключаемым, заключается в том, что после того, как полюса статора и ротора выровнены, он быстро переключается на следующую фазу, так что ротор продолжает преследовать возбужденную фазу, как показано на анимации ниже. Следовательно, в роторе развивается реактивный момент.

Magnetic Flux Density Plot of SRM

Key Advantages of Switched Reluctance Motor

• Simple and rugged structure
• Magnetless brushless motor
• Higher reliability and efficiency
• Reduced material cost and manufacturing time
• Less weight and reduced сложность
• Улучшенные тепловые характеристики

Проблемы проектирования 

• Построение 2D/3D-геометрии двигателя для электромагнитного, теплового и структурного анализа
• Типы материалов, конфигурация обмотки и ее настройка возбуждения в программном обеспечении на основе FEA
• Получение статических и динамических рабочих характеристик двигателя, таких как электромагнитный момент, пульсации момента, индуктивность в зависимости от положения ротора, потокосцепление магнитной катушки и т. д.
• Оценка потери в сердечнике и обмотке при работе с базовой и максимальной скоростью
• Оценка характеристики двигателя в режимах работы с постоянным крутящим моментом и с ослаблением потока

EMWorks Solution

EMWorks предлагает три электромагнитных инструмента, обеспечивающих точный и эффективный анализ:

MotorWizard:

Программное обеспечение для проектирования двигателей на основе шаблонов, которое позволяет пользователям точно решать как электрические, так и магнитные проблемы. Он включает в себя электростатические, магнитостатические и нестационарные решатели, оснащенные встроенными аналитическими решателями и решателями на основе конечных элементов.

EMWorks2D:

Программное обеспечение для двухмерного электромагнитного моделирования, использующее конечные элементы для решения магнитных, электрических и переходных задач. EMWorks2D позволяет изучить влияние изменений геометрических параметров или параметров моделирования на конструкцию. Это также позволяет совместить исследование нестационарного магнитного поля с исследованием механического движения и теплового режима.

EMS:

Позволяет пользователям выполнять моделирование как электрических, так и магнитных полей с использованием полной трехмерной геометрии. EMS — это действительно мультифизическое программное обеспечение, которое позволяет пользователям совмещать магнитное и электрическое проектирование с анализом цепи, движения, теплового и структурного анализа на одной и той же модели в удобной интегрированной среде.

В следующем анализе инструменты MotorWizard и EMWorks2D будут использоваться для исследования производительности SRM.

Продукты EMWorks

Спецификации SRM:

Реактивный реактивный двигатель, рассматриваемый для анализа, имеет 8 полюсов статора и 6 полюсов ротора, изготовленных из стали марки М27 с толщиной пластин 0,47 мм. Разработанный двигатель представляет собой четырехфазную машину с базовой скоростью 2000 об/мин и номинальным пиковым фазным током 200 А. Сетка и технические характеристики SRM показаны ниже.

2D-сетка SRM с 8 слотами и 6 полюсами с использованием программного обеспечения EMWorks

Технические характеристики	СРМ
Конфигурация (слоты/полюса)	8/6
Базовая скорость	2000 об/мин
Пиковый фазный ток	200 А
Номинальная мощность	9,64 кВт
Средний крутящий момент	46,06 Н·м
Материал сердечника статора и ротора	Сталь М27
Материал проводника	Медь

Результаты

• Статический анализ

Индуктивность фазы-а и угла времени и угла ротора

4. , Время и угол ротора

Энергия в зависимости от времени и угла ротора

Из статического анализа EMWorks2D видно, что значение индуктивности сначала уменьшается с 0 с до 2,5 мс, а затем увеличивается с 2,5 мс до 5 мс в течение периода моделирования. При 2,5 мс он достигает минимального значения 1,66 мГн. Это связано с тем, что в начальном положении (0 с) возбужденный полюс статора фазы А и полюс ротора полностью выровнены друг с другом, следовательно, это приводит к максимальному значению индуктивности, равному 2,2 мГн. После этого возбуждение фазы А будет отключено, а следующая фаза В будет под напряжением. Магнитное поле в следующей обмотке заставит ротор вращаться так, что он достигнет положения минимального сопротивления. Из приведенных выше результатов можно сделать вывод, что оба инструмента проектирования двигателей MotorWizard и EMWorks2D предоставляют пользователям одинаковые и точные результаты.

• Анализ под нагрузкой – EMWorks2D

Зависимость входного тока возбуждения и электромагнитного момента от времени с использованием EMWorks2D

Для анализа под нагрузкой катушки SRM возбуждались постоянным током прямоугольной формы, характеризующимся максимальное значение равно 200 А. В течение каждого периода проводимости только одна фаза находится под напряжением. Средний электромагнитный крутящий момент, создаваемый моделью, почти равен 46 Нм. Однако из-за переключения фаз возбуждения SRM страдает от высоких пульсаций крутящего момента.

• Анализ производительности — MotorWizard

Кривая зависимости крутящего момента от скорости с использованием MotorWizard

Как обсуждалось выше, вентильные реактивные двигатели имеют высокий коэффициент постоянной мощности и скорости (CPSR) и высокую устойчивость к температуре. Из графика зависимости крутящего момента от скорости, полученного с помощью MotorWizard, видно, что максимальная скорость, достижимая смоделированной моделью, в 5-6 раз превышает базовую скорость в области ослабления потока.

Вывод

В этом блоге были представлены и проанализированы статические и динамические характеристики вентильного реактивного двигателя с использованием инструментов МКЭ – EMWorks2D и MotorWizard. Было продемонстрировано, что оба инструмента проектирования двигателей дают одинаковые точные результаты. Импульсные реактивные двигатели могут быть альтернативным решением для удовлетворения растущего спроса на электрификацию в автомобильной промышленности без необходимости использования постоянных магнитов. Тем не менее, выбор топологии двигателя является компромиссом между ограничениями и требованиями к производительности электромобилей.

Что такое вентильный реактивный двигатель?

Импульсный реактивный двигатель представляет собой тип двигателя с регулированием скорости, разработанный на основе двигателя постоянного тока и бесщеточного двигателя постоянного тока. Уровни мощности продуктов варьируются от нескольких ватт до сотен киловатт и широко используются в бытовой технике, авиации, аэрокосмической промышленности, электронике, машиностроении и электромобилях.

Каталог

I. Принцип работы вентильного реактивного двигателя

Реактивный реактивный двигатель (ВРМ), используемый в системе управления скоростью вентильного реактивного двигателя, представляет собой часть, которая реализует электромеханическое преобразование энергии в SRD, и это также является основным признаком того, что SRD отличается от других систем привода двигателей. Двигатель с переменным сопротивлением с двойным явно выраженным полюсом серии SRM, явно выраженные полюса статора и ротора ламинированы листами из обычной кремнистой стали. Ротор не имеет ни обмоток, ни постоянных магнитов. На полюса статора намотаны сосредоточенные обмотки. Две диаметрально противоположные обмотки соединены вместе, что называется «однофазным». Двигатели SR могут иметь разное число фаз. Статор и ротор Существует множество различных комбинаций полюсов. Большое количество фаз и малый угол шага позволяют уменьшить пульсации крутящего момента, но конструкция сложна, основные коммутационные устройства велики, а стоимость высока. В настоящее время чаще используются четырехфазные (8/6) структуры и шестифазные (12/8) структуры.

На рисунке показана принципиальная схема четырехфазного (8/6) двигателя SR. Для простоты на рисунке показаны только обмотка фазы А и схема ее питания. Принцип действия двигателя SR следует «принципу минимального сопротивления»: «Магнитный поток всегда замыкается по пути наименьшего сопротивления, и когда железный сердечник определенной формы перемещается в положение минимального сопротивления, он должен главная ось и магнитное поле. Оси совпадают. На рисунке, когда возбуждены полюса статора D-D’, 1-1′ поворачивается в положение, в котором ось статора D-D’ перекрывается, и максимизирует индуктивность обмотки возбуждения D-фазы. Если взаимные положения статора и ротора на рисунке принять за начальное положение, обмотки фаз D→A→B→C запитываются последовательно, а ротор будет продолжать вращаться против часовой стрелки против последовательности возбуждения; наоборот, если он задан последовательно. Когда фаза B→A→D→C находится под напряжением, двигатель будет вращаться по часовой стрелке. Видно, что направление двигателя СР не имеет ничего общего с направлением тока фазных обмоток, а зависит только от порядка включения фазных обмоток. Кроме того, из рисунка 2 видно, что при включении основных коммутационных аппаратов S1 и S2 обмотка фазы А поглощает электрическую энергию от источника постоянного тока US, а при выключении S1 и S2 ток обмотки продолжает течь через обратные диоды VD1 и VD2. И обратная связь с источником питания США. Таким образом, общей чертой моторного привода SR является то, что он обладает рекуперативным эффектом и высокой эффективностью системы.

Видно, что, регулируя амплитуду и ширину импульса тока, добавляемого к обмотке двигателя ШД, и его относительное положение относительно ротора (т.е. угол проводимости, угол выключения), можно изменять величину и направление крутящего момента двигателя ШД. можно контролировать. Это основной принцип управления скоростью двигателя SR.

II. Преимущества и недостатки вентильного реактивного двигателя

Преимущества

1. Простая конструкция ; двигатель имеет простую конструкцию, низкую стоимость и может использоваться для работы на высоких скоростях. Конструкция SRM проще, чем у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Ротор имеет чрезвычайно высокую механическую прочность и может использоваться для работы на сверхвысоких скоростях (например, десятки тысяч оборотов в минуту). Что касается статора, то он имеет всего несколько сосредоточенных обмоток, поэтому он прост в изготовлении и прост по конструкции изоляции.

2. Цепь надежна ; схема питания проста и надежна. Поскольку направление крутящего момента двигателя не имеет ничего общего с направлением тока обмотки, то есть требуется только однофазный ток обмотки, поэтому силовая цепь может иметь один силовой выключатель на фазу. Напротив, обмотки асинхронных двигателей должны пропускать двунаправленные токи, а силовая цепь инвертора ШИМ, который питает их, требует двух силовых устройств для каждой фазы. Таким образом, система управления скоростью реактивного двигателя с переключаемым сопротивлением требует меньше силовых компонентов, чем силовая цепь преобразователя частоты ШИМ, а структура схемы проста. Кроме того, две трубки переключателя мощности в каждом плече перемычки силовой цепи инвертора ШИМ находятся непосредственно напротив стороны источника питания постоянного тока, что может привести к прямому короткому замыканию и сгоранию силовых устройств. В системе управления скоростью реактивного двигателя с переключателем каждое устройство силового выключателя напрямую соединено последовательно с обмоткой двигателя, что принципиально предотвращает явление сквозного короткого замыкания. Следовательно, схема защиты силовой цепи в системе управления скоростью вентильного реактивного двигателя может быть упрощена, что снижает стоимость и имеет более высокую надежность.

3. Надежность системы ; надежность системы высокая. С точки зрения электромагнитной структуры двигателя каждая обмотка и магнитная цепь независимы друг от друга, и каждая из них создает электромагнитный момент в пределах определенного диапазона углов оси. В отличие от обычных двигателей, вращающееся магнитное поле должно создаваться под совместным действием каждой фазной обмотки и магнитной цепи, чтобы двигатель мог нормально работать. С точки зрения структуры управления, каждая фазная цепь подает питание на фазную обмотку и, как правило, работает независимо друг от друга.

4. Пусковые преимущества : большой пусковой момент и низкий пусковой ток. Контроллер выдает меньший ток, а двигатель получает больший пусковой момент, что является основной особенностью этой системы. Данные типичного продукта: когда пусковой ток составляет 15% от номинального тока, пусковой момент составляет 100% от номинального момента; когда пусковой ток составляет 30% от номинального тока, пусковой крутящий момент может достигать 250% от его номинального крутящего момента. По сравнению с пусковыми характеристиками других систем управления скоростью, например, двигатель постоянного тока использует 100 % тока, а асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором использует 300 % тока для получения 100 % крутящего момента. Преимущества малого пускового тока и большого крутящего момента также могут быть распространены на низкоскоростную рабочую секцию, поэтому эта система очень подходит для тех машин, которые требуют пуска с большой нагрузкой и длительной работы на низкой скорости и с большой нагрузкой.

5. Частый запуск и остановка ; подходит для частых пусков и остановок, а также операций прямого и обратного преобразования. Эта система имеет характеристики высокого пускового крутящего момента и низкого пускового тока, так что влияние тока в процессе пуска мало, а нагрев двигателя меньше, чем при непрерывной номинальной работе. Он подходит для частых операций старт-стоп и прямого и обратного преобразования.

6. Хорошая производительность ; хорошая производительность регулирования скорости. Существует по крайней мере четыре основных рабочих параметра и общие методы управления вентильными реактивными двигателями: угол фазовой проводимости, соответствующий угол разрыва, амплитуда фазного тока, напряжение фазной обмотки, что является гибким и удобным. В соответствии с рабочими требованиями двигателя и состоянием двигателя могут быть приняты различные методы управления и значения параметров, чтобы он работал в наилучшем состоянии (например, максимальная мощность, самый высокий КПД и т. д.), и он может также выполнять различные функции. Конкретная кривая. Например, двигатель имеет точно такую ​​же мощность в четырех квадрантах и ​​имеет самый высокий пусковой момент и кривую нагрузочной способности двигателя с последовательным возбуждением. Его можно использовать для управления скоростью с обратной связью, и это может быть очень удобно для создания нестатической системы управления скоростью.

7. Высокая эффективность ; Система вентильного реактивного двигателя является эффективной системой регулирования скорости. Возьмем в качестве примера систему SRM мощностью 3 кВт, эффективность системы может достигать 87% в широком диапазоне.

Недостатки

Сильные пульсации крутящего момента, шум и вибрация: Исходя из принципа работы, крутящий момент, создаваемый ротором вентильного реактивного двигателя, накладывается на серию импульсных крутящих моментов, что влияет на работу SRM.

III. Разработка вентильного реактивного двигателя

В качестве нового типа приводной системы с регулированием скорости реактивные вентильные двигатели все чаще признаются и применяются людьми благодаря их простой конструкции, низкой стоимости, высокой эффективности, отличным характеристикам регулирования скорости и гибкой управляемости.

Он успешно используется во многих областях, таких как системы привода электромобилей, бытовая техника, промышленное применение, сервосистемы, высокоскоростные приводы, аэрокосмическая промышленность и т. д., становясь системами управления скоростью двигателя переменного тока, системами управления скоростью двигателя постоянного тока и бесщеточными двигателями постоянного тока. системы управления скоростью двигателя Сильный конкурент.

В настоящее время, с быстрым развитием технологий силовой электроники, технологий цифровой обработки сигналов и технологий управления, а также с непрерывным развитием интеллектуальных технологий и появлением высокоскоростных, высокоэффективных и недорогих микросхем цифровой обработки сигналов. (DSP), различные сложные алгоритмы разрабатываются с использованием высокопроизводительного DSP. Технология непрямого определения положения без дополнительной внешней аппаратной схемы значительно повышает надежность и применимость обнаружения вентильных реактивных двигателей и определенно демонстрирует превосходство SRD в большей степени.