Вентильный электродвигатель

Изобретение относится К области электрических машин с постоянными магнитами и датчиком положения ротора. Оно может быть использовано в мотор-колесе транспортных средств малой грузоподъемности (инвалидные коляски, электровелосипеды, электрокары и др.), а также в иных механизмах, где не допускаются большие зубцовые пульсации вращающего момента.Известен электродвигатель с постоянными магнитами, имеющий малые зубцовые пульсации момента. Он содержит зубчатый статор с обмоткой и явнополюсный ротор, состоящий из двух частей, одна из которых с полюсами одной полярности жестко установлена на валу, а другая часть выполнена в виде стакана. На полом валу на наружной поверхности стакана установлены полюса другой полярности, а между полюсами вь 1 полнены продольные пазы, в которых размещены полюса первой части 1.Электродвигатель отличается сложностью конструкции, что существенно уменьшает его надежность и долговечность, и большой трудоемкостью изготовления.Известен вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину, инвертор и датчик положения ротора. Синхронная машина состоит из зубчатого статора с трехфазной обмоткой и ротора с постоянными магнитами. Обмотка статора подключена к источнику постоянного тока через инвертор, управляемый датчиком положения ротора 2.Недостатком известного вентильного электродвигателя является наличие зубцовых пульсаций момента, из-за чего ротор стремится занять определенное положение при обесточенной обмотке статора. В связи с этим ухудшаются его эксплуатационные свойства,так как возникают трудности переместить вручную, например, инвалидную коляску или поставить ее в заданном месте. Наличие зубцовых пульсаций момента затрудняет пуск и увеличивает неравномерность вращения.Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных свойств вентильного электродвигателя.Технический результат выражается в значительном уменьшении зубцовых пульсаций момента.Поставленная задача решается тем, что вентильный электродвигатель, содержащий зубчатый статор, в пазах которого размещена трехфазная обмотка, ротор, на обращенной к статору поверхности которого расположены постоянные магниты с чередующейся полярностью, и датчик положения ротора, содержит инвертор, управляемый датчиком положения ротора статор выполнен с числом пазов на пару полюсов, равным девяти, а ротор выполнен наружным с длиной полюсной дуги, равной 2/3 полюсного деления, с числом пар радиально намагниченных постоянных магнитов, равным числу пар полюсов,(полюсное деление - это часть длины окружности ротора, приходящаяся на один полюс полюсная дуга - это часть полюсного деления, занимаемая источником магнитного поля в воздушном зазоре, например радиально намагниченными магнитами). При таких конструктивных особенностях статора и ротора практически отсутствуют зубцовые пульсации момента, вызванные гармониками магнитодвижущей силы (МДС) ротора по девятую включительно.Сущность изобретения заключается в следующем. При зубчатом статоре магнитная проводимость воздушного зазора изменяется от максимальной по оси зубца до минимальной по оси паза. Если принять начало координат на оси паза, то кривую магнитной индукции в воздушном зазоре можно представить в виде Згде но - магнитная постоянная,ос - угловая координата в геометрических градусах (радианах),у 1, 2, 3,, - порядок гармоник зубцовой магнитной проводимости,2 - число пазов, ВУ 8645 С 12006.12.30ад, 211,. . ., а, - коэффициенты, зависящие от геометрии зубцовой зоны, Р(о) - Магнитодвижущая сила в точке с координатой 0.Длина полюсной дуги составляет некоторую часть полюсного деления, то есть ут электрических радиан, а МДС в пределах полюсной дуги постоянна и равна некоторому значению Р. Если принять начало координат на оси полюса, то МДС для полюсного деления можно записать таким образомт т Р(о 3)О при у 5 аэ 5, ГДВ 063 РОС - угловая координата В ЭЛКТРИЧССКИХ градусах (радианах),р - ЧИСЛО пар ПОЛЮСОВ СИНХрОННОЙ машины.Кривая МДС через каждые полпериода (полюсное деление) повторяется с обратным знаком, поэтому согласно теории рядов Фурье в принятой системе координат ее можно представить в видеНоса) Р созосэ 133 со 5303 Е созтосэ 11 ртсозйосэ. (3) Амплитуда МДС для любой ее гармоники порядка 1 Е 1 Р(0 э)со 510 э 10 Э 1 Рсо 51 аэбаэ ЕЗШ 1 УЕ. (4) т О т О 1 т 2 Так как 03 рос, то Рю 2 ЕсоЫра. 6)113,5 о Если совместить оси паза и полюса с началом координат, то на основании ( 1) и (5) индукция в воздушном зазоре будет описываться уравнением11,3,5,о ЕСЛИ статор ИЛИ рОТОр ПОВСрНуТЬ на НВКОТОРЫЙ УГОЛ (Хо ОТНОСИТСЛЬНО начала КООРДИ нат, то в уравнениях (1) или (5) вместо о следует подставлять ос-осо. Соответственно изменится в этом случае и (6). Момент, создаваемый ротором, 4где 1, К - длина и радиус ротора соответственно,А(о) - линейная нагрузка. Линейная нагрузка А(о) связана с МДС следующим образом 5(П ыщ- Ю Касс Подставляя сюда Р(о) из (5), получим ч 5111, 11,35 о йрЕ . где Ад К - амплитуда 1-ои гармоники линеикои нагрузки.На основании (6 8) момент, создаваемый возбужденной синхронной мащиной с зубчатым статором, ось паза которого сдвинута относительно начала координат на угол 00,при отсутствии тока в его обмоткеМомент от постоянной составляющей магнитной проводимости в (9) 21 27Следовательно, момент от постоянной составляющей магнитной проводимости Мо О. Остальные составляющие момента в (9) являются результатом взаимодействия11,35,и с гармониками порядка 1 1,3,5,,о линейной нагрузки (8). После тригонометрических преобразований (10) можно представить в видеВ 2(ос) 2 аЕсо 5/Ъ 00 со 5(у 1 р)0 со 5(у 2 ч 1113,5. (1 ОА) 1 р)о 5 ш у 2 ос 51 п(у 21 р)ос 5 ш(/1 р)о Из (1 ОА) видно, что зубцовь 1 е гармоники индукции имеют число пар полюсов ргцгдрчър, (11)95 . где ц у 11 - порядок зубцовых гармоник индукции. (12)Как известно, вращающий момент создают гармоники индукции и гармоники линейной нагрузки с одинаковым числом пар полюсов, то есть, если ц 1.Из (12) следует, что порядок зубцовых гармоник индукции зависит от числа пазов на пару полюсов 95/ р, которые согласно 62 2 ш , 1 р Ч ( 3) где ш и (1 - число фаз и число пазов на полюс и фазу соответственно. Следовательно,ц 2 шс 1 у 1. (14) В общем случае сгде Ь, с - целые числа, в том числе одно из них О,Отсюда следует, что обмотка выполнима при любом числе пар полюсов р, если (1 1В таблице представлены зубцовые гармоники индукции для трехфазной обмотки, рассчитанные по (14) при различных значениях 1 и (1 для наиболее выраженных зубцовых гармоник проводимости у 1, 2, 3 (соответственно первая, вторая и третья строчка в таблице).В этой таблице подчеркнуты зубцовые гармоники индукции, у которых ц 1. Именно эти гармоники будут создавать вращающий момент в зависимости от угла поворота ротора. Как видно из таблицы при (1 0,5 и (1 1 все рассмотренные гармоники МДС порядка 1 вызывают зубцовые гармоники индукции, которые создают вращающий момент в зави 1 . СИМОСТИ ОТ ПОЛОЖСНИЯ ротора ОТНОСИТСЛЬНО статора. ПрИ С 1 ТОЛЬКО гармоника 1 92 участвует в создании такого момента. Но при принятой длине полюсной дуги, равной 2/3 полюсного деления (у 2/3), как видно из (4), амплитуда МДС девятой гармоники 41 . 2 т 179 5 ш 9--0. 97 3 2 Согласно (13) для трехфазной обмотки (1 11/2 соответствует числу пазов на пару полюсовТаким образом, в трехфазной синхронной мащине с числом пазов на пару полюсов,равным 9, и с длиной полюсной дуги, равной 2/3 полюсного деления, все гармоники МДС по девятую включительно не являются причиной возникновения момента в зависимости от положения ротора. Гармоники МДС с 1 9 можно не учитывать, т.к. согласно (4) их амплитуда уменьщается с увеличением 1. Как видно из (9), соответственно уменьщается и момент от этих гармоник, поэтому ими можно пренебречь.Из таблицы следует, что такого же результата можно достигнуть при (1 21/2. Но в этом случае согласно ( 13) увеличивается число пазовУвеличение числа пазов усложняет технологию изготовления, ухудшает использование зубцового слоя, что приводит к снижению мощности в данном габарите.На фиг. 1 показана схема вентильного электродвигателя с наружным ротором (моторколесо), имеющего датчик положения ротора, на фиг. 2 - схема-развертка двухслойной