Двигатели высокочастотные: Особенности конструкции и специфика работы высокочастотных асинхронных двигателей

Содержание

Особенности конструкции и специфика работы высокочастотных асинхронных двигателей

Страница 6 из 20

ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ С РОТОРАМИ РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ
3-1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И СПЕЦИФИКА РАБОТЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.



а),           б),                   в).
Рис. 3-1. Схематическое изображение высокочастотных двигателей с роторами различной конструкции.

Высокочастотные асинхронные машины весьма разнообразны по конструкции. Однако они могут быть сведены к трем основным конструктивным схемам, отличающимся конструкцией роторов (рис. 3-1): а — с обмоткой в закрытых или полузакрытых пазах шихтованного пакета ротора; б — с массивным ферромагнитным (стальным) ротором; в — с зубчатым ротором без обмоток, пакет которого набран из изолированных листов тонколистовой электротехнической стали. Двигатели индукторного типа выполняют трехфазными и однофазными (рис. 3-2).
В индукторных электрических машинах рациональное использование площади паза статора и экономия обмоточных материалов является актуальной задачей.


Рис. 3-2. Схематическое изображение индукторных двигателей.
а — с раздельными обмотками; б — с совмещенными обмотками; в — однофазный конденсаторный; а —однофазный с короткозамкнутым витком.


Рис. 3-3. Электрошпиндель, частота вращения (120—144)-10+3 об/мин, мощность 100—250 Вт.
а — общий вид; б — вид в разрезе.
В индукторных преобразователях частоты и индукторных двигателях с несколькими первичными и вторичными отдельными обмотками требуется значительное увеличение площади паза для их размещения. Поэтому целесообразно применение совмещенных, электрически связанных обмоток (рис. 3-2,б), в проводниках которых протекает результирующий ток (Л. 38]. В этом случае достигается уменьшение диаметра проводников обмотки и площади паза. При совмещении обмоток выбирается такое число зубцов ротора и соответствующее укорочение шага обмотки, при которых в ней одновременно индуктируются э. д. с. основной гармоники и зубцовой рабочей гармоники поля, обусловленной зубчатостью ротора.


Двигатель с частотой вращения 48·10+3 об/мин. мощность 1—2 кВт.

Согласно ГОСТ 6697-67 установки переменного тока, предназначенные для работы в диапазоне частот до 10·103 Гц, должны изготовляться на следующие номинальные частоты: 400, 500, 600, 800, 1000, 1 200, 1600, 2400, 4800, 8000, 9600 Гц.
Частота вращения высокочастотного электродвигателя должна быть согласована по частоте тока с приведенной шкалой частот.
Электродвигатель, на выступающем конце вала которого закреплен шлифовальный круг, называют электрошпинделем. Его назначение — чистовое шлифование деталей. При выборе скорости вращения электрошпинделя исходят из того, что чистовое шлифование наилучшим образом осуществляется при линейной скорости шлифовального круга 25—50 м/с. Следовательно, чем меньше диаметр обрабатываемого кольца подшипника, тем больше должна быть скорость вращения электрошпинделя.

Таблица 3-1

При участии автора во Всесоюзном научно-исследовательском институте подшипниковой промышленности (ВНИИПП) был спроектирован ряд электрошпинделей, конструкции которых показаны на рис. 3-3, 3-4. Их основные данные приведены в табл. 3-1. Электрошпиндель с частотой вращения 120·103 об/мин имеет закрытую конструкцию, водяное охлаждение, выполнен на шариковых опорах.
Для уменьшения потерь энергии от полей рассеяния лобовых частей крышки и подшипниковые щиты целесообразно делать из немагнитной стали. Для отвода тепла в корпусе двигателя сделан кольцевой канал (рис. 3-4), в котором циркулирует вода, поступающая из водопроводной сети через резиновый шланг и штуцер. Смазка подшипников осуществляется масляным туманом, который подводится через специальные каналы к переднему и заднему подшипникам.
Сверхвысокоскоростные асинхронные электрошпиндели изготовляют итальянская фирма Gamfior, американская фирма Brayant и др.
С целью уменьшения окружных скоростей шарикоподшипников во ВНИИПП был создан и испытан электродвигатель на сателлитовых шариковых подшипниках (рис. 3-5) с частотой вращения до 200·103 об/мин. Основные размеры этого двигателя: диаметр ротора 24,5 мм; внутренний диаметр расточки статора 25,6 мм; активная длина пакета статора 28 мм; диаметр вала ротора под подшипниками 14 мм. Вал ротора опирается на внешние кольца трех сателлитовых шарикоподшипников с коэффициентом редукции по скорости для шарикоподшипников — около трех. При частоте 3,5 кГц синхронная частота вращения поля двигателя 210·103 об/мин. При частоте вращения ротора 200·103 об/мин линейная скорость на периферии ротора 270 м/с. Пусковые характеристики двигателя приведены в гл. 6, рис. 6-6—6-9.

Наряду с массивным ферромагнитным ротором в настоящее время применяют пакет ротора из сплава меди и стали, который имеет достаточную магнитную проводимость для рабочего поля и удовлетворительную электрическую проводимость для тока ротора, причем указанный сплав должен иметь достаточную механическую прочность по пределу текучести.

Рис. 3-5. Двигатель с сателлитным расположением шарикоподшипников, частота вращения 200-103 об/мин.
Применение высокочастотных машин экономически весьма выгодно, поскольку их основные размеры обратно пропорциональны частоте вращения поля. При этом частота вращения ротора может быть значительно меньше частоты вращения поля n1, например в двигателях индукторного типа.
Пакет ротора должен быть прежде всего рассчитан по механическим условиям, исходя из запаса прочности по пределу текучести материала. В первые годы создания сверхвысокоскоростных машин предпочитали выбирать массивный стальной ротор. В последующем выяснилась возможность применения ротора с короткозамкнутой обмоткой в шихтованном пакете. С повышением содержания кремния увеличивается предел текучести листовой электротехнической стали, поэтому для пакета ротора следует выбирать сталь марок Э31, Э41. Толщина листа для пакета ротора по причинам механической прочности не должна быть слишком малой; ее принимают равной 0,5 или 0,35 мм.

Материал для обмотки ротора следует выбирать со сравнительно большим пределом текучести и. малым удельным электрическим сопротивлением, например магниевую или кадмиевую бронзу. Однако более доступными материалами являются латунь, медь, сплавы алюминия. На современных электромашиностроительных заводах изготовление роторов с алюминиевой обмоткой хорошо освоено даже при сравнительно малых пазах и осуществляется на высокопроизводительной машине, что особенно важно при серийном производстве.
Изготовление ротора с медными и латунными стержнями связано с ручным трудом и является трудоемким процессом. Такие роторы в процессе работы склонны к разбалансировке вследствие того, что стержни перемещаются в пазах ротора.
В сверхвысокоскоростных асинхронных двигателях при большой частоте тока сравнительно велики индуктивные сопротивления рассеяния обмоток, поэтому с целью улучшения пусковых характеристик приходится выбирать материал обмотки ротора с большим удельным электрическим сопротивлением. В этом случае алюминий является более приемлемым, чем медь, поскольку он имеет большое удельное электрическое сопротивление.
Механическая прочность обмотки ротора является очень важным показателем двигателя с высокой частотой вращения и тяжелым пуском. Если принять при расчете допустимое напряжение на растяжение для меди 3 000 Н/см2, а для алюминия — 1000 Н/см2, то напряжение от центробежных сил в алюминиевой клетке получается на 30% ниже, чем в медной.
Поскольку электрошпиндели предназначены для шлифования поверхностей с высоким классом чистоты (8—12 классы), они должны иметь достаточную жесткость. Желательно иметь первую критическую скорость выше номинальной, что при весьма больших скоростях возможно только при сравнительно коротком роторе и достаточно большом его диаметре. В сверхвысокоскоростном двигателе целесообразно определять диаметр ротора, исходя из допустимого коэффициента запаса прочности материала ротора по пределу текучести.
Растягивающее напряжение σt в материале ротора, возникающее от действия центробежных сил, обусловленных собственной массой, не должно быть больше предела текучести σs материала. В противном случае произойдет «разбухание» пакета ротора.
Работоспособность сверхвысокоскоростного двигателя зависит от того, насколько правильно спроектирована его электрическая часть, какова прочность ротора, насколько эффективна система охлаждения двигателя и правильно ли выбраны опоры. Срок службы шариковых опор при больших окружных скоростях шарикоподшипников даже при смазке масляным туманом сравнительно невелик.
Больший ресурс времени работы оказывается у сверхвысокоскоростных машин на газовых опорах. Подшипники с газовой смазкой в СССР теоретически разработаны и внедряются при участии проф. С. А. Шейнберга и его учеников. Конструкции таких опор им описаны в [Л. 87]. В проблемной лаборатории МЭИ был спроектирован двигатель на длинных газовых подшипниках мощностью до 4 кВт с частотой вращения 48· 103об/мин. Он предназначен для турбокомпрессора. Такая конструкция позволяет обработать подшипники за один установ. Ротор с бортиком диаметром 20 мм вставляется справа и закрепляется подпятником. Наличие бортика позволяет фиксировать ротор с помощью подпятника в аксиальном направлении. При сборке и разборке двигателя не требуется снятия подшипников. Так как двигатель предназначен для турбокомпрессора, то на роторе имеются газовые турбины (газовые колеса). При данной конструкции они могут быть размещены или на обоих концах вала ротора, или с одной стороны. При расположении газовой турбины с одной стороны ее целесообразно разместить с той же стороны, где имеется бортик, так как в этом случае при сборке и разборке не потребуется снятия газовой турбины и не будет нарушена выполненная балансировка ротора вместе с газовой турбиной. Для охлаждения двигателя можно использовать газ, но более эффективно охлаждение водой. Поэтому в корпусе двигателя имеется канал для воды, создающий водяную рубашку. Двигатель спроектирован с трехфазной первичной обмоткой на напряжение 380 В с частотой 800 Гц. Вторичная роторная обмотка — короткозамкнутая. Данные таких двигателей при величине воздушного зазора 0,2 мм и закрытых пазах на роторе приведены в табл. 3-2 и 3-3.

Таблица 3-2


При работе двигателя на вентиляторную нагрузку его пусковой момент оказывается вполне достаточным, а перегрузочная способность по моменту около двукратной.
Табл и ц а 3-3

Материал подшипников — графит, пропитанный баббитом. Подпятник изготовлен из графита без пропитки. По окружности подшипника имеются два ряда отверстий диаметром 0,3—0,4 мм. Зазор между валом ротора и подшипником 10—30 мкм. Перед пуском двигателя сухой очищенный воздух подается в подшипники и проходит через отверстия в зазор между валом и подшипником, в результате чего создается несущая воздушная подушка. В момент пуска такие подшипники работают как аэростатические, затем по мере увеличения скорости и возникновения «воздушного клина» они начинают работать как аэродинамические. Однако при весьма больших частотах вращения длинные газовые опоры не годятся, так как в этом случае возникает полускоростной вихрь, шип (цапф) ротора задевает подшипник и разрушает его поверхность, двигатель выходит из строя. Поэтому при создании электромашин с частотой вращения (200—300)-103 об/мин и более следует применять короткие газовые опоры. 


Рис. 3-6. Электрошпиндель на коротких воздушных опорах, частота вращения 300-103 об/мин, продольный разрез.

Рис 3-7. Поперечный разрез ротора.
1 — цилиндрический бандаж из немагнитной стали; 2 — стержни обмотки; 3 — ферромагнитный

Исследования таких коротких подшипников были проведены в СССР Λ. Ш. Кабулашвили и С. А. Шейнбергом [Л. 87]. При отношении длины подшипника к диаметру шипа в коротких опорах удается избежать полускоростного вихря и обеспечить работоспособность двигателя при указанных частотах вращения ротора.
Спроектированный в Проблемной лаборатории электромеханики МЭИ микроэлектродвигатель с частотой вращения 300·103 об/мин, на частоту f1=5 кГц, с первичной обмоткой на напряжение U1=127 В представлен на рис. 3-6, 3-7. Этот двигатель выполнен на коротких газовых опорах. Его назначение — чистовое шлифование отверстий колец диаметром около одного миллиметра. Конструкция двигателя позволяет осуществлять обработку и доводку коротких газовых подшипников за один установ. При сборке и разборке подшипники остаются в неприкосновенности. Фиксация ротора в аксиальном направлении осуществляется торцевым подпятником так же, как и в предыдущей конструкции двигателя. На валу 3 ферромагнитного ротора (рис. 3-7) профрезерованы пазы-шлицы, в которых помещены стержни 2 короткозамкнутой обмотки, закрытые цилиндрическим немагнитным бандажом 1. Преимущество данного микроэлектрошпинделя перед пневмошпинделем заключается в том, что он обеспечивает сравнительно жесткую механическую характеристику. В пневмошпинделе очень мягкая механическая характеристика, которая неприемлема по условиям чистового шлифования. Исправить ее, сделать более жесткой не представляется возможным из-за трудности создания газовой установки с обратными связями по скорости.


Рис. 3-8. Асинхронный двигатель индукторного типа без обмоток на роторе, частота 1 000 Гц, мощность 100 Вт. а — статор; б — ротор.
Для экспериментальных исследований на кафедре электрических машин МЭИ были спроектированы асинхронные двигатели индукторного типа (АИД), построенyые на московских заводах и в Проблемной лаборатории электромеханики МЭИ, где они и были исследованы. Показанный на рис. 3-8 АИД предназначался для замены высокочастотного обычного двигателя с механическим редуктором.
Отдельные данные экспериментальных образцов АИД приведены в табл. 3-4.
Впервые электродвигатели с магнитной редукцией скорости вращения ротора нашли применение в часовых механизмах и электроприборах в виде однофазного индукторного синхронного двигателя Уорена. В настоящее время во многих областях техники широко применяют синхронные двигатели с магнитной редукцией скорости.

Таблица 3-4

Теоретические и экспериментальные исследования этих двигателей широко проводятся в СССР и в других странах [Л. 55, 57, 63, 64, 69].
Индукторные синхронные двигатели выполняют с открытыми пазами на роторе и статоре, причем на статоре, кроме малых зубчиков (гребенки) на внутренней поверхности расточки статора, имеются большие полузакрытые пазы для размещения проводников первичной обмотки (рис. 3-9). Из общей классической теории электрических машин известно, что в машине переменного тока с открытыми пазами на статоре возникает наибольший электромагнитный момент от основных зубцовых гармоник магнитных полей (Л. 23, 69, 73—77] при условии, когда z1=z2±p1. В индукторном двигателе указанные зубцовые поля являются рабочими полями. При заданных синхронной частоте вращения (п2с) ротора и частоте электросети определяется число зубцов ротора: z1=60f1/п2с, где п2с=пγ. После этого находят число зубцов гребенки z1 статора по вышеприведенному уравнению. Что касается числа больших статорных пазов z0 для размещения обмотки, то они выбираются исходя из числа полюсов (2p1) первичной обмотки.
Индукторные синхронные двигатели изготовляются в СССР и за рубежом в основном двух видов: однофазный конденсаторный (рис. 3-2,в; рис. 3-9) и однофазный с короткозамкнутым витком на статоре (рис. 3-2,г). В том и другом виде двигателей массивный ротор — зубчатый. При асинхронном пуске магнитное поле индуктирует в массиве зубчатого ротора токи, в результате чего возникает электромагнитный вращающий момент и ротор достигает той скорости, при которой он втягивается в синхронизм. Характеристики этих двигателей улучшены путем возбуждения постоянным кольцевым магнитом, помещенным на роторе.


Рис. 3-9. Синхронный индукторный двигатель с двумя зубчатыми поверхностями.
а — лист стали статора; б — продольный разрез ротора; в — взаимное расположение зубцов пакетов ротора; 1 — зубцы; 2 — постоянный магнит; 3 — вал;
При двусторонней зубчатости поверхностей в индукторном двигателе можно выбрать весьма малое зубцовое деление гребенки (рис. 3-9), выполнить сравнительно большое число зубцов ротора. В результате магнитной редукции скорости удается получить весьма низкие частоты вращения ротора. Например, для получения 60 об/мин ротора при частоте сети 50 Гц необходимо выполнить ротор с числом зубцов 50, а число зубцов гребенки статора при четырехполюсной первичной обмотке можно выбрать 48 или 52.
Когда z2>z1, ротор вращается в направлении основного поля, когда z2<z1, в противоположную сторону относительно основного поля; в последнем случае возникают большие потери мощности в стали ротора от основного поля.
Основные размеры: внутренний диаметр и длина пакета определяются исходя из электромагнитных нагрузок, мощности, так же как в обычных двигателях, но с учетом специфики конструкции и условий работы данной машины. При этом чем выше частота питающей сети, тем меньше основные размеры двигателя, которые в индукторном двигателе не зависят от скорости ротора, а определяются скоростью основного поля, которое индуцирует э. д. с. в обмотке двигателя.
Изготовление микродвигателей с двусторонней зубчатостью должно быть весьма точным, так как ширина зубца гребенки около одного миллиметра (рис. 3-9). Малейшая неточность в изготовлении и сборке индукторной машины сведет на нет пульсации магнитного поля от зубцов, и машина станет неработоспособной.
Для текстильных фабрик требуется огромное количество сверхвысокоскоростных веретен — вьюрков с частотой вращения свыше полумиллиона оборотов в минуту. В существующих в данное время конструкциях такая частота вращения достигается в результате механической редукции порядка десяти. Назначение вьюрка — обеспечение ложной крутки нити. Крепление — подвеска вьюрка осуществляется с помощью постоянного магнита, при этом он вращается в результате механического соприкосновения его шеек с двумя дисками.
Система с механической редукцией скорости имеет целый ряд недостатков: ненадежность, большой износ шеек шпинделя в результате сухого трения о диски, наличие громоздких постоянных магнитов для магнитной подвески — вьюрка, большие потери мощности на трение. Эти недостатки в значительной мере могут быть устранены в случае внедрения малогабаритного сверхвысокоскоростного электродвигателя. В направлении создания таких электродвигателей для текстильных машин ведутся работы в ряде организаций. Например, в Московском текстильном институте создан миниатюрный электровьюрковый двигатель на газовых подшипниках с частотой вращения до (200—300)·103 об/мин, потребляющий мощность около 5—10 Вт.
Выше были рассмотрены двигатели с цилиндрическим ротором. Наряду с ними в настоящее время применяют и торцевые электромашины. Торцевой сверхвысокоскоростной электродвигатель с дисковым безвальным ротором 2 на газовом подпятнике 4 показан на рис. 3-10. Он предназначен для крутильной головки текстильной машины. В верхней части безвального ротора имеется чашка 5 для материала нити. Магнитная стабилизация вращающегося ротора в радиальном направлении осуществляется основным магнитным полем машины с помощью дисковых выступов и кольцевых канавок, сделанных на активных поверхностях статора 1 и ротора 2. Такая магнитная стабилизация ротора имеет целый ряд недостатков и в первую очередь то, что кольцевые канавки на поверхности пакета статора уменьшают магнитную проводимость в зазоре и полезную поверхность пакета для рабочего магнитного потока машины. 

Рис. 3-10. Торцевой асинхронный двигатель с дисковым ротором.
При отключении обмотки 3 статора от электросети ротор оказывается в состоянии неустойчивого равновесия, так как в этом случае исчезают магнитные силы, которые удерживали его в радиальном направлении. Ротор приобретает хаотическое движение и может произойти поломка двигателя. В конструкции такого двигателя следует предусмотреть наряду с направляющими опорами 6, 7 постоянный кольцевой магнит или питание постоянным током статорной обмотки через выпрямитель от сети переменного тока, чтобы осуществить стабилизацию вращающегося ротора при выбеге, когда нет переменных токов в его обмотках. Более надежна магнитная стабилизация вращающегося ротора в радиальном направлении с помощью отдельной дисковой стабилизирующей обмотки, обтекаемой постоянным током, которая рассмотрена в § 5-4.
В электрической машине с безвальным ротором неоспоримо преимущество применения магнитного подвеса ротора, позволяющего повышать частоту вращения роторов, совмещать рабочие органы с телом ротора, осуществлять герметизацию статора от рабочей области ротора. Вместе с тем в ряде случаев эффективно использование магнитной стабилизации ротора совместно с другими видами опор, например с газовыми (см. гл. 6).

Высокооборотистый мотор. Высокочастотные электродвигатели. Предназначаются такие электродвигатели для привода

высокоскоростные

двигатели LSMV

энергосберегающие

двигатели LSRPM

для высоких температур LS, FLS

коррозийно-стойкие двигатели FLS

Высокоскоростные асинхронные электродвигатели серии CPLS


Электродвигатели CPLS производства компании специально разработаны для приложений, требующих широкого диапазонарегулирования скорости вращения и жесткими требованиями к массагабаритным параметрам.

Данные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором хорошо приспособлены для работы в режиме ослабленного поля, обеспечивая максимально широкий диапазон скоростей, который только может позволить их механическая конструкция.

Технические характеристики:

ü Диапазон мощностей: 8,5 — 400 кВт;

ü Скорость вращения: 112 — 132 габарит до 8000 об/мин; 160 -200 габарит до 6000 об/мин;

ü Степень защиты: IP23, IP54;

ü Класс изоляции: F, H;

ü Тип охлаждения: IC06, IC17, IC37;

ü Дополнительные опции: датчики обратной связи, датчики температуры PTC, PTO, подшипники с пополняемой смазкой, тормоз, аксиальный принудительный вентилятор. По требованию могут быть изготовлены специальные валы и фланцы электродвигателей.


По функциональным возможностям эти машины можно сравнить как с электродвигателями постоянного тока, так и с бесколлекторными электродвигателями. Уменьшенный момент инерции ротора обеспечивает двигателям отличные динамические показатели.

Питаемые от частотных преобразователей приложения номинальный момент (Mn) в расчетной точке (n1) и сопоставить их с графиками.

рис.1 График зависимости номинального момента (Mn ) от скорости вращения (n1 )

для электродвигателей CPLS 112M, CPLS 112L, CPLS 132S, CPLS 132M, CPLS132L,

CPLS 160S, CPLS 160M, CPLS 160L, CPLS 200S, CPLS 200M, CPLS200L

Область применения: управление намоточным и размоточным оборудованием, металлургическая промышленность, упаковочная, полиграфическая промышленность, производство кабеля, экструзионное оборудование и т.п

Автомобили с самыми высокооборотистыми моторами в мире. Эти 25 моделей машин ничем не уступают мотоциклам по одному очень своеобразному параметру — скорости вращения коленчатого вала двигателя на максимальных оборотах. Что это за автомобили, которые гарантируют высокие обороты и прекрасное звучание? Да вот же они:

Mazda MX-5


Двигатель MX-5 крутится до головокружительно высоких оборотов. Правда стоит учитывать, что среди конкурентов он наименее шустрый.

131 л. с. при 7.000 об/мин. Двигатель Mazda MX-5 — (4-цилиндровый ряд, 1496 куб. см, 131 л. с.).

Lotus Evora


V6, 3.456 куб. см, 436 л. с.- 7.000 об/мин. Lotus известен высокоскоростными двигателями, не в последнюю очередь из-за истории компании принимавшей участие в гонках Формулы-1.

Renault Clio


Renault Clio 16V Gordini R. S. (четырехцилиндровый рядный, объемом 1998 куб. см и мощностью 201 л. с.). Маленький француз делает 7.100 об/мин.

Porsche 911


Carrera S (991.1, шестицилиндровый «боксер», 3.800 куб. см, 400 л. с.). Благородный спортсмен может вращать коленчатый вал максимум 7.400 раз в минуту.

Даже 3,4-литровый мотор в Cayman R (шестицилиндровый «оппозитник», 3.436 куб. см, 330 л. с.) дошел до планки 7400 об/мин.

McLaren

Битурбированный V8 под капотом 570 S Spider (V8-Biturbo, 3.700 куб. см, 570 л. с.) вращается вплоть до 7500 об/мин.

Ferrari 488

8.000 об/мин на спорткаре Ferrari 488 GTB (V8, 3.902 куб. см, 670 л. с.).

BMW M5

(кузов E60, V10, 4.999 куб. см, 507 л. с.). При 8.250 оборотах в минуту он создает невероятно приятный звук, притягательный и насыщенный.

Audi RS5

RS5 S-Tronic (V8, 4.163 куб. см, 450 л. с.). Высокоскоростные двигатели серии «RS5» обеспечивают колоссальные 8.250 оборотов.

Ford Mustang

В техническом паспорте Shelby GT 350 (V8, 5.163 куб. см, 533 л. с.) стоят головокружительные 8.250 об/мин!

Lamborghini

Сердцебиение у быка частое! (V10, 5.204 куб. см, 610 л. с.) крутится до 8.250 оборотов в минуту.

BMW M3

Drivelogic (V8, 3.999 куб. см, 420 л. с.). Двигатель построенный более пяти лет назад создает значительные 8.300 оборотов.

Honda Civic

Type R (FK 2, рядный четырехцилиндровый, 1.996 куб. см, 310 л. с.). Вращается до 8600 оборотов. Один из самых высоких показателей в своем классе

Audi R8

Audi R8 V10 первого поколения (V10, 5.204 куб. см, 550 л. с.). 5,2-литровый двигатель вращался до 8.700 об/мин. Преемник смог осилить «лишь» 8.500 оборотов.

Porsche 911

Porsche 911 GT3 RS (991-я модель, 6-цилиндровый оппозитный мотор, 3.996 куб. см, 500 л. с.): 8.800 об/мин делают его настоящим королем скорости.

Ferrari

Ferrari F12TDF (V12, 6.262 куб. см, 780 л. с.). Его 6,3-литровый V12 вращается на невероятных 8.900 оборотах. Техника вышла из гонок и перешла в серийное производство.

Honda S2000

(4-цилиндровый рядный, 1.997 куб. см, 241 л. с.). Первое поколение крутилось словно Ferrari — 8.900 об/мин. С 2004 года Honda снизила скорости до 8.200 оборотов.

Ferrari 458

(V8, 4.497 куб. см, 605 л. с.). Итальянец мощностью в 605 лошадиных сил и его 4,5-литровая «восьмерка» способна разогнаться до 9.000 оборотов в минуту!

Lexus

Lexus LFA (V10, 4.805 куб. см, 560 л. с.). Опять же, техника пришли из гонок, а значит японец сможет удивить 9 тыс. обо/мин.

Mazda RX-8

Еще один в лиге «девяти тысяч». Mazda RX-8 (роторно-поршневой мотор, 2 x 654 куб. см, 231 л. с.) — настоящая экзотика в мире гонок. Эластичный и достаточно мощный. А какой звук!

Porsche 911

Porsche 911 GT3 (991.1, шестицилиндровый «боксер», 3.799 куб. см, 475 л. с.): 3,8-литровый «боксер» производит 9.050 оборотов в минуту ровно. Так что он открывает Топ-5.

Porsche 918 Spyder

Еще раз Porsche, на этот раз 918 Spyder (V8 + электродвигатель, 4.593 куб. см, 887 л. с. — общая мощность). Бензиновый двигатель разгоняется до 9.150 оборотов. Электромотор крутиться еще быстрее…

Ferrari LaFerrari

Та же концепция, что у Porsche 918 Spyder, но Ferrari ставит в LaFerrari (V12 + «E»- мотор. 6.262 куб. см, общая мощность 963 л. с.). Его 6,3-литровый V12 вращается до 9.250 Раз в минуту.

Классика от Honda

Если мотоциклист строит родстер, то двигатели с верхней планкой до 9.500 об / мин от мотоцикла он поставить под капот такого автомобиля. Модель S 800 (рядный четырехцилиндровый, 791 куб. см, 67,2 л. с.) стала билетом в Европу для Honda/

Ariel Atom

Atom 500 (V8, 3.000 куб. см, 476 л. с.). Здесь также установлен двигатель, который на самом деле имеет мотоциклетные корни. Агрегат делает до 10.500 оборотов в минуту!

Когда речь заходит об электродвигателях , не существует линейной зависимости между мощностью, числом оборотов и потребляемого напряжения. Рассмотрим, в каких отраслях применяют и чем различаются высоковольтные электродвигатели, двигатели с высокими оборотами, а также двигатели с большой мощностью.

Разные виды высоковольтных электродвигателей

Высоковольтные электродвигатели – это синхронные и асинхронные двигатели с напряжением 3000, 6000, 6300, 6600 и 10000 В. В основном данные электродвигатели применяются в промышленности: металлургическая, горнодобывающая, станкостроительная, химическая отрасли. Такие электродвигатели применяются в установках, дымососах, мельницах, станах, грохотах, вентиляторах и т.д.

Трехфазные двигатели предназначены для работы от переменного тока с частотой 50 (60) Гц. Для обеспечения надежной работы используют обмотку статора типа «Монолит» или «Монолит-2» с классом нагревостойкости не ниже «В». Корпус электродвигателей усиленный, что, в свою очередь, понижает уровни звука и вибрации. Удельная материалоемкость и энергетические показатели находятся в оптимальном соотношении. Высоковольтные электродвигатели характеризуются также повышенной износостойкостью.

Предназначаются такие электродвигатели для привода:

  • механизмов, не требующих регулирования частоты вращения – серии А4, А4 12 и 13, ДАЗО4, ДАЗО4-12, ДАЗО4-13, АОД, АОВМ, АОМ, ДАВ;
  • механизмов с тяжелыми условиями пуска — серия 2АОД;
  • вертикальных гидравлических насосов – серия ДВАН.

Высокооборотистые электродвигатели и их особенности

В отличие от высоковольтных электродвигателей, высокооборотные – это двигатели, количество оборотов которых равно 50 об/с или 3000 об/мин. Они имеют меньшую массу, габариты и даже стоимость, чем более тихоходные собратья одинаковой мощности.

Для применения двигателей с частой до 9000 об/мин необходимо использовать механизм с большим передаточным числом, в частности, волновой передаточный механизм. Он отличается простотой, высокой надежностью, точностью и компактностью.

Область применения высокооборотных двигателей очень широка. Сюда входят и электродвигатели для ручного гравера, и для сверла бормашины, и двигатели для автомобильной и авиационной промышленности.

Мощные электродвигатели

У обычных трехфазных электродвигателей номинальная мощность колеблется в диапазоне 120 Вт-315 кВт. Однако, как показывает практика, чем мощней электродвигатель, тем больше высота оси вала. Поэтому мощными принято считать электродвигатели больше 11 кВт. Области применения тоже довольно широкие. В частности, краново-металлургическая. Электродвигатели большой мощности также применяются в насосных агрегатах.

Использование: электропривод различного назначения. Сущность изобретения: ротор выполнен в виде предварительно смонтированного и сбалансированного узла, содержит постоянные магниты, центральные части торцов которых соединены с помощью пластин с втулкой. Технический результат: упрощение конструкции и уменьшение массы. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к приводам с электродвигателем. Широко известны и наиболее распространены бесколлекторные асинхронные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Асинхронный электродвигатель возбуждается переменным током, который, как правило, подводится к электродвигателю от сети переменного тока, имеющей промышленную частоту 50 Гц . Известен электродвигатель переменного тока, содержащий статор с обмоткой, ротор с короткозамкнутой обмоткой, выполненной в виде беличьей клетки, и вала с подшипниковыми опорами (см. авт. св. СССР N 1053229, кл. H 02 K 17/00, 1983). Для управления частотой вращения асинхронного электродвигателя с фазным ротором могут быть использованы устройства, содержащие в цепи ротора преобразователь частоты с непосредственной связью . Эти устройства имеют значительные габариты и вес. Наиболее близким аналогом изобретения является электродвигатель, содержащий вращающийся вокруг оси ротор и статор, установленный соосно с ротором. По окружности ротора и статора размещены несколько биполярных полюсов. Полюса ротора расположены внутри, а статора — снаружи окружности, концентричной оси ротора и лежащей в плоскости, перпендикулярной этой оси. Блок, соединенный с одной из групп полюсов, управляет подачей к ней питания для выборочного намагничивания полюсов и создания вращающего магнитного поля. Каждый из полюсов ротора имеет магнитный сердечник E-образного поперечного сечения, причем плоскость поперечного сечения перпендикулярна плоскости окружности, на которой размещены полюса. Открытая часть сердечников обращена к этой окружности и имеет один центральный и два наружных выступа. На каждом полюсе ротора вокруг центрального выступа намотана по меньшей мере одна катушка, соединенная с блоком управления для создания вращающегося магнитного поля . Данный электродвигатель не позволяет получить высокие обороты и сложен в изготовлении, так как трудно осуществить его балансировку и выполнить электронное устройство блока управления для создания вращающегося магнитного поля. Целью изобретения является создание высокооборотистого двигателя с оборотами до 50000 в минуту, имеющего простую конструкцию и малый вес. Указанный технический результат достигается тем, что ротор выполнен в виде предварительно смонтированного и отбалансированного узла, включающего втулку и равномерно расположенные по поперечному сечению по меньшей мере два постоянных магнита, центральные части торцов которых соединены посредством пластин со втулкой, последняя напрессована на вал отбора мощности, при этом смежные магниты противоположно намагничены и их продольный размер больше внутреннего радиуса статора, а электронное устройство выполнено в виде последовательно соединенных между собой диодного моста, фильтра и тиристорного преобразователя. На фиг.1 схематически изображен продольный разрез высокооборотистого электродвигателя; на фиг.2 — поперечное сечение А-А на фиг.1. Высокооборотистый электродвигатель содержит: статор 1, имеющий обмотки 2, ротор 3, установленный в подшипниковых опорах 4, вал 5 отбора мощности с напрессованной на нем втулкой 6, соединенной посредством пластин 7 с центральными частями торцов постоянных магнитов 8, расположенными с зазором относительно статора 1, причем смежные магниты противоположно намагничены и их продольный размер больше внутреннего радиуса статора, а электронное устройство для создания вращающегося магнитного поля (не показано) выполнено в виде последовательно соединенных между собой диодного моста (типа Д-245 или Д-246), фильтра (типа РЦ) и тиристорного преобразователя. Величина зазора между статором 1 и ротором 3 выполняется порядка 2 мм, увеличение зазора ведет к потере мощности. Желательно использование магнитов 8 на керамической основе, что позволяет избежать появления пыли и повысит и ресурс работы. Магниты 8 могут быть выполнены в виде полос, изогнутых по цилиндрическим образующим (как представлено на фиг. 2), причем поперечное сечение может быть и круглым или прямоугольным. Для обеспечения работоспособности электродвигателя при оборотах 50000 в минуту ротор 3 предварительно монтируют и осуществляют его балансировку посредством сверловки его элементов или установки балансировочных грузиков (не показано), что позволяет избежать вибраций при работе и разрушений подшипниковых опор 4, а также обеспечит постоянство зазора между статором 1 и ротором 3. Предложенный высокооборотистый электродвигатель работает следующим образом. Ток в обмотках 2 статора 1 подается от сети переменного тока через последовательно соединенные между собой диодный мост, фильтр и тиристорный преобразователь, что позволяет создать вращающееся магнитное поле и регулировать угловую скорость (обороты) ротора 3 электродвигателя за счет взаимодействия магнитных полей статора 1 и магнитов 8 ротора 3, при этом смежные магниты 8 противоположно намагничены в роторе 3.

Формула изобретения

Высокооборотистый электродвигатель, содержащий вращающийся вокруг оси ротор и статор, установленный соосно с ротором, электронное устройство для создания вращающегося магнитного поля, подключенное к источнику тока, и вал отбора мощности, установленный в подшипниковых опорах корпуса статора, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде предварительно смонтированного и сбалансированного узла, включающего втулку и равномерно расположенные по поперечному сечению по меньшей мере два постоянных магнита, центральные части торцов которых соединены посредством пластин с втулкой, последняя напрессована на вал отбора мощности, при этом смежные магниты противоположно намагничены и их продольный размер больше внутреннего радиуса статора, а электронное устройство выполнено в виде последовательно соединенных между собой диодного моста, фильтра и тиристорного преобразователя.

Частотный преобразователь двигателя и высокочастотные токи

Что делает частотный преобразователь

На многих производствах согласно условиям работы оборудования электродвигатели работают через  частотные преобразователи. Это устройство предназначено для регулировки скорости или момента электродвигателя в широком диапазоне при максимальном коэффициенте полезного действия электрической машины. Кроме того частотный преобразователь обеспечивает максимальную защиту эл двигателя от короткого замыкания, перегрузок. Так же преобразователь частоты регистрирует, отображает и измеряет все процессы, происходящие в работе агрегата, при этом передает все параметры двигателя, такие как: скорость, момент, мощность, напряжение, температуру, потребляемую электроэнергию. Для работы через частотный преобразователь применяют специальные машины, которые должны соответствовать определенным требованиям для стабильной и безупречной работы в течение продолжительного времени. В частности все двигатели, работающие от преобразователя частоты, обязательно должны быть оборудованы узлом принудительной вентиляции.

Ток электродвигателя

Поскольку частотный преобразователь работает на очень высокой частоте и возникает асимметрия магнитного поля электрической машины, появляются высокочакстоные токи, возникающие в магнитном поле между ротором и статором. На двигателях свыше 30 кВт высокочакстоные токи оказывают негативное влияние на агрегаты электромотора, происходит нагрев корпуса электродвигателя, разрушение подшипников и даже расплавление заливки вкладышей. А если глубина регулировки оборотов электродвигателя высока, то не зависимо от мощности мотора влияние высокочастотных токов будет критично.

Дополнительная модификация эл двигателя

В связи с этим помимо узла принудительного охлаждения электродвигателя, который устанавливается для работы через частотно регулируемый привод, рекомендуется устанавливать на двигатели свыше 30 кВт токоизолирующие подшипники. Такая конструкция подшипника не будет позволять высокочастотным токам переходить через узел подшипника и разрушать его, соответственно корпус электродвигателя не будет чрезмерно нагреваться. Кроме этого не будет лишним установить температурные датчики на обмотку статора и на подшипниковые узлы. При этом подключить эти датчики к автоматике, включенной в электрическую цепь. Таким образом, можно будет отслеживать все процессы, происходящие в работе агрегата, и в случае возникновения проблемы будет возможность ее устранить, поскольку Вы будете знать причину возникновения определенной неисправности.


 Электродвигатель АИР характеристики
Тип двигателя  Р, кВт Номинальная частота вращения, об/мин кпд,* COS ф 1п/1н Мп/Мн Мmах/Мн 1н, А Масса, кг
Купить АИР56А2 0,18 2840 68,0 0,78 5,0 2,2 2,2 0,52 3,4
Купить АИР56В2 0,25 2840 68,0 0,698 5,0 2,2 2,2 0,52 3,9
Купить АИР56А4 0,12 1390 63,0 0,66 5,0 2,1 2,2 0,44 3,4
Купить АИР56В4 0,18 1390 64,0 0,68 5,0 2,1 2,2 0,65 3,9
Купить АИР63А2 0,37 2840 72,0 0,86 5,0 2,2 2,2 0,91 4,7
Купить АИР63В2 0,55 2840 75,0 0,85 5,0 2,2 2,3 1,31 5,5
Купить АИР63А4 0,25 1390 68,0 0,67 5,0 2,1 2,2 0,83 4,7
Купить АИР63В4 0,37 1390 68,0 0,7 5,0 2,1 2,2 1,18 5,6
Купить АИР63А6 0,18 880 56,0 0,62 4,0 1,9 2 0,79 4,6
Купить АИР63В6 0,25 880 59,0 0,62 4,0 1,9 2 1,04 5,4
Купить АИР71А2 0,75 2840 75,0 0,83 6,1 2,2 2,3 1,77 8,7
Купить АИР71В2 1,1 2840 76,2 0,84 6,9 2,2 2,3 2,6 10,5
Купить АИР71А4 0,55 1390 71,0 0,75 5,2 2,4 2,3 1,57 8,4
Купить АИР71В4 0,75 1390 73,0 0,76 6,0 2,3 2,3 2,05 10
Купить АИР71А6 0,37 880 62,0 0,70 4,7 1,9 2,0 1,3 8,4
Купить АИР71В6 0,55 880 65,0 0,72 4,7 1,9 2,1 1,8 10
Купить АИР71А8 0,25 645 54,0 0,61 4,7  1,8 1,9 1,1 9
Купить АИР71В8 0,25 645 54,0 0,61 4,7  1,8 1,9 1,1 9
Купить АИР80А2 1,5 2850 78,5 0,84 7,0 2,2 2,3 3,46 13
Купить АИР80А2ЖУ2 1,5 2850 78,5 0,84 7,0 2,2 2,3 3,46 13
Купить АИР80В2 2,2 2855 81,0 0,85 7,0 2,2 2,3 4,85 15
Купить АИР80В2ЖУ2 2,2 2855 81,0 0,85 7,0 2,2 2,3 4,85 15
Купить АИР80А4 1,1 1390 76,2 0,77 6,0 2,3 2,3 2,85 14
Купить АИР80В4 1,5 1400 78,5 0,78 6,0 2,3 2,3 3,72 16
Купить АИР80А6 0,75 905 69,0 0,72 5,3 2,0 2,1 2,3 14
Купить АИР80В6 1,1 905 72,0 0,73 5,5 2,0 2,1 3,2 16
Купить АИР80А8 0,37 675 62,0 0,61 4,0 1,8 1,9 1,49 15
Купить АИР80В8 0,55 680 63,0 0,61 4,0 1,8 2,0 2,17 18
Купить АИР90L2 3,0 2860 82,6 0,87 7,5 2,2 2,3 6,34 17
Купить АИР90L2ЖУ2 3,0 2860 82,6 0,87 7,5 2,2 2,3 6,34 17
Купить АИР90L4 2,2 1410 80,0 0,81 7,0 2,3 2,3 5,1 17
Купить АИР90L6 1,5 920 76,0 0,75 5,5 2,0 2,1 4,0 18
Купить АИР90LA8 0,75 680 70,0 0,67 4,0 1,8 2,0 2,43 23
Купить АИР90LB8 1,1 680 72,0 0,69 5,0 1,8 2,0 3,36 28
Купить АИР100S2 4,0 2880 84,2 0,88 7,5 2,2 2,3 8,2 20,5
Купить АИР100S2ЖУ2 4,0 2880 84,2 0,88 7,5 2,2 2,3 8,2 20,5
Купить АИР100L2 5,5 2900 85,7 0,88 7,5 2,2 2,3 11,1 28
Купить АИР100L2ЖУ2 5,5 2900 85,7 0,88 7,5 2,2 2,3 11,1 28
Купить АИР100S4 3,0 1410 82,6 0,82 7,0 2,3 2,3 6,8 21
Купить АИР100L4 4,0 1435 84,2 0,82 7,0 2,3 2,3 8,8 37
Купить АИР100L6 2,2 935 79,0 0,76 6,5 2,0 2,1 5,6 33,5
Купить АИР100L8 1,5 690 74,0 0,70 5,0 1,8 2,0 4,4 33,5
Купить АИР112M2 7,5 2895 87,0 0,88 7,5 2,2 2,3 14,9 49
Купить АИР112М2ЖУ2 7,5 2895 87,0 0,88 7,5 2,2 2,3 14,9 49
Купить АИР112М4 5,5 1440 85,7 0,83 7,0 2,3 2,3 11,7 45
Купить АИР112MA6 3,0 960 81,0 0,73 6,5 2,1 2,1 7,4 41
Купить АИР112MB6 4,0 860 82,0 0,76 6,5 2,1 2,1 9,75 50
Купить АИР112MA8 2,2 710 79,0 0,71 6,0 1,8 2,0 6,0 46
Купить АИР112MB8 3,0 710 80,0 0,73 6,0 1,8 2,0 7,8 53
Купить АИР132M2 11 2900 88,4 0,89 7,5 2,2 2,3 21,2 54
Купить АИР132М2ЖУ2 11 2900 88,4 0,89 7,5 2,2 2,3 21,2 54
Купить АИР132S4 7,5 1460 87,0 0,84 7,0 2,3 2,3 15,6 52
Купить АИР132M4 11 1450 88,4 0,84 7,0 2,2 2,3 22,5 60
Купить АИР132S6 5,5 960 84,0 0,77 6,5 2,1 2,1 12,9 56
Купить АИР132M6 7,5 970 86,0 0,77 6,5 2,0 2,1 17,2 61
Купить АИР132S8 4,0 720 81,0 0,73 6,0 1,9 2,0 10,3 70
Купить АИР132M8 5,5 720 83,0 0,74 6,0 1,9 2,0 13,6 86
Купить АИР160S2 15 2930 89,4 0,89 7,5 2,2 2,3 28,6 116
Купить АИР160S2ЖУ2 15 2930 89,4 0,89 7,5 2,2 2,3 28,6 116
Купить АИР160M2 18,5 2930 90,0 0,90 7,5 2,0 2,3 34,7 130
Купить АИР160М2ЖУ2 18,5 2930 90,0 0,90 7,5 2,0 2,3 34,7 130
Купить АИР160S4 15 1460 89,4 0,85 7,5 2,2 2,3 30,0 125
Купить АИР160S4ЖУ2 15 1460 89,4 0,85 7,5 2,2 2,3 30,0 125
Купить АИР160M4 18,5 1470 90,0 0,86 7,5 2,2 2,3 36,3 142
Купить АИР160S6 11 970 87,5 0,78 6,5 2,0 2,1 24,5 125
Купить АИР160M6 15 970 89,0 0,81 7,0 2,0 2,1 31,6 155
Купить АИР160S8 7,5 720 85,5 0,75 6,0 1,9 2,0 17,8 125
Купить АИР160M8 11 730 87,5 0,75 6,5 2,0 2,0 25,5 150
Купить АИР180S2 22 2940 90,5 0,90 7,5 2,0 2,3 41,0 150
Купить АИР180S2ЖУ2 22 2940 90,5 0,90 7,5 2,0 2,3 41,0 150
Купить АИР180M2 30 2950 91,4 0,90 7,5 2,0 2,3 55,4 170
Купить АИР180М2ЖУ2 30 2950 91,4 0,90 7,5 2,0 2,3 55,4 170
Купить АИР180S4 22 1470 90,5 0,86 7,5 2,2 2,3 43,2 160
Купить АИР180S4ЖУ2 22 1470 90,5 0,86 7,5 2,2 2,3 43,2 160
Купить АИР180M4 30 1470 91,4 0,86 7,2 2,2 2,3 57,6 190
Купить АИР180М4ЖУ2 30 1470 91,4 0,86 7,2 2,2 2,3 57,6 190
Купить АИР180M6 18,5 980 90,0 0,81 7,0 2,1 2,1 38,6 160
Купить АИР180M8 15 730 88,0 0,76 6,6 2,0 2,0 34,1 172
Купить АИР200M2 37 2950 92,0 0,88 7,5 2,0 2,3 67,9 230
Купить АИР200М2ЖУ2 37 2950 92,0 0,88 7,5 2,0 2,3 67,9 230
Купить АИР200L2 45 2960 92,5 0,90 7,5 2,0 2,3 82,1 255
Купить АИР200L2ЖУ2 45 2960 92,5 0,90 7,5 2,0 2,3 82,1 255
Купить АИР200M4 37 1475 92,0 0,87 7,2 2,2 2,3 70,2 230
Купить АИР200L4 45 1475 92,5 0,87 7,2 2,2 2,3 84,9 260
Купить АИР200M6 22 980 90,0 0,83 7,0 2,0 2,1 44,7 195
Купить АИР200L6 30 980 91,5 0,84 7,0 2,0 2,1 59,3 225
Купить АИР200M8 18,5 730 90,0 0,76 6,6 1,9 2,0 41,1 210
Купить АИР200L8 22 730 90,5 0,78 6,6 1,9 2,0 48,9 225
Купить АИР225M2 55 2970 93,0 0,90 7,5 2,0 2,3 100 320
Купить АИР225M4 55 1480 93,0 0,87 7,2 2,2 2,3 103 325
Купить АИР225M6 37 980 92,0 0,86 7,0 2,1 2,1 71,0 360
Купить АИР225M8 30 735 91,0 0,79 6,5 1,9 2,0 63 360
Купить АИР250S2 75 2975 93,6 0,90 7,0 2,0 2,3 135 450
Купить АИР250M2 90 2975 93,9 0,91 7,1 2,0 2,3 160 530
Купить АИР250S4 75 1480 93,6 0,88 6,8 2,2 2,3 138,3 450
Купить АИР250M4 90 1480 93,9 0,88 6,8 2,2 2,3 165,5 495
Купить АИР250S6 45 980 92,5 0,86 7,0 2,1 2,0 86,0 465
Купить АИР250M6 55 980 92,8 0,86 7,0 2,1 2,0 104 520
Купить АИР250S8 37 740 91,5 0,79 6,6 1,9 2,0 78 465
Купить АИР250M8 45 740 92,0 0,79 6,6 1,9 2,0 94 520
Купить АИР280S2 110 2975 94,0 0,91 7,1 1,8 2,2 195 650
Купить АИР280M2 132 2975 94,5 0,91 7,1 1,8 2,2 233 700
Купить АИР280S4 110 1480 94,5 0,88 6,9 2,1 2,2 201 650
Купить АИР280M4 132 1480 94,8 0,88 6,9 2,1 2,2 240 700
Купить АИР280S6 75 985 93,5 0,86 6,7 2,0 2,0 142 690
Купить АИР280M6 90 985 93,8 0,86 6,7 2,0 2,0 169 800
Купить АИР280S8 55 740 92,8 0,81 6,6 1,8 2,0 111 690
Купить АИР280M8 75 740 93,5 0,81 6,2 1,8 2,0 150 800
Купить АИР315S2 160 2975 94,6 0,92 7,1 1,8 2,2 279 1170
Купить АИР315M2 200 2975 94,8 0,92 7,1 1,8 2,2 248 1460
Купить АИР315МВ2 250 2975 94,8 0,92 7,1 1,8 2,2 248 1460
Купить АИР315S4 160 1480 94,9 0,89 6,9 2,1 2,2 288 1000
Купить АИР315M4 200 1480 94,9 0,89 6,9 2,1 2,2 360 1200
Купить АИР315S6 110 985 94,0 0,86 6,7 2,0 2,0 207 880
Купить АИР315М(А)6 132 985 94,2 0,87 6,7 2,0 2,0 245 1050
Купить АИР315MВ6 160 985 94,2 0,87 6,7 2,0 2,0 300 1200
Купить АИР315S8 90 740 93,8 0,82 6,4 1,8 2,0 178 880
Купить АИР315М(А)8 110 740 94,0 0,82 6,4 1,8 2,0 217 1050
Купить АИР315MВ8 132 740 94,0 0,82 6,4 1,8 2,0 260 1200
Купить АИР355S2 250 2980 95,5 0,92 6,5 1.6 2,3 432,3 1700
Купить АИР355M2 315 2980 95,6 0,92 7,1 1,6 2,2 544 1790
Купить АИР355S4 250 1490 95,6 0,90 6,2 1,9 2,9 441 1700
Купить АИР355M4 315 1480 95,6 0,90 6,9 2,1 2,2 556 1860
Купить АИР355MА6 200 990 94,5 0,88 6,7 1,9 2,0 292 1550
Купить АИР355S6 160 990 95,1 0,88 6,3 1,6 2,8 291 1550
Купить АИР355МВ6 250 990 94,9 0,88 6,7 1,9 2,0 454,8 1934
Купить АИР355L6 315 990 94,5 0,88 6,7 1,9 2,0 457 1700
Купить АИР355S8 132 740 94,3 0,82 6,4 1,9 2,7 259,4 1800
Купить АИР355MА8 160 740 93,7 0,82 6,4 1,8 2,0 261 2000
Купить АИР355MВ8 200 740 94,2 0,82 6,4 1,8 2,0 315 2150
Купить АИР355L8 132 740 94,5 0,82 6,4 1,8 2,0 387 2250

Двигатель механического вибратора HERVISA ROBUST CMP EXP 10064

Если вы ищете надежный вибратор бетонный на 220В для организации виброрежимов на стройке или в производстве, то наша компания готова предложить вам самое лучшее – импульсные и площадочные глубинные вибраторы HERVISA, которые отлично зарекомендовали себя в российских условиях эксплуатации. Доказано практикой, что строительные глубинные вибраторы – идеальное решение для уплотнения бетона. Они разработаны таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность укладки бетона в монолитные конструкции, независимо от степени их армирования. Также подобное оборудование уплотнения отлично подходит для изготовления различных изделий из бетона и железобетона, которые в дальнейшем целесообразно применять в сборном строительстве.

Преимущества серии CMP:  

Глубинный механический вибратор HERVISA имеет лямку для более удобной работы оператора.

Благодаря оригинальному креплению вала с двигателем, вал вибратора при погружении в бетон, может вращаться в разные стороны, не создавая давления на руки оператора.  

Модель Размеры, мм. Вес, кг Напряжение, В Частота Мощность Двигатель об/мин.
CMP Hervisa 320х135х220 6 220 50 Гц 2,3 кВт 16000

Технические характеристики булав

Преимущества булав серии AM:

— Гибкий вал защищен металлической оплеткой и имеет внутри стальной трос;

— Удобно и быстро присоединяется к приводу;

— Гибкий вал усилен в местах соединения привода и булавы;

— Внешнее покрытие гибкого вала обладает повышенной износостойкостью и долговечностью.

Гибкий вал HERVISA серии АМ:

  • Гибкий вал 1 метр
  • Гибкий вал 2 метра
  • Гибкий вал 3 метра
  • Гибкий вал 4 метра
  • Гибкий вал 5 метров
  • Гибкий вал 6 метров
Вибробулава АМ 26 АМ 36 АМ 42 АМ 50 АМ 57
Вес, кг 8 9 10 11 12
∅мм 28 35 42 50 57
Производительность, м³/ч. 8 10 20 29 33

Исследовательские испытания высокочастотного ионного двигателя для малых космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление

УДК 629.7.036.74

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Я. Ю. Харлан*, А. В. Оссовский, А. А. Харлан

ООО «Авант — Спэйс Системс» Российская Федерация, 143026, г. Москва, Территория Инновационного центра Сколково, ул. Луговая, 4/7

*E-mail: [email protected]

Посвящена экспериментальному исследованию высокочастотного индуктивного ракетного двигателя с целью оптимизации его параметров для низкоорбитальных космических миссий.

Ключевые слова: ионный двигатель, высокочастотный разряд, электрический ракетный двигатель.

EXPLORATORY TESTING OF A RADIO-FREQUENCY THRUSTER FOR SMALL SATELLITES

Ya.Yu. Kharlan*, А.У. Ossovsky, A. A. Kharlan

«Avant — Space Systems» Ltd. 4/7, Lugovaya Str., Skolkovo Innovation Centre, Moscow, 143026, Russian Federation

*E-mail: [email protected]

This paper introduces an exploratory test of an RF thruster currently under development aimed at optimizing its performance for low earth orbit spaceflight.

Keywords: Ion thruster, RF discharge, electric propulsion system.

На более ранних этапах развития космической техники для точного позиционирования аппаратов на орбите, а также для поддержания орбитальных параметров космического аппарата (КА) использовались, в основном, однокомпонентные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Их основным недостатком является слишком низкий удельный импульс, что естественным образом приводит к ограничению срока активного существования (САС) КА. Сегодня, с появлением бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА), способной работать в условиях космического пространства десятки лет, возрастают требования к САС КА. Разрабатываемые в настоящее время электроракетные двигательные установки (ЭРДУ) малой тяги с высоким удельным импульсом открывают возможность удовлетворить этим требованиям.

В данной статье представлены результаты экспериментальной работы по исследованию параметров ВЧ ионного двигателя вТ-100 компании «Авант -Спэйс Системс». Целевые технические характеристики разрабатываемого изделия были определены в рамках предшествующего испытаниям анализа баллистических задач для МКА [1].

Были рассмотрены 4 типа маневров: поддержание орбиты, утилизация КА, фазирование и разведение КА по орбитам [2]. Задача разведения аппаратов на низких орбитах по плоскостям не является тривиальной, и к настоящему моменту не запущено ни одной группировки, где это было бы реализовано, однако о необходимости развития таких подходов говорят все без исключения разработчики группировок на каком-либо из этапов развития своих проектов. Энерговооруженность КА, используемая в расчетах —

5 Вт/кг — является оптимистичной оценкой энергетических возможностей перспективных КА.

В целом, расчеты показывают, что для малых КА, обладающих сравнительно невысокой парусностью, использование ЭРДУ для коррекции орбиты не является критичным (в особенности для орбит выше 500 км). При рассмотрении задач утилизации, напротив, с повышением высоты орбиты возникает острая необходимость в использовании двигателя с высоким удельным импульсом, дающего серьезный выигрыш в массе топлива. Стоит отметить, что современные производители низкоорбитальных КА (например, OneWeb) гарантируют сведение своих аппаратов с орбиты в течение 15-20 лет после окончания эксплуатации.

Из рассмотренных в ходе анализа расчетных случаев можно сделать выводы о требуемых технических характеристиках двигательных установок малой тяги (см. таблицу). Следует учитывать, что немаловажную роль при принятии решения о типе ДУ играют следующие факторы: стоимость, надежность, а также простота интеграции ДУ в КА.

Также следует отметить, что для всех рассмотренных типов маневров одним из ключевых требований является необходимость обеспечения цены тяги не выше 30 Вт/мН.

На основании полученных данных были проведены исследовательские испытания разрабатываемой ЭРДУ с целью минимизации цены тяги двигателя. Обобщение некоторых экспериментальных данных представлено на рисунке (потребляемая ВЧ-мощность равна 110 Вт, В — напряженность внешнего магнитного поля).

Решетневскуе чтения. 2017

Требуемые технические характеристики ЭРДУ

Масса КА, кг Виды маневров Мощность, Вт Тяга, мН Удельный импульс, с

до 150 Коррекция, утидизация до 300 до 12 > 1000

до 800 Коррекция, утилизация до 1000 до 60 > 1000

до 800 Разведение и фазирование до 3000 до 120 > 3000

МО

100-|—i——,——,——,——,——i——,——,— —,— 20 ЭО 40 50 50 ÍO И) SO 100 110

L (mm)

Зависимость ионного тока от длины газоразрядной камеры (ГРК)

Разработка эффективного ВЧ ионного двигателя требует решения нескольких взаимосвязанных задач: организация эффективного вложения ВЧ мощности в плазму, создание плазмы максимальной плотности при заданной мощности, обеспечение определенного пространственного распределения плотности плазмы по радиусу ГРК [3].

Рассматриваемый ВЧ ионный двигатель состоит из диалектической ГРК, ВЧ антенны, ионно-оптической системы и магнитной системы. В результате проведенных экспериментов получены зависимости ионного тока от мощности ВЧ генератора, длины ГРК, расхода рабочего газа, частоты ВЧ генератора и напряженности внешнего магнитного поля (В, мТл).

Оптимизация всех перечисленных параметров позволила обеспечить значение цены тяги ионного двигателя в диапазоне от 24 до 30 Вт/мН при значении удельного импульса свыше 2000 с.

References

1. Vallado D. Fundamentals of Astrodynamics and Applications, Ed. 3. Springer-Verlag New York. 2007.

2. A. Kharlan, V. Ruchenkov, V. Teplyakov Mobile Satellite Communication System Based on New Digital Phased Array Beamforming Technology // 66th International Astronautical Congress. 2015.

3. Aleksandrov A. F., Antonova T. B., Bugrov G. E., Vorobjev N. F., Kralkina E. A., Kondranin S. G., Obuk-hov V. A., Ruhadze A. A. The revealing of optimal regimes of HF low power input in limited magnetoactive plasma for development of HF ion thruster of the new type. IEPC. 1995.

© Харлан Я. Ю., Оссовский А. В., Харлан А. А., 2017

РАЗРАБОТКА БЕЗЭЛЕКТРОДНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ DEVELOPMENT OF ELECTRODE HIGH FREQUENCY ELECTRICAL THRUSTER

173

ствия попадания примесей от электродов, стенок и внутрикамерных конструкций [1]. Этим

требованиям удовлетворяют безэлектродные сверхвысокочастотные (СВЧ) системы, работа-

ющие на основе электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) и высокочастотные системы

(ВЧ) системы, в том числе индуктивно связанные (трансформаторные) разряды.

Относительно СВЧ систем можно отметить ряд основных существенных недостатков, до-

статочных для обоснованного отказа от данных частот: существенные тепловые потери от

джоулева тепла индукционных токов, высокие требования по согласованию нагрузки и СВЧ

источника, необходимость мощной и эффективной системы охлаждения, и, главное, большие

значения необходимых магнитных полей (1 – 2 кГс) в ЭЦР разрядах.

Альтернативным типом электроракетного двигателя (ЭРД) является безэлектродный вы-

сокочастотный двигатель, представляющий собой плазменную двигательную систему без

контактирующих с рабочим телом электродов, основанную на индуктивном методе создания

и ускорения плазмы ВЧ разряда низкого давления при действии внешнего постоянного одно-

родного магнитного поля. Прототип указанного двигателя продемонстрирует себя как новое

перспективное направление в космических ракетных двигателях, которое может устранить

ограничение ресурса работы из-за эрозии электродов при одновременном обеспечении значе-

ния импульса, сравнимом с импульсом ионных и холловских двигателей.

В статье представлена схема высокочастотного индукционного плазменного двигателя,

способного работать в различных режимах вкладываемой мощности и диапазонах частот:

низкочастотный режим (от 0,5 до 1 МГц) и геликонный режим (13.56/27.12 МГц и не менее 10

кВт). Электрическая эффективность генерации электромагнитных волн нижнего диапазона

намного выше, чем СВЧ [2], а также низкий частотный режим позволит использовать значи-

тельно более низкие напряженности магнитного поля. Для геликонов, работающих на 13 или

27 МГц, дисперсионное соотношение для волн геликонов требует магнитное поле от 0,05 до

0,5 Тл. Магнитные системы для создания таких полей постоянного тока являются массивны-

ми и требуют мощного охлаждения. В частотном режиме от 0,5 до 1 МГц напряженность по-

ля магнитов должна быть только 0,01 Тл, чтобы соответствовать соотношению дисперсии

геликона. Таким образом, эта система будет обеспечивать экономию с точки зрения повыше-

ния производительности системы и снижения массы и стоимости двигательной установки.

Геликон представляет собой электромагнитную циркулярно-поляризованную волну (пра-

вополяризованную), распространяющуюся в плазме вдоль внешнего постоянного магнитного

поля с частотой, лежащей между циклотронной ионной и электронной [1]. Низкочастотные

геликоны будут распространяться в плазменной среде за счет снижения скин-эффекта, при

котором возникают индукционные поверхностные токи, экранирующие электромагнитное

возмущение. Данный эффект наблюдается под действием излучения с частотой, меньшей

собственной частоты плазмы. Ослабление экранирования дает возможность распространения

в среде низкочастотных геликонов и уменьшает значение паразитарного емкостного сопро-

тивления в системе антенна-плазма [1]. Кроме того, заряженные частицы вращаются вокруг

силовых линий магнитного поля под действием силы Лоренца, перпендикулярной движению

частиц, следствием чего является свойственная плазме анизотропия во внешнем однородном

магнитном поле. Набирая энергию и ускоряясь в высокочастотном электромагнитном поле,

свободные электроны вступают с атомами в процесс ударной ионизации, провоцируя в про-

странстве газоразрядной камеры лавинообразное образование ионов.

В высокочастотных разрядах компоненты плазменного тела обычно имеют сложную

функцию распределения по энергиям, значительно отличающуюся от классического распре-

деления Максвелла. Частота колебаний выбрана исходя из соображений эффективности соот-

ношения вкладываемой в плазму мощности к распределению энергии по компонентам, ведь

именно при геликонной частоте преимущественно происходит нагрев ионной компоненты.

Как известно из многочисленных зарубежных экспериментов, отмечается сильная зави-

симость поведения разряда и параметров плазмы от величины магнитного поля (МП). Напри-

мер, в работе [3] отмечается, что соблюдение оптимальной конфигурации МП может приве-

Высокочастотные глубинные вибраторы IREN

Производительность и длительный срок службы являются отличительными признаками серии IREN компании Wacker Neuson. Высокочастотные глубинные вибраторы впечатляют своими показателями в том числе и в тяжелых условиях эксплуатации на всей производственной линии и при этом обеспечивают постоянную высокую эффективность уплотнения.

Серия IREN: Высокочастотные глубинные вибраторы для получения первоклассных результатов в сфере уплотнения бетона

 

— Электродвигатель со стабильным числом оборотов и высоким крутящим моментом

— Электродвигатель собственной разработки, отвечающий высочайшим стандартам качества – сделано в Германии

— Встроенный термовыключатель

— Индукционно закаленные вибробулавы обеспечивают высокую износоустойчивость.
— При замене вибробулав специальный инструмент не требуется

 

 

 

Технические характеристики:

  IREN 30 IREN 38 IREN 45
Диаметр вибробулавы мм 30 38 45
Длина вибробулавы мм 353 353 382
Вес вибробулавы кг 1,4 2,2 3,5
защитный шланг  м 5 5 5
Рабочая масса  кг 8,9 10,5 11,8
Эффективный диаметр ** см 40 50 60
Колебания  1/мин 12.000 12.000 12.000
двигатель *** Высокочастотный короткозамкнутый электродвигатель Высокочастотный короткозамкнутый электродвигатель Высокочастотный короткозамкнутый электродвигатель
Напряжение **** В 42 42 42
Ток  А 3,5 7 10
Частота  Гц 200 200 200
электрический кабель  м 15 15 15
  IREN 57* IREN 65
Диаметр вибробулавы мм 57 65
Длина вибробулавы мм 400 490
Вес вибробулавы кг 5,8 9,2
защитный шланг  м 5 5
Рабочая масса  кг 16,2 22,5
Эффективный диаметр ** см 85 100
Колебания  1/мин 12.000 12.000
двигатель *** Высокочастотный короткозамкнутый электродвигатель Высокочастотный короткозамкнутый электродвигатель
Напряжение **** В 42 42
Ток  А 17,3 25
Частота  Гц 200 200
электрический кабель  м 15 15

 

Электродвигатели переменного тока, 400 Гц — Высокочастотные асинхронные двигатели переменного тока

Kawak Aviation производит электродвигатели переменного тока 400 Гц для ряда применений, включая насосы для перекачки жидкости, функции каротажа вертолетов и вспомогательные приводы. Компания имеет успешную историю производства электродвигателей для аэрокосмической и оборонной промышленности.

Электродвигатели переменного тока Kawak серии 400 Гц предназначены для использования в самолетах с источниками питания 400 Гц. Конструктивные особенности включают в себя как высокую эффективность, так и высокую удельную мощность для снижения веса.Они разработаны в соответствии с военными стандартами, что делает их пригодными для использования как на коммерческих, так и на военных самолетах. Двигатели Kawak представляют собой решение везде, где требуется питание асинхронного двигателя от источника питания 400 Гц.

Электродвигатели переменного тока

Kawak 400 Гц воплощают в себе передовые характеристики, производительность и надежность, необходимые для постоянно растущих потребностей аэрокосмической промышленности, пилотируемых и беспилотных моторизованных систем и промышленных приложений.

Характеристики и преимущества:
  • Класс защиты окружающей среды IP66
  • Высокая удельная мощность и эффективность
  • Алюминиевый корпус, обработанный на станке с ЧПУ, для максимальной теплопередачи и снижения веса
  • Стандартный шлицевой выходной вал для различных применений
  • Встроенные монтажные приспособления включены
  • Прочная конструкция уплотнения использует дублирующие механизмы уплотнения, которые предотвращают попадание жидкостей в двигатель.

Технические характеристики для 5.Двигатель переменного тока мощностью 6 кВт (7,5 л.с.), 400 Гц:

Класс защиты IP ………………………… IP66
Фазы …………………………… 3
Напряжение ………………………… 208 В перем. Тока
Сила тока ……………… ……… .,30 АМП (предел 50А)
Максимальный крутящий момент ………………. 13,59 фунт-фут
Номинальная скорость ……………………. 3800 об / мин
Тип выходного вала …………… SAE 5/8 ”-9 шлицев
Вес …………………………… 0,26 фунтов

Технические характеристики двигателя переменного тока мощностью 7,46 кВт (10 л.с.), 400 Гц:

Класс защиты IP ………………………… IP66
Фазы …………………………… 3
Напряжение ………………………… 208 В перем. Тока
Сила тока ……………… ………..50 ампер (предел 100 А)
Максимальный крутящий момент ………………. 28,09 фунт-фут
Номинальная скорость ……………………. 3800 об / мин
Тип выходного вала …………… SAE 5/8 ”-9 шлицев
Вес …………………………… 0,26 фунтов


Продукт 3D Файл Загрузки:

ЗАЯВЛЕНИЕ КАЧЕСТВА KAWAK AVIATION TECHNOLOGIES
Все компоненты спроектированы и изготовлены для обеспечения максимальной надежности и долговечности. Изготовлено в США в соответствии с утвержденной системой контроля качества FAA / PMA, ваше удовлетворение гарантировано.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Эта заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 62/724702, которая была подана 30 августа 2018 г., а также испрашивает приоритет как частичное продолжение Непредварительной заявки на патент США сер. № 15/938267, которая была подана 28 марта 2018 г. и, в свою очередь, испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США № 62/479,556, которая была размещена 31 марта 2017 г. Все вышеупомянутые заявки включены в настоящий документ ссылка.

Аспекты настоящего раскрытия, выходящие за рамки заявки США сер. № 15/938 267 были сделаны при государственной поддержке NNX14AL79A, присужденной Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства. Правительство имеет определенные соответствующие права на изобретение.

Электрические машины преобразуют электрическую энергию в механическую или наоборот и обычно состоят из ротора и статора. Ротор обычно представляет собой движущийся компонент, который может вращаться относительно статора для создания полезной силы.В обычных устройствах магнитные поля, образованные между ротором и статором, взаимодействуют для создания крутящего момента на валу ротора, который может использоваться для приведения в действие механических устройств.

Растет интерес к применению электродвигателей в транспортных средствах, таких как электромобили и самолеты. Важной задачей для этих (и других) приложений является снижение веса и использования материалов при одновременном обеспечении эффективной работы и надлежащей общей производительности. Кроме того, для применения в автомобилях часто требуется двигатель, способный производить постоянную мощность в широком диапазоне скоростей.Во многих случаях для оптимальной работы электродвигателя также требуется соответствующее охлаждение.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагается электродвигатель со статором, включающим в себя множество обмоток с воздушным зазором, поддерживаемых ярмом, и ротор, содержащий массив постоянных магнитов, необязательно поддерживаемый удерживающим кольцом. Катушки с воздушным зазором, намотанные из тонкопроволочных транспонированных проводников, могут быть пропитаны смолой, содержащей множество частиц.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагается электродвигатель, который может включать в себя обмотки якоря, которые включают литц-кабели, пропитанные смолой, содержащей частицы, которые включают по меньшей мере одну из множества керамических наночастиц и множества частиц железа.

Некоторые варианты осуществления изобретения обеспечивают транспортную систему, которая может включать в себя электродвигатель, установленный в одном из колес транспортного средства, и турбовентиляторный двигатель в сборе для самолета. Электродвигатель может включать в себя статор, включающий в себя множество обмоток с воздушным зазором, поддерживаемых ярмом, и ротор, содержащий массив постоянных магнитов. Катушки с воздушным зазором могут быть пропитаны смолой, содержащей множество частиц. Система управления электродвигателем может быть установлена ​​на транспортном средстве, чтобы не входить в неподрессоренную массу транспортного средства, или может быть установлена ​​на летательном аппарате.

Некоторые варианты осуществления изобретения предоставляют систему управления для электродвигателя. Система управления может включать в себя повышающий преобразователь и многоуровневый преобразователь с перестраиваемой конфигурацией. Повышающий преобразователь может быть подключен к реконфигурируемому многоуровневому инвертору для обеспечения переменной мощности постоянного тока. Реконфигурируемый многоуровневый инвертор может быть подключен к электродвигателю для обеспечения регулируемого напряжения и тока.

Некоторые варианты осуществления изобретения предоставляют транспортную систему, которая включает в себя электродвигатель и систему управления.Электродвигатель может включать в себя множество обмоток с воздушным зазором, которые включают в себя проволочные кабели, пропитанные смолой, содержащей множество, по меньшей мере, керамических частиц и частиц железа, и магнитную решетку, необязательно поддерживаемую удерживающим кольцом. Система управления может включать в себя повышающий преобразователь и многоуровневый преобразователь с перестраиваемой конфигурацией. Повышающий преобразователь может быть подключен к реконфигурируемому многоуровневому инвертору для обеспечения переменной мощности постоянного тока, а реконфигурируемый многоуровневый инвертор может быть подключен к электродвигателю для обеспечения регулируемого напряжения и тока.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагается силовая установка для самолета или другого транспортного средства. Электродвигатель может включать в себя ротор и статор, причем статор расположен радиально внутрь от ротора и определяет внутреннюю область, которая направлена ​​радиально внутрь от статора. Устройство охлаждения может включать в себя теплоотвод и множество проточных каналов. Радиатор может быть расположен во внутренней области и может поддерживать во внутренней области один или несколько силовых электронных компонентов для работы электродвигателя.Каналы потока могут быть сформированы вдоль статора и могут быть выполнены с возможностью направления окружающего воздуха мимо статора во время работы самолета или другого транспортного средства.

В некоторых вариантах осуществления электродвигатель для силовой установки может включать в себя ротор и статор, причем статор расположен радиально внутрь от ротора и определяет внутреннюю область, которая радиально внутрь от статора. Устройство охлаждения для электродвигателя может включать в себя одно или несколько из следующего: радиатор, который расположен во внутренней области и поддерживает во внутренней области один или несколько силовых электронных компонентов для работы электродвигателя; и один или несколько проточных каналов, которые образованы, по меньшей мере, вдоль одного из ротора и статора.Один или несколько проточных каналов могут быть выполнены с возможностью пропускания текучей среды мимо, по меньшей мере, одного из ротора и статора во время работы силовой установки.

В некоторых вариантах осуществления электродвигатель для силовой установки самолета или другого транспортного средства может включать в себя ротор и статор. Устройство охлаждения может включать в себя множество проточных каналов, которые образованы вдоль статора. Каналы потока могут быть выполнены так, чтобы направлять окружающий воздух мимо статора во время работы летательного аппарата или другого транспортного средства.

Прилагаемые чертежи, которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов вариантов осуществления изобретения:

ФИГ. 1A и 1B представляют собой соответственно схематические виды в разрезе традиционной конструкции двигателя и одного варианта осуществления двигателя в соответствии с изобретением;

РИС. 2A и 2B — соответственно схематические изображения примерных конфигураций якоря и ярма для двигателей, показанных на фиг.1A и 1B;

РИС. 3A и 3B — соответственно схематические виды традиционной матрицы постоянных магнитов и матрицы постоянных магнитов, используемых в двигателях согласно некоторым вариантам осуществления изобретения;

РИС. 4А и 4В — соответственно виды в перспективе пресс-формы для намотки катушек во время производственного процесса согласно варианту осуществления изобретения и готовой обмотки якоря, полученной таким способом;

РИС. 5 — вид в перспективе и схематический вид аспектов обмотки якоря согласно варианту осуществления изобретения;

РИС.6 — вид в перспективе и схематический вид узла статора согласно варианту осуществления изобретения;

РИС. 7 — схематический вид системы управления двигателем согласно варианту осуществления изобретения;

РИС. 8А — вид в перспективе с частичным разрезом двигателя согласно варианту осуществления изобретения;

РИС. 8B — вид в перспективе статора двигателя, показанного на фиг. 8А;

РИС. 8C — вид в перспективе с частичным разрезом двигателя, показанного на фиг. 8А, и потоки теплопередачи для двигателя;

РИС.9 — перспективный вид тягового вентилятора летательного аппарата согласно варианту осуществления изобретения;

РИС. 10 — вид в разрезе тягового вентилятора, показанного на фиг. 9;

РИС. 11 — вид в перспективе воздушного винта в сборе согласно варианту осуществления изобретения;

РИС. 12 — вид в перспективе узла гребного вентилятора согласно варианту осуществления изобретения;

РИС. 13 представляет собой вид в перспективе с частичным разрезом силового вентилятора, показанного на фиг.12;

РИС. 14 — схематический вид в разрезе двигателя согласно варианту осуществления изобретения, включая различные элементы охлаждения;

РИС. 15 — схематический частичный вид в поперечном сечении узла гребного вентилятора согласно варианту осуществления изобретения и его охлаждения; и

ФИГ. 16 — схематический вид электрической машины, встроенной в колесо транспортного средства, согласно варианту осуществления изобретения.

Перед тем, как подробно объяснять какие-либо варианты осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается в своем применении деталями конструкции и расположением компонентов, изложенными в нижеследующем описании или проиллюстрированными на следующих чертежах.Изобретение может иметь другие варианты осуществления и применяться на практике или осуществляться различными способами. Также следует понимать, что фразеология и терминология, используемые здесь, предназначены для описания и не должны рассматриваться как ограничивающие. Использование терминов «включая», «содержащий» или «имеющий» и их вариации в данном документе подразумевает охват элементов, перечисленных после них, и их эквивалентов, а также дополнительных элементов. Если не указано или не ограничено иное, термины «смонтированный», «связанный», «поддерживаемый» и «связанный» и их варианты используются широко и охватывают как прямые, так и непрямые крепления, соединения, опоры и муфты.Кроме того, «соединенный» и «связанный» не ограничиваются физическими или механическими соединениями или муфтами.

В данном контексте, если не указано иное или не ограничено, «по крайней мере, один из A, B и C» и т.п. означает A, или 13 , или C, или любую комбинацию A, B , и / или C. Таким образом, эти и подобные фразы могут включать в себя один или несколько экземпляров A, B и / или C, и, в случае, если любой из A, B и / или C указывает категорию элементов , один или несколько экземпляров любого из элементов категорий A, B и / или C.

Следующее обсуждение представлено, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники создавать и использовать варианты осуществления изобретения. Различные модификации проиллюстрированных вариантов осуществления будут очевидны для специалистов в данной области техники, и общие принципы в данном документе могут быть применены к другим вариантам осуществления и приложениям без отклонения от вариантов осуществления изобретения. Таким образом, варианты осуществления изобретения не предназначены для ограничения показанными вариантами осуществления, но должны соответствовать самому широкому объему, согласующемуся с принципами и признаками, раскрытыми в данном документе.Следующее подробное описание следует читать со ссылкой на фигуры, на которых одинаковые элементы на разных фигурах имеют одинаковые ссылочные позиции. Фигуры, которые не обязательно в масштабе, изображают выбранные варианты осуществления и не предназначены для ограничения объема вариантов осуществления изобретения. Квалифицированные специалисты поймут, что приведенные здесь примеры имеют много полезных альтернатив и подпадают под объем вариантов осуществления изобретения.

Поскольку финансовые и экологические проблемы вызывают интерес к высокоэффективным транспортным средствам и другим транспортным системам, электродвигатели с высокой удельной мощностью были определены как потенциально важная технология.Один из подходов к увеличению удельной мощности (или удельной мощности), которая относится к количеству мощности на единицу веса, состоит в том, чтобы, по крайней мере, частично избежать металлической топологии традиционной конструкции двигателя, которая может способствовать увеличению веса двигателя. Например, многие традиционные тяговые двигатели основаны на топологиях машин, в которых используются традиционные магнитные цепи со значительным количеством ферромагнитной стали (то есть значительным количеством железа). Соответственно, эти моторы могут быть относительно тяжелыми. Кроме того, из-за использования большого количества ферромагнитной стали обычные двигатели могут страдать от относительно значительных потерь эффективности при работе на высоких частотах (например,г., при 1-10 кГц и выше).

Варианты осуществления раскрытого изобретения могут улучшить традиционные конструкции двигателей, обеспечивая относительно легкие, высокоскоростные и высокочастотные электродвигатели и соответствующие системы управления, способы производства и управления такими двигателями, а также транспортные (и другие) системы, в которых используются такие моторы. В частности, в некоторых вариантах осуществления изобретения можно достичь значительных улучшений по сравнению с традиционными конструкциями за счет значительного снижения потребности в ферромагнитной стали с соответственно уменьшенным весом, а также обеспечением относительно высокой выходной мощности.В этом отношении некоторые варианты осуществления изобретения могут быть особенно полезны в аэрокосмической и транспортной (например, автомобильной) приложениях, а также в различных других контекстах.

Как также обсуждалось выше, традиционные тяговые двигатели и приводы могут быть основаны на топологиях машин, в которых используются традиционные магнитные цепи со значительным количеством ферромагнитной стали и относительно небольшой основной частотой. Эти двигатели могут быть относительно тяжелыми и иметь потери из-за железа, особенно на высоких частотах.

Напротив, двигатели в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения могут быть спроектированы для работы на очень высоких основных частотах (например, 3-10 кГц или выше), с относительно уменьшенным магнитным потоком на полюс и с минимальным использованием стали. Такая компоновка, например, может устранить значительный источник потерь и веса в машине по сравнению с традиционными конструкциями, а также значительно снизить (например, минимизировать) потребность в компонентах буферизации энергии (катушках индуктивности и конденсаторах) в соответствующих система привода.

В этой связи следует отметить, что основная частота двигателя напрямую связана с количеством полюсов в машине для данной скорости ротора. Например, доводя основную частоту машины примерно до десятикратной обычной частоты, количество полюсов для машины может быть соответственно увеличено в десять раз, тем самым уменьшая магнитный поток на полюс на порядок. Дополнительные подробности, касающиеся увеличения числа полюсов и уменьшения потока на полюс, обсуждаются Ивоном и др., «Высокоскоростная высокочастотная машина с БДМ с воздушным сердечником для применения в самолетах», конференция IEEE Power and Energy 2016 в Иллинойсе, которая включена в настоящий документ посредством ссылки.

В свете этого было признано, что увеличение количества полюсов в электрической машине может привести к снижению веса, потому что, например, увеличение количества полюсов (и соответствующее уменьшение магнитного потока на полюс) может позволить для пропорционального уменьшения количества железа, которое может потребоваться для переноса магнитного потока.Например, в некоторых традиционных двигателях конструкции относительно тяжелые конструкции из стальных зубьев, стальных пластин и ярм на статоре и роторе предназначены для переноса магнитного потока внутри машины. По мере увеличения числа полюсов машины, например, в некоторых вариантах осуществления изобретения, магнитный поток машины распределяется по большему количеству полюсов, что приводит к уменьшению магнитного потока на полюс. Поскольку поэтому для переноса магнитного потока требуется меньше материала, некоторые двигатели в соответствии с изобретением могут быть сконструированы так, чтобы иметь значительно более тонкие ярмы статора и ротора, чем у обычных двигателей, а также в целом меньше железа.

В некоторых вариантах осуществления изобретения вес может быть дополнительно уменьшен за счет реализации обмотки якоря с воздушным зазором, которая может использоваться для уменьшения (например, полного исключения) зависимости от стальных зубцов и связанных с ними пазов ярма для конструктивной поддержки обмотки. . Как также обсуждается ниже, в некоторых вариантах осуществления изобретения комбинированные эффекты высокочастотной работы и использования обмоток с воздушным зазором могут позволить существенно снизить вес, в том числе за счет уменьшения потребности в конструкционной стали и уменьшения потребности в железе для переносят магнитный поток внутри машины.

Как также обсуждается ниже, машины с восстановленным железом, которые могут частично работать за счет высокочастотной работы и уменьшенного числа полюсов, могут быть сконфигурированы так, чтобы обеспечивать более высокую удельную мощность и более низкие материальные затраты по сравнению с обычными машинами. Однако по мере увеличения частоты соответствующей машины потери меди в катушках якоря из-за близости или поверхностных эффектов могут начать значительно влиять на общую эффективность. Соответственно, в конкретных вариантах осуществления может быть полезно оптимизировать компромисс между минимизацией содержания железа, количеством требуемых постоянных магнитов и потерями в меди, связанными с высокочастотными машинами.Некоторые подходы к этой оптимизации, включая засыпку деталей машины (например, обмоток с воздушным зазором) железом или другими частицами, также обсуждаются ниже.

В некоторых вариантах осуществления изобретения аспекты конструкции могут привести к отказу от мощных, но относительно дорогих редкоземельных магнитов. Например, в вариантах осуществления, в которых используются обмотки якоря с воздушным сердечником, хотя иногда можно ожидать увеличения требований к возбуждению по сравнению с традиционными конструкциями, сочетание уменьшенного числа ампер-витков на полюс якоря и повышенного сопротивления может привести к значительно более низким полям размагничивания от токи якоря.В некоторых вариантах реализации эта конфигурация, отдельно или в сочетании с использованием наполненных смол в обмотках с воздушным зазором (как также обсуждается ниже), может позволить использовать не редкоземельные элементы (например, не содержащие диспрозий, не неодимовый металл). , и нетербиевые) магниты, что приводит к снижению стоимости системы. В некоторых вариантах реализации такие устройства могут также привести к транспортным двигателям со значительно улучшенными рабочими характеристиками.

В качестве еще одного преимущества некоторых вариантов осуществления изобретения подход к снижению веса, который сводит к минимуму использование железа, также может значительно снизить потери в сердечнике, такие как потери на гистерезис и потери на вихревые токи, за счет уменьшения общего количества железа в соответствующей системе.В некоторых вариантах реализации, когда потери в сердечнике были существенно уменьшены (например, чтобы стать пренебрежимо малым компонентом общих потерь), конструкция машины может быть дополнительно оптимизирована, чтобы максимизировать эффективность в широком рабочем пространстве, позволяя внутреннему напряжению шины изменяться в два раза. -ступенчатый преобразователь.

Некоторые варианты осуществления изобретения могут обеспечивать особенно полезные конфигурации для эффективного охлаждения электродвигателей и для использования электродвигателей в аэрокосмической отрасли. Например, в современных реактивных двигателях большая часть всасываемого воздуха проходит через турбовентилятор, но небольшая часть всасываемого воздуха (например.г., примерно 10%) проходит через сердцевину. Этот основной воздух сначала сжимается через серию компрессоров низкого и высокого давления. Затем сжатый воздух смешивается с топливом и сгорает в камере сгорания, а продукты сгорания и другие выхлопные газы затем направляются через ряд турбин, которые приводят в действие компрессоры и ТРДД. Наконец, выхлопные газы выбрасываются из задней части двигателя, увеличивая тягу от главного вентилятора.

В электрической силовой установке (например, в серийном гибридном или полностью электрическом летательном аппарате) пропульсивный вентилятор может приводиться в действие электродвигателем, который не включает в себя такой же сердечник, как указано выше для обычных двигателей.Одной из проблем при замене реактивных двигателей силовыми установками с электрическим приводом является размер и вес электродвигателя, который обычно значительно тяжелее, чем эквивалентные механические двигатели. Таким образом, существует сильная мотивация для увеличения удельной мощности электродвигателей, чтобы можно было снизить общий вес при заданной выходной мощности.

Одним из способов увеличения удельной мощности электродвигателей для аэрокосмической и других областей применения и, таким образом, снижения общего веса является агрессивное охлаждение электродвигателей с помощью жидкого хладагента.Например, в некоторых традиционных подходах используется охлаждение масляным распылением. Однако традиционные конструкции не смогли эффективно охлаждать двигатели с использованием таких жидкостей, как окружающий воздух. Например, хотя общее количество тепла, выделяемого при работе двигателей, обычно ниже, чем при работе реактивных двигателей, воздушное охлаждение двигателя было сложной задачей, поскольку температурные пределы для оптимальной работы двигателя значительно ниже, чем для реактивных двигателей (например, в пределах примерно 200 градусов температуры окружающего воздуха по сравнению св пределах приблизительно 2000 градусов от температуры окружающего воздуха),

Варианты осуществления изобретения, раскрытые в данном документе, могут обеспечивать высокую удельную мощность для электродвигателей даже при относительно простом воздушном охлаждении (например, без жидкостного охлаждения). Например, некоторые варианты осуществления двигателей и связанных с ними систем, раскрытых в данном документе, могут иметь относительно небольшие радиальные размеры, которые могут снизить повышение проводимости и, соответственно, могут приспособиться к большей разнице температур для обеспечения конвективной теплопередачи в воздух.Таким образом, за счет улучшенной конвективной работы потери эффективности теплопередачи, возникающие в результате использования воздуха, а не жидкости, могут быть уменьшены или преодолены.

Некоторые варианты осуществления могут также включать внутренние проточные каналы для дальнейшего улучшения теплопередачи без использования обычных устройств жидкостного охлаждения. Например, внутренние проточные каналы, сформированные в компонентах двигателя, могут обеспечивать относительно высокоскоростной и большой поток окружающего воздуха через двигатель в целях охлаждения.Такое расположение может выгодно обеспечить увеличение коэффициента теплопередачи и увеличение массового расхода, последний из которых также способствует более благоприятным температурным градиентам для теплопередачи из-за тенденции больших массовых потоков к небольшим изменениям объемной температуры для данного пути потока. и источник тепла. Эти комбинированные эффекты могут значительно улучшить охлаждающую способность данной системы и, соответственно, обеспечить относительно высокую удельную мощность и эффективность.

В некоторых вариантах реализации другие функции также могут обеспечивать улучшенные операции охлаждения.Например, некоторые двигатели могут быть выполнены с большими открытыми внутренними пространствами, что может быть облегчено за счет использования кольцевого ротора, который расположен радиально наружу от кольцевого статора. Радиатор, такой как металлический блок с ребрами или внутренними каналами потока, может быть расположен во внутреннем пространстве такого двигателя (или других двигателей), чтобы обеспечить значительное охлаждение за счет кондуктивной (или другой) передачи тепла от статора и конвективный перенос тепла в окружающую среду. Кроме того, тепловыделяющая силовая электроника, такая как инвертор для двигателя, может поддерживаться радиатором, также во внутренней области, чтобы также обеспечить улучшенное охлаждение для электроники.Более того, такое размещение соответствующей электроники также может уменьшить (например, исключить) необходимость в расширенных электрических соединениях (например, кабелях) за пределами соответствующего двигателя. Соответственно, связанных проблем, связанных с защитой от электромагнитных помех («EMI»), можно избежать.

В некоторых вариантах реализации аспекты подходов к охлаждению, обсуждаемых в данном документе, могут устранить необходимость во вторичных охлаждающих контурах с жидкостями, которые сами должны отводить тепло либо в воздух через дополнительные теплообменники, либо в какой-либо другой теплоотвод (например,г. авиационное топливо в обычных системах). Точно так же аспекты раскрытых подходов могут также способствовать более тесной интеграции двигателя с турбовентилятором, с возможностью использования части всасываемого воздуха для турбовентиляторного двигателя для охлаждения двигателя.

РИС. 1A и 1B иллюстрируют определенные аспекты улучшений по сравнению с обычными конструкциями, которые могут быть достигнуты в некоторых вариантах осуществления изобретения. Например, фиг. 1A иллюстрирует обычную конструкцию электродвигателя 20 , который включает в себя ротор 22 , который поддерживает редкоземельные магниты 24 относительно вала 26 , и относительно тяжелый статор 28 из железа.Статор 28, включает ряд пазов статора 30 , в которых размещены медные обмотки 32 двигателя. Напротив, как показано на фиг. 1B, двигатель 40 согласно варианту осуществления изобретения может использовать обмотку с воздушным зазором, чтобы способствовать значительному уменьшению функционального поперечного сечения двигателя, а также другим преимуществам (например, позволяя использовать не -редкоземельные магниты). В частности, проиллюстрированная конфигурация двигателя , 40, включает в себя относительно тонкий кольцевой статор , 42, , окружающий относительно тонкий кольцевой ротор , 44, , который может быть сконфигурирован в соответствии с принципами этого раскрытия.В других вариантах осуществления возможны другие конфигурации, включая, например, конфигурации с кольцевым ротором вне кольцевого статора.

Аспекты сравнительного улучшения вариантов осуществления изобретения по сравнению с традиционными конструкциями дополнительно проиллюстрированы на фиг. 2А и 2Б. Например, фиг. 2A показано использование пазов 30 , определяемых железным ярмом 28 a и железными зубьями 28 b статора 28 для поддержки медных обмоток 32 двигателя 20 (см. также фиг.1А). Напротив, фиг. 2В показано отсутствие в двигателе , 40, зубьев, подобных зубцам 28, b, в пользу намотки с воздушным зазором и соответствующее уменьшение конструкционного железа. В частности, в проиллюстрированном варианте осуществления ярмо статора 42, a поддерживает медные обмотки , 46, без необходимости в массиве железных зубцов. Результирующее уменьшение количества конструкционного железа, используемого в ярме 42 a (не обязательно проиллюстрировано в масштабе на фиг. 2), очевидно.

Действительно, в некоторых вариантах осуществления ярмо для поддержки обмоток якоря в вариантах осуществления изобретения (например, двигатель 40 ) может быть уменьшено до 1/10 размера (или меньше) ярма сопоставимых обычных машин (например, , мотор 20 ). Соответственно, потери в сердечнике для вариантов осуществления изобретения также потенциально могут быть уменьшены до 1/10 (или менее) потерь в сердечнике сравнимых обычных машин. Это, в свою очередь, может дополнительно обеспечить возможность работы вариантов осуществления изобретения на относительно высоких частотах.В этом свете и в отличие от традиционных конструкций варианты осуществления изобретения, в которых используется обмотка с воздушным зазором в статоре, могут значительно выиграть за счет устранения зубцов статора и связанных с ними потерь в стали, которые преобладают на высоких частотах, что приводит к улучшенной магнитной нагрузке. машин.

Некоторые варианты осуществления могут также (или альтернативно) использовать другие технологии с аналогичным (а в некоторых случаях взаимосвязанным) эффектом. Как показано на фиг. 3B, например, в некоторых вариантах осуществления можно достичь еще большей экономии веса за счет использования массива 50 Хальбаха из не редкоземельных магнитов, которые могут поддерживаться относительно тонкими композитными (или другими) удерживающими кольцами на роторе, такими как ротор 44 (не показан на ФИГ.3Б). Как показано на фиг. 3A, обычные матрицы 52 магнитов для двигателей (например, такие как в роторе 22 на фиг. 1A) могут включать в себя магниты, которые ориентированы исключительно радиально внутрь или наружу, чтобы установить соответствующую плотность потока в соответствующем воздухе. -зазор. Эта конструкция может потребовать значительного количества железа для надлежащего удержания магнитного потока (например, в задней ярме ротора). Напротив, с магнитами, расположенными в массиве Хальбаха, таком как массив 50 , показанный на фиг.3B, магнитный поток может подавляться с одной стороны, тем самым устраняя (или, по крайней мере, уменьшая) необходимость в относительно толстом (и тяжелом) железном ярме. В некоторых вариантах осуществления изобретения, как отмечалось выше, это может позволить формировать ротор (или другое) ярмо двигателя с относительно тонким профилем и, в некоторых вариантах осуществления, из относительно легкого материала (например, углеродного волокна или другие композитные материалы). В некоторых вариантах осуществления ярмо ротора может иметь оптимальную радиальную толщину примерно 0.25 дюймов, потенциально в сочетании с радиальной толщиной ярма статора, оптимизированной примерно до 0,5 дюйма, с активной длиной для обоих примерно 8 дюймов.

В некоторых вариантах реализации, в том числе для автомобильных приложений, значительное снижение (например, фактическое исключение) железа и связанных потерь в сердечнике, которые могут возникать на высоких частотах (например, как обсуждалось выше), может привести к повышению КПД двигателя, который может превышают 97%, не считая механических потерь. Примечательно, что в некоторых случаях принципы топологии воздушного ядра, раскрытые в данном документе, также могут значительно уменьшить (например,g., практически исключают) потери в магнитах, тем самым уменьшая проблемы управления температурой на высоких частотах.

В некоторых случаях преимущества определенных концепций, обсужденных выше, может потребоваться уравновесить с учетом соображений компенсации, включая возможности более высокой утечки магнитного потока, уменьшения электромагнитной связи между ротором и статором и потенциально более высоких потерь переменного тока. Например, особенно при более высоких скоростях двигателя, незначительные потери эффективности могут возникать из-за потерь переменного тока в меди и из-за потерь из-за любого оставшегося железа в машине (например.г., через вихревые токи). Потери переменного тока в меди могут потребоваться, в частности, для конструкций без зубцов статора (например, как в двигателе 40 на фиг. 1B и 2B) из-за размещения обмоток якоря на пути основного магнитного потока соответствующие машины.

Соответствующий баланс этих (и других) соображений может быть рассмотрен с помощью определенных конструктивных соображений, раскрытых в данном документе, включая, например, использование высокочастотных катушек с формованной намоткой, которые производятся с высокой теплопроводностью или высокой магнитной проницаемостью (т. .е. низкое магнитное сопротивление) наполнители. В некоторых вариантах осуществления, например, обмотки якоря могут быть сформированы с использованием способа производства уплотненного лицевого провода, который пропитан смолами с высокой теплопроводностью (или другими наполнителями) и, в некоторых случаях, соответствующими частицами.

В некоторых аспектах литц-проволока особенно хорошо подходит для использования в высокочастотных машинах. Например, по мере увеличения рабочей частоты, чтобы минимизировать потери в медной обмотке, может потребоваться относительно тонкая медная проволока (например,g., 0,1-0,2 мм), так что наведенные вихревые токи в меди могут оставаться относительно небольшими. Кроме того, медные жилы, возможно, потребуется переставить разными способами, чтобы равномерно распределить ток в соответствующем кабеле. Литцевый провод, который разделяет каждую фазную обмотку на большое количество параллельно соединенных проводов меньшего диаметра, может удовлетворить этим и другим соображениям.

Однако чисто традиционные подходы к литцевской проволоке могут быть не полностью оптимальными в контексте звуковых вариантов осуществления изобретения.Например, обычные устройства из проволоки Литца могут быть сформированы только из 25-30% меди, при этом остальные материалы или воздух составляют остальную часть композиции. Кроме того, пустоты или воздушные зазоры внутри лицевого провода могут создавать теплоизоляцию, затрудняя отвод тепла от области, повышая рабочую температуру и ограничивая допустимые токи через проводник.

Кроме того, во многих конструкциях литц-проволока может располагаться в обмотках якоря между ротором и статором.Это может создать большой реактивный зазор или «магнитный зазор» в задней части обмоток якоря, например, между постоянными магнитами на роторе и любой сталью в статоре. Величина магнитного потока, который может приводиться в действие данным количеством магнитов или другого источника возбуждения, обратно пропорциональна воздушному зазору, поэтому для машин с относительно большим магнитным потоком могут потребоваться относительно мощные магниты. Соответственно, во многих традиционных конструкциях двигателей, в которых используются обмотки с воздушным зазором, могут потребоваться относительно мощные — и относительно тяжелые — редкоземельные магниты для преодоления магнитных зазоров, создаваемых обмотками из проволоки Литца.

В некоторых вариантах осуществления изобретения может быть применен подход обратной засыпки для преодоления этих (и других) проблем, направленный на оптимизацию (например, максимизацию) количества меди, присутствующей в данной геометрии, при одновременном надлежащем решении проблем, связанных с магнитные зазоры. Например, в некоторых реализациях во время выполнения производственного процесса двигателя проволока может быть намотана с использованием формы (например, формы 60 на фиг. 4A) в соответствующие обмотки (например, обмотки 62 на фиг.4В), при этом обмотки пропитываются железом или керамическими смолами. Это может выгодно создавать композитную структуру с электрическим проводником с высоким коэффициентом заполнения, высокой теплопроводностью и / или более высокой магнитной проницаемостью с минимальными пустотами и воздушными карманами. После того, как обмотки пропитаны соответствующими частицами, сборка может быть отверждена в форме (например, намоточной формы 60, ) для получения структурно прочной обмотки с оптимальными электрическими, магнитными, термическими и механическими свойствами, которую затем можно собрать внутри машина.

В разных реализациях могут использоваться разные методы намотки. Например, в некоторых реализациях может использоваться намотка внахлест, а в некоторых реализациях может использоваться волновая намотка.

Поскольку провод наматывается в бухты, может оказаться полезным сжать медные жилы в относительно плотную упаковку. Однако также может быть важно сжать медные жилы в кабель, не вызывая внутренних коротких замыканий.

В связи с этим, чтобы дополнительно защитить от внутренних коротких замыканий, в процессе производства можно использовать конкретное нанесение изоляционных слоев.Например, может быть полезно выбрать и применить слои изоляции, которые обеспечивают соответствующую комбинацию характеристик, включая электрическую изоляцию, пористость, податливость и тонкость. В частности, для изоляции витков может быть полезно использовать материалы, которые обладают диэлектрической способностью выдерживать требуемые межвитковые напряжения, но также обладают соответствующей структурной податливостью. В некоторых случаях также может быть полезно выбрать подходящий пористый материал, чтобы обеспечить проникновение смолы с высокой теплопроводностью (или других наполнителей).

Пример применения изоляции согласно изобретению показан на фиг. 5. (Для удобства представления на фиг. 5 проиллюстрирована только часть жил и пучков проводов), в проиллюстрированной реализации обмотки 62 в основном сформированы из отдельных жил 64 из меди, которые изолированы одинарная полиимидная изоляция. Некоторое количество изолированных жил 64 (например, всего 44, каждая размером 38 AWG) затем собирают в жгут 66 , который покрывают одиночной изоляцией Nomex® или другим огнестойким материалом (например.g., другие метаарамидные материалы). (Nomex является зарегистрированным товарным знаком EI du Pont de Nemours and Company или ее дочерних компаний в США и / или других юрисдикциях.) Затем наборы пакетов 66 (например, в группы по 15 штук) затем собираются вместе, чтобы сформировать очереди 68 , которые изолированы стекловолоконной лентой. Наконец, витки , 68, могут использоваться для формирования кабелей , 70, , для обмоток 62, (или других обмоток) для использования в конкретной машине.

В некоторых вариантах реализации может быть полезно использовать изоляцию со свойствами, указанными в следующей таблице:

мил
Тип изолятора Материал Толщина Диэлектрическая прочность Напряжение пробоя Температурный класс
Нить Полиимид 0,5 мил 7700 В · мил -1 3850 В Класс H (220 ° C.)
Связка Nomex 5 мил 715 В · мил -1 3850 В Класс H (220 ° C)
Поворот 9030 Стекловолокно 7 9030 715 В · мил −1 5000 В Класс H (220 ° C)

В некоторых вариантах реализации альтернативно (или дополнительно) может использоваться изоляция с другими свойствами.

Как также отмечалось выше, в некоторых реализациях после того, как кабели , 70, (или другие части обмотки) сформированы, кабели , 70, (или другие части) могут быть заполнены смолами с наночастицами.Например, в некоторых вариантах реализации кабели , 70, могут быть заполнены теплопроводным, электрически резистивным герметизирующим компаундом, который включает от 30% до 70% керамических (или других) наночастиц по объему. После отверждения смола с наночастицами может обеспечить высокую теплопроводность и улучшенную структурную целостность, что может предотвратить образование или распространение трещин в кабелях. Это обычно помогает поддерживать эффективность и надежную работу в течение всего срока службы двигателя.

В некоторых случаях, чтобы гарантировать соответствующее проникновение наночастиц смолы в кабели 70 , можно использовать специальный процесс. Например, смолу можно нагреть (или обработать другим способом) для достижения достаточно низкой вязкости, а затем ввести (например, впрыснуть) в соответствующий кабель 70 . Кроме того, кабель можно нагреть (например, поместить в отапливаемое отделение) до подходящей температуры (например, 20 ° C) в течение подходящего времени (например, нескольких минут), тем самым позволяя смоле соответствующим образом впитаться в зазоры внутри кабель.При необходимости избыток смолы для обеспечения этого капиллярного впитывания может быть предоставлен в отдельном резервуаре, таком как приподнятый нагретый резервуар 72 , содержащий смолу с частицами 80 , как показано на фиг. 4А. Когда капиллярность достигнет соответствующей стадии, кабель можно затем довести до соответствующей температуры отверждения (например, 120 ° C) для отверждения смолы с включением частиц 82 из смолы 80 внутрь (см. Фиг. 5). (Частицы , 82, не показаны в масштабе на ФИГ.5 и для удобства представления представлено только частичное пространственное распределение частиц , 82, . Далее, пространственная плотность частиц 82 как группы представлена ​​только в качестве примера. Возможны другие пространственные плотности, в зависимости от характера смолы 80 , производственного процесса и других факторов.)

После того, как медно-полимерные кабели должным образом сформированы и отверждены, их можно использовать в качестве катушек для соответствующих машина.Например, при использовании формы, такой как форма 60 на ФИГ. 4A, медные кабели , 70, , включая множество изолированных медных жил , 64, и наночастицы смолы, могут быть сформированы в виде катушки определенной геометрии. Затем полученные катушки можно сложить вместе, чтобы сформировать обмотки якоря (например, обмотки , 62, , как частично показано на фиг. 4B). В некоторых случаях пресс-форма 60 может быть подвергнута прецизионной механической обработке, чтобы гарантировать соответствие катушек надлежащим допускам на размеры (например,г. менее 5 тысячных дюйма), а также может включать приспособление (например, резервуар 72 и связанное с ним инжекционное оборудование (не показано)) для дополнительной смолы для обратного заполнения формы по мере того, как смола попадает в змеевики как есть разогретый.

В некоторых реализациях смолу или изоляцию можно добавлять по-разному или в разное время. Например, в некоторых случаях наночастицы смолы можно наносить во время подготовки проволоки перед намоткой. Затем во время намотки можно, при необходимости, нанести дополнительную смолу между витками со стекловолоконной лентой или другой изоляцией, обернутой вокруг средних (или других) витков, при необходимости.

Как также отмечалось выше, примерная конфигурация обмотки проиллюстрирована обмотками 62 на фиг. 4Б. В показанной конфигурации кабели Litz сформированы в последовательную обмотку с использованием концентрической намотки с тремя витками. В частности, обмотки 62 , показанные на фиг. 4B пропитаны частицами через смолу 80 и имеют размеры, включая осевую длину 74 9,48 ± 0,1 дюйма, периферийную ширину 76 0.265 + 0,00 / -0,005 дюйма, а радиальная высота 78 составляет 0,205 ± 0,005 дюйма. Конструктивно проиллюстрированные обмотки , 62, могут быть выполнены с возможностью выдерживать напряжение сдвига до сотен фунтов на квадратный дюйм по отношению к соответствующему ярму и около 10-100 фунтов на квадратный дюйм по отношению к виткам внутри обмотки. В других вариантах осуществления возможны другие геометрические формы, включая другие размеры и другие формы намотки. Например, некоторые варианты осуществления могут иметь радиальную высоту от приблизительно 0,197 дюйма до приблизительно 0 °.236, чтобы обеспечить оптимальный баланс между повышенной номинальной мощностью и надлежащим управлением теплом.

В некоторых вариантах реализации частицы железа могут быть включены в смолу в виде наночастиц, которая используется для заполнения одной или нескольких обмоток двигателя, например смолу 80 для обмоток 62 . В некоторых вариантах реализации частицы железа можно использовать вместе с другими частицами (например, керамическими частицами) или вместо других частиц. Полезно, что в некоторых вариантах воплощения рассеивание частиц железа через кабели, используемые для создания обмоток якоря, может уменьшать магнитное сопротивление через обмотку с воздушным зазором.Это, в свою очередь, может обеспечить обычно повышенную магнитную проницаемость двигателя с соответствующими преимуществами.

В некоторых случаях пропитка обмоток якоря частицами железа может быть особенно полезной для высокочастотных машин. Например, как обсуждалось выше, некоторые варианты осуществления высокочастотных машин могут выиграть от исключения зубцов статора и другого железа из-за уменьшения связанных потерь в стали, которые в противном случае могут составлять значительную часть общих потерь в системе на высоких частотах.Как правило, это может привести к улучшенной магнитной нагрузке на соответствующие машины. Однако устранение зубцов статора может привести к относительно большому магнитному зазору (т.е. большому магнитному сопротивлению), что может потребовать относительно мощных и относительно тяжелых редкоземельных магнитов для возбуждения необходимых магнитных полей. Пропитывая обмотки якоря железом (например, путем впрыскивания смол с частицами железа), можно добиться относительно низкого сопротивления на обмотках якоря, тем самым эффективно уменьшая магнитный зазор.Это, в свою очередь, может облегчить использование относительно менее мощных и относительно легких постоянных магнитов, включая магниты из не редкоземельных элементов (например, феррита).

В некоторых случаях замена редкоземельных магнитов (например, магнитов NdFeB) на нередкоземельные магниты (например, ферриты) может привести к снижению удельной мощности. Однако варианты осуществления изобретения могут по-прежнему обеспечивать двигатели конкурентоспособных размеров с более высоким КПД по сравнению с традиционными конструкциями.

Принимая во внимание приведенное выше обсуждение, следует отметить, что создание некоторых вариантов осуществления изобретения может осуществляться способом, который в целом противоположен подходам для традиционных конструкций двигателей.Например, в традиционных двигателях, как частично показано на фиг. 1A, для ротора и статора строятся прочные (например, радиально толстые) стальные конструкции, а внутри и вокруг этих конструкций размещают медь и магниты, если это необходимо. Напротив, в вариантах осуществления изобретения, пример которого частично проиллюстрирован на фиг. 1B, только тонкая оболочка (например, композитная оболочка) может поддерживать массив магнитов. Кроме того, что касается статора, медь обмотки якоря образует первичную структуру, причем сталь в виде частиц железа используется для заполнения зазоров.

Частично из-за большого числа полюсов двигателей и отсутствия «зубцов» статора для определения пути магнитного поля в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения может быть относительно важно расположить катушки на статоре с соответствующей точностью. . Например, с набором из 120 катушек, расположенных на равном расстоянии вокруг статора на 360 градусов, каждое поперечное сечение катушки может охватывать только 3 градуса. Соответственно, даже ошибка в размещении ± 1 градус (или меньше) может привести к относительно значительным эффектам.Кроме того, при достаточно смещенном размещении вредные эффекты, такие как пульсации крутящего момента, могут значительно повлиять на работу соответствующей машины.

Принимая во внимание эти соображения, соответственно может быть полезно контролировать размеры соответствующих катушек с жесткими допусками (например, как описано выше). Также может быть полезно предоставить функции индексации или выравнивания, чтобы помочь в правильном размещении катушек внутри машины. Как показано на фиг. 7, например, для статора , 90, согласно варианту осуществления изобретения, набор выравнивающих выступов , 92, предусмотрен на (например.g., сформированный на) соответствующей поверхности относительно тонкого стального ярма статора 94 Используя выступы 92 (или другие аналогичные элементы), можно добиться надлежащего точного совмещения катушек (например, обмоток 62 ). с относительно высокой надежностью. В других вариантах осуществления возможны другие устройства, способствующие выравниванию, включая наклонные поверхности (не показаны), канавки (например, перевернутые гребни) (не показаны) и так далее.

РИС. 7 также иллюстрирует другие аспекты, которые могут быть реализованы с помощью новаторских подходов, подробно описанных здесь.Например, ротор , 96, может включать в себя относительно тонкое композитное стопорное кольцо , 98, , вместе с решеткой Хальбаха , 100, постоянных ферритовых магнитов, как в целом обсуждалось выше. В частности, использование относительно тонкой композитной конструкции для кольца , 98, может быть облегчено за счет возможности использования относительно легких (например, не редкоземельных) магнитов в массиве , 100, . В качестве дополнительного преимущества ребристый радиатор , 102, предусмотрен внутри статора , 90, в пространстве, которое в обычных конструкциях, по меньшей мере, частично потребовалось бы для относительно большого ярма статора.В других вариантах осуществления возможны другие устройства и преимущества.

В некоторых вариантах осуществления ярмо 94 двигателя, показанного на ФИГ. 7 может проявлять дополнительные полезные свойства. В некоторых вариантах реализации, например, ярмо , 94, может быть сформировано из металлического порошкового композитного материала, такого как AncorLam®, или другого магнитомягкого материала высокой плотности (например, другого композитного материала на основе железного порошка). (AncorLam является зарегистрированным товарным знаком Hoeganaes Corp. в США и / или других юрисдикциях.) В некоторых вариантах реализации ярмо , 94, может дополнительно (или альтернативно) включать встроенные или прикрепленные иным образом пластины с относительно высокой теплопроводностью (например, из металла или керамики), чтобы улучшить передачу тепла от катушек к радиатору. .

Следует отметить, что фиг. 7 и I 13 показаны противоположные конфигурации относительно показанных роторов 22 , 96 и статоров 28 , 90 . Например, на фиг.7, узел статора является внутренним, а узел ротора — внешним. Напротив, на фиг. 1B, узел ротора является внутренним, а узел статора — внешним. Следует понимать, что, если иное не указано в данном документе для конкретных конфигураций, аспекты изобретения, обсуждаемые в отношении любой из этих общих конфигураций, обычно могут применяться в равной степени (хотя в некоторых случаях геометрически обратно) по отношению к другой.

В некоторых вариантах реализации снижение веса за счет удаления железа (например,g., с помощью подходов, описанных выше) может дополнительно ввести дополнительные уравновешивающие соображения, в том числе соображения, касающиеся управления скоростью и частотой. В обычных конструкциях, например, ослабление поля может использоваться для обеспечения относительно высоких рабочих скоростей. Однако из-за снижения содержания железа в некоторых вариантах осуществления изобретения ослабление поля не обязательно представляет собой оптимальную стратегию управления.

Обычно во время нормальной работы электродвигатель может генерировать противодействующую электродвижущую силу («обратную ЭДС»), которая препятствует намеченному вращению электродвигателя под действием напряжения.Это может привести к относительно высоким требованиям к системам управления. Например, если скорость двигателя удваивается при постоянном магнитном потоке, закон Фарадея указывает, что индуцированное напряжение удвоится. Соответственно, если ток в двигателе должен оставаться постоянным, потребуется удвоенное исходное напряжение, чтобы преодолеть возникающую в результате обратную ЭДС. При ослаблении поля ток может проходить через обмотки якоря, чтобы создать магнитный поток, который противодействует потоку от магнитов машины, тем самым снижая чистый магнитный поток в машине и позволяя ротору вращаться быстрее при заданной потребляемой мощности.

Чтобы ослабление поля было эффективным, внутри машины может потребоваться относительно высокая индуктивность (и низкое магнитное сопротивление). Однако из-за меньшего количества используемого железа и значительно меньшего размаха полюсов машины согласно некоторым вариантам осуществления изобретения могут демонстрировать относительно низкое реактивное сопротивление. Хотя это может обеспечить преимущества для динамических характеристик, это может привести к относительно плохой применимости традиционных методов ослабления поля.

Соответственно, в вариантах осуществления, в которых сокращение количества используемого железа является относительно высоким приоритетом, может оказаться целесообразным использовать один или несколько других способов управления.Например, как показано на фиг. 7, примерный вариант осуществления изобретения может управляться системой управления , 110, , которая включает в себя модульный двухступенчатый преобразователь. В частности, повышающий преобразователь , 112, может быть сконфигурирован для подачи переменной мощности постоянного тока на реконфигурируемый многоуровневый инвертор , 114, , который, в свою очередь, может быть сконфигурирован для подачи энергии на машину, спроектированную согласно аспектам изобретения ( например, высокочастотный двигатель с воздушным сердечником, такой как двигатель 40 по фиг.113). Как правило, система управления , 110, или другие системы с аналогичной конфигурацией могут работать без использования ослабления поля и могут выдерживать широкий диапазон противо-ЭДС без увеличения размера всей системы.

В некоторых вариантах реализации может использоваться модульная реконфигурируемая топология инвертора для получения относительно высоких рабочих напряжений без необходимости использования инвертора с номинальной мощностью намного более высокой, чем у двигателя. Например, система управления, такая как система управления , 110, , может включать в себя ряд модулей, сконфигурированных для параллельного подключения при подаче низкого напряжения и высокого тока (например,г. на относительно низких скоростях) и повторно подключаются последовательно, когда требуется низкий ток высокого напряжения (например, на высокой скорости).

В некоторых вариантах осуществления, во время работы системы управления 110 или других систем управления в соответствии с изобретением, постоянное напряжение инвертора 114 может увеличиваться по мере увеличения скорости соответствующей машины, а инвертор 114 подает необходимое высокое напряжение на двигатель без воздействия на входное напряжение преобразователя 112 .В этой конфигурации колебания напряжения, которые могут возникнуть из-за отсутствия управления ослаблением поля в двигателе, могут быть ограничены корпусом двигатель-преобразователь.

В некоторых вариантах реализации могут также использоваться аналогичные (или другие) подходы, включая подходы, использующие архитектуру плавающей шины постоянного тока (не показана), динамическое повторное соединение обмоток якоря (т. Е. Эффективное включение нескольких обмоток последовательно на низкой скорости и обмотки в параллельно на высокой скорости) (не показан), или высокочастотный, реконфигурируемый привод для получения обратно пропорционального напряжения относительно тока (например,g., 3-кратное напряжение при тока) (не показано). Действительно, в этом отношении при отсутствии использования ослабления поля варианты осуществления изобретения могут демонстрировать более высокую эффективность по сравнению с обычными машинами, в том числе в больших диапазонах скоростей и, в некоторых случаях, при постоянной мощности.

В некоторых вариантах осуществления двигатели согласно изобретению могут особенно хорошо подходить для применения в самолетах. Например, фиг. 8A показан двигатель , 130, согласно варианту осуществления изобретения, сконфигурированный как относительно легкий, 3 кГц, 18 000 об / мин, 1 МВт, который сконфигурирован для приведения в действие турбовентиляторного двигателя (не показан на фиг.8А) электрического летательного аппарата. Используя концепции, раскрытые здесь, например, двигатель , 130, может демонстрировать значительно меньшее использование материалов по сравнению с традиционными конструкциями, особенно в отношении ферромагнитной стали и меди, и может достигать удельной мощности более 8 л.с. / фунт при КПД 98%. В некоторых вариантах осуществления двигатель, показанный на фиг. 8A, может управляться высокочастотным интегрированным оптимизированным модульным инвертором с устройствами с широкой запрещенной зоной (например, как описано выше).

В проиллюстрированном варианте осуществления двигатель 130 сконфигурирован с радиально внутренним статором 132 и радиально внешним ротором 134 .Ротор , 134, имеет конструкцию для поверхностного монтажа с магнитной решеткой Хальбаха 136 , опирающейся на относительно тонкое композитное стопорное кольцо 138 . В других вариантах возможны другие конфигурации.

РИС. 8C иллюстрирует некоторые дополнительные преимущества некоторых конфигураций двигателя , 130, . Например, ребристый радиатор , 140, расположен на статоре , 132, радиально внутрь от обмоток , 142, . Кроме того, впускные отверстия , 144, предусмотрены на переднем конце кожуха двигателя , 130, вместе с выпускными отверстиями (не показаны) на заднем конце кожуха.Во время работы двигателя (например, когда соответствующий самолет рулит или летит) внешний воздух может проходить через порты 144 , а затем через радиатор 140 для охлаждения двигателя 130 . В некоторых конструкциях это внутреннее охлаждение может обеспечивать охлаждение двигателя , 130, существенно большей мощности, чем обтекание внешней стороны удерживающего кольца , 138, . В частности, в сочетании с внедрением керамических или железных частиц в обмотки 142 .(например, как описано выше), проиллюстрированная компоновка (и другие подобные компоновки) могут привести к относительно эффективному охлаждению системы в целом. Например, в некоторых вариантах реализации рабочая частота может превышать 10 кГц при плотностях тока, приближающихся к 10 А / мм 2 , при ограничении теплового потока статора до менее 10 Вт / дюйм 2 (т. Е. в пределах возможностей обычных и других систем охлаждения).

В некоторых вариантах осуществления двигатель , 130, может включать в себя составную намотку для удержания магнитных компонентов на месте во время высокоскоростной операции вращения.В некоторых случаях этот перематывание может быть реализовано на месте, поскольку это может позволить использовать композит для создания сжимающего предварительного напряжения, которое может позволить конструкции лучше справляться с приложенными нагрузками. В некоторых вариантах осуществления, например, соответствующая перемотка может позволить использовать композитные роторы с рабочими скоростями 40 000 об / мин и выше.

В других вариантах осуществления могут использоваться другие конфигурации, при этом все еще обеспечивая соответствующие скорости теплопередачи. Например, в транспорте (напр.g., автомобилестроение) и других областях применения, варианты реализации двигателя могут выиграть от охлаждения масляным распылением. Это может быть особенно эффективным для некоторых вариантов осуществления, например, из-за повышенного воздействия меди на теплопередачу, которая может быть результатом восстановления (например, удаления) структурного железа.

Использование высокочастотных конструкций в соответствии с вариантами осуществления изобретения также может дать геометрические преимущества по сравнению с обычными электродвигателями. Например, некоторые варианты осуществления высокочастотного двигателя в соответствии с изобретением могут быть очень тонкими в радиальном направлении, напоминая формы больших колец с полыми отверстиями посередине (например,g., как показано на фиг. 11Б). В некоторых вариантах реализации эта геометрия может быть особенно полезной для конкретных приложений. Например, вместо использования традиционной конструкции двигателя с валом для передачи крутящего момента от конкретного электродвигателя к конкретному ведомому устройству, можно будет подключить сам ротор (например, напрямую) к устройству для передачи крутящего момента, не требуя отдельного вала. .

В качестве одного примера, как показано на фиг. 9 и 10, турбовентилятор 150 может включать в себя центральный двигатель 152 , сконфигурированный согласно варианту осуществления изобретения.В частности, в проиллюстрированном варианте осуществления двигатель 152 сконфигурирован с внутренним статором 154 и внешним ротором 156 , к которым непосредственно прикреплены лопасти 158 ТРДД 150 . В этом случае не только улучшенный КПД и удельная мощность двигателя 152 могут быть полезными, но и открытое внутреннее пространство 160 , которое предусмотрено конструкцией двигателя 152 , может позволить разместить дополнительное оборудование для теплопередачи. внутри мотора 152 .Например, дополнительные радиаторы (не показаны на фиг.9 и 10) могут быть установлены радиально внутри статора , 154, , и часть воздуха, проходящего через турбовентилятор , 150, , отводится, чтобы проходить через двигатель 152 и через радиаторы. Кроме того, прямое крепление лопастей , 158, к ротору , 156, может устранить необходимость в отдельной муфте и позволить упорным подшипникам быть интегрированными в двигатель 152 , в то время как согласованное устранение относительно низкоэффективных внутренних частей лопастей. (я.е., чтобы обеспечить место для двигателя ( 152 ), может иметь относительно небольшое влияние на общую производительность системы.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, в отличие от традиционных конструкций, двигатель 152 может быть удлинен на значительную часть осевой длины ТРДД 150 . Например, в традиционных конструкциях, хотя увеличение размера двигателя может повысить эффективность, это также соответствует значительному увеличению веса, что в целом может предотвратить существенное увеличение размера двигателя для некоторых приложений (например,г., авиация). Напротив, из-за аспектов уменьшенного веса вариантов осуществления изобретения, как также обсуждалось выше, двигатель , 152, можно удлинить на значительное осевое расстояние, чтобы значительно повысить эффективность двигателя без значительного увеличения общего веса системы.

В качестве другого примера, как показано на фиг. 11, лопасти 170 аэрокосмического пропеллера 172 (или другого вентилятора) могут быть прикреплены к ступице 174 , которая сама прикреплена непосредственно к ротору двигателя 176 согласно изобретению.Подобные преимущества и модификации, которые обсуждались выше в отношении турбовентиляторного двигателя , 150, , также могут быть получены в этой конфигурации.

В некоторых вариантах осуществления, включая те, которые сконфигурированы для использования с ТРДД (например, для аэрокосмических применений), ротор может иметь диаметр, сопоставимый (например, эквивалентный) диаметру корпуса ТРДД. Как показано на фиг. 12 и 13, например, внешний диаметр узла лопастей 180 для турбовентиляторного двигателя 182 может быть прикреплен к внутреннему диаметру ротора 184 двигателя 186 согласно варианту осуществления изобретения.Кроме того, в некоторых вариантах реализации статор 188 двигателя 186 может быть непосредственно прикреплен к гондоле турбовентиляторного двигателя 182 или даже интегрирован с ней. Гондола, часть , 190, которой показана на фиг. 13, может быть сконфигурирован, например, аналогично гондоле 192 ТРДД 150 фиг. 10.

Как правило, преимущества, аналогичные описанным выше, могут быть получены в отношении двигателя 186 и турбовентиляторного двигателя 182 .Например, двигатель , 186, можно легко сконфигурировать так, чтобы он продолжался в осевом направлении по значительной части (например, всей) гондолы, чтобы получить относительно высокий КПД двигателя при относительно небольшом соответствующем увеличении веса системы. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления теплопередача может быть значительно одобрена по сравнению с традиционными конструкциями. Например, увеличенная осевая длина двигателя , 186, может, как правило, обеспечивать улучшенную теплопередачу от внешнего воздушного потока, в то время как воздушный поток, приводимый в действие турбовентилятором , 182, (или другим способом), также может проходить через такие элементы, как впускные и выпускные отверстия. 194 , 196 для охлаждения внутренних компонентов двигателя 186 .

В других вариантах реализации другие конфигурации могут способствовать улучшенному охлаждению двигателя, в том числе отдельно или в сочетании с проточными каналами, такими как впускное и выпускное отверстия 194 , 196 или другие примерные особенности, описанные выше. Например, как также отмечалось выше, двигатели согласно некоторым вариантам осуществления изобретения могут включать в себя внутренние радиаторы, на которых может быть установлена ​​соответствующая электроника, включая силовую электронику, такую ​​как инверторы или другие компоненты приводов двигателей.В частности, некоторые варианты осуществления могут иметь в целом полое внутреннее отверстие, которое может обеспечивать относительно большое внутреннее пространство, которое нельзя использовать иначе. Полезно, что в некоторых вариантах осуществления это внутреннее пространство внутри отверстия двигателя может использоваться для размещения радиатора, который, в свою очередь, может поддерживать и охлаждать другие компоненты, включая силовые электронные приводы, батареи и так далее.

Пример такой конфигурации показан на фиг. 14, на котором показан двигатель 200 , сконфигурированный для использования в силовой установке самолета (не показан) или другого транспортного средства.В проиллюстрированном варианте осуществления двигатель , 200, включает в себя ротор , 202, и статор , 204, , который расположен радиально внутрь от ротора и определяет внутреннюю область, которая радиально внутрь от статора. Как правило, двигатель 200 может быть сконфигурирован для демонстрации характеристик, аналогичных одному или нескольким вариантам осуществления, описанным выше (например, двигатели 40 , 130 , 152 , 176 или 186 ), включая относительно большое количество полюсов, отсутствие редкоземельных магнитов (при необходимости) и обычных зубцов статора, в целом относительно низкопрофильную радиальную геометрию, в том числе с обмотками с воздушным зазором 206 , поддерживаемыми относительно тонким ярмом 208 и так далее.Однако в некоторых вариантах реализации возможны и другие конфигурации.

В соответствии с отмеченной низкопрофильной радиальной геометрией, двигатель 200 также имеет центральное отверстие с относительно большой открытой внутренней площадью 210 . Обычно радиатор , 212, расположен во внутренней области , 210, , в тепловом контакте с радиально внутренней поверхностью с ярмом статора , 204, . Таким образом, тепло, выделяемое двигателем 200 (т.е.g., через резистивные потери в катушках , 206, ) могут передаваться (например, проводиться) радиально внутрь через ярмо , 208, к радиатору , 212, для удаления. В некоторых вариантах осуществления, как также обсуждается ниже, отвод тепла от радиатора , 212, может происходить с использованием принудительной конвекции окружающего воздуха, хотя возможны и другие конфигурации.

Помимо обеспечения полезного охлаждения тепла, генерируемого внутри статора 204 , радиатор 212 может также поддерживать внутри внутренней области силовые электронные компоненты 214 для работы электродвигателя (или другого целей).В проиллюстрированном варианте осуществления силовые электронные компоненты , 214, включают в себя инвертор и другие компоненты привода двигателя, а также аккумулятор для накопления энергии. Однако в других вариантах осуществления другая электроника может поддерживаться и охлаждаться аналогичным образом, в зависимости от потребностей конкретной установки. Точно так же, хотя теплоотвод , 212, имеет плоскую (например, шестиугольную) внутреннюю геометрию, что может облегчить монтаж плоских компонентов силовой электроники , 214, , возможны различные другие внутренние геометрические формы.Например, некоторые конфигурации могут включать выемки или другие геометрические формы для лучшего приема и поддержки определенных компонентов для охлаждения.

Другие преимущества также могут быть иногда получены с раскрытой конфигурацией, включая, в некоторых вариантах осуществления, определенные нетепловые преимущества. Например, размещая силовую электронику, такую ​​как компоненты , 214, , внутри оболочки двигателя 200 , необходимость в удлиненных кабелях или других электрических каналах для связи с (например.g., управление двигателем может быть существенно уменьшено. Соответственно, потребность в экранировании от электромагнитных помех также может быть существенно снижена: вместо этого, поскольку компоненты , 214, расположены во внутренней области , 210, , сам двигатель 200 , включая радиатор , 212, , может быть сконфигурирован так, чтобы обеспечить надежную защиту от электромагнитных помех.

В этом отношении конфигурация двигателя с относительно большим числом полюсов (например, как также описано выше) также может обеспечить связанные преимущества.Например, сконфигурировав двигатель , 200, так, чтобы он имел относительно большое количество полюсов (например, 20, 30 или 40 полюсов), можно существенно уменьшить расстояние, на которое связаны соответствующие магнитные поля. Соответственно, можно по существу избежать магнитных помех силовым электронным компонентам , 214, , несмотря на то, что компоненты , 214, расположены во внутренней области , 210, .

Другие аспекты раскрытой конструкции также могут помочь поддерживать внутреннее расположение и охлаждение соответствующих компонентов, включая расположение и охлаждение компонентов 214 , как описано выше.Например, в некоторых вариантах осуществления может быть полезно выбрать материалы для радиатора , 212, , которые являются как теплопроводными, так и электрически проводящими, например, которые могут быть получены с использованием металлических конструкций, но не, в некоторых конфигурациях, с керамикой.

В некоторых вариантах реализации другие конфигурации также могут способствовать улучшенному охлаждению двигателей и связанных с ними компонентов. Например, как также отмечалось выше, двигатели в соответствии с некоторыми вариантами осуществления могут включать в себя внутренние проточные каналы для охлаждения, в том числе то, что может позволять направлять окружающий воздух через двигатели с целью охлаждения.В некоторых вариантах осуществления внутренние проточные каналы могут быть сформированы вдоль одного или обоих из ротора и статора двигателя и могут быть сконфигурированы для направления текучей среды (например, окружающего воздуха) мимо ротора или статора во время работы двигателя (например, как используется для приведения в движение самолета или другого транспортного средства). Хотя устройства, в которых используется окружающий воздух, могут увеличивать сопротивление для некоторых транспортных средств, из-за падения давления, необходимого для перемещения жидкости по соответствующим каналам, оптимальная конструкция может уравновесить потери из-за этого сопротивления с уменьшением веса двигателя, которое может быть достигнуто за счет более эффективное охлаждение: i.е. из-за улучшенной теплоотдачи от компонентов с потерями (например, медных катушек, стали, магнитов и т. д.) за счет высокоскоростных конвективных потоков.

Обычно тепло в основном генерируется внутри обмоток соответствующих двигателей из-за резистивных потерь, а затем передается радиально внутрь и наружу от обмоток из-за естественных температурных градиентов. Соответственно, некоторые варианты осуществления могут включать в себя проточные каналы, которые сформированы вдоль самих обмоток или других близко соседних компонентов, таких как ярмы, которые поддерживают обмотки.Таким образом, тепло от обмоток может эффективно передаваться от соответствующих двигателей посредством конвекции, в том числе посредством принудительной конвекции окружающего воздуха по соответствующим проточным каналам.

В некоторых вариантах реализации проточные каналы могут быть сформированы (например, на статоре) проточными каналами, которые проходят в осевом направлении вдоль двигателя (например, полностью между передним и задним осевыми концами двигателя). В некоторых вариантах осуществления проточные каналы могут быть сформированы как проточные каналы с открытыми сторонами, такие как проточные каналы, которые открываются вдоль одной боковой стороны в воздушный зазор между ротором и статором двигателя.Полезно, что эта конфигурация может увеличивать площадь потока для текучей среды (например, окружающего воздуха), которая течет вдоль этого воздушного зазора, а также может увеличивать смачиваемую площадь для этой текучей среды для конвективной теплопередачи. Соответственно, результирующий конвективный поток может демонстрировать более высокий массовый расход для данного падения давления из-за увеличения общей площади проходного сечения, а также может отводить больше тепла от компонентов двигателя для данного массового расхода из-за увеличения смачиваемой площади, повышенный коэффициент конвективной теплоотдачи (например,g., из-за увеличенной скорости потока, обусловленной увеличением площади проходного сечения), и уменьшенного общего изменения температуры рабочей жидкости во время протекания через двигатель (например, из-за увеличенного массового расхода). Таким образом, открытые конструкции каналов для потока, сообщающихся с воздушными зазорами двигателя, могут быть особенно полезными в некоторых вариантах осуществления.

РИС. 14 иллюстрирует множество примерных конфигураций потоковых каналов, вариации которых могут быть реализованы в любом количестве других контекстов, в том числе отдельно или в различных комбинациях.Например, в двигателе , 200, , множество проточных каналов , 220, сформировано вдоль радиально внешнего профиля катушек , 206, статора , 204, . В частности, проточные каналы , 220, сформированы как проточные каналы с открытыми сторонами, которые открываются в воздушный зазор 222 между ротором 202 и статором 204 и которые проходят (например, по существу в осевом направлении) вдоль вся осевая длина мотора 200 .Расположенные таким образом проточные каналы , 220, могут пропускать окружающий воздух, который направляется через воздушный зазор , 222, , для обеспечения улучшенного конвективного охлаждения статора , 204, , в соответствии с принципами, в целом описанными выше.

В некоторых вариантах реализации проточные каналы , 220, могут быть сформированы во время изготовления ротора , 202, , например, путем временного размещения прокладок (не показаны) через заранее определенные (например, регулярные) интервалы между проводниками катушек 206 .Действительно, этот производственный подход и соответственно улучшенная теплопередача (например, как обсуждалось выше) могут быть особенно достижимы для конфигураций беззубых двигателей, таких как описанные выше. Однако в других вариантах осуществления возможны другие подходы. Аналогичным образом, в других вариантах осуществления проточные каналы, которые открываются в воздушный зазор двигателя, могут быть сконфигурированы иначе, чем проточные каналы , 220, . Например, некоторые такие проточные каналы могут проходить только частично в осевом направлении (например,g., может закручиваться вокруг элемента двигателя).

В проиллюстрированном варианте осуществления внутри ярма 208 статора 204 сформировано еще одно множество проточных каналов , 230, . Подобно проточным каналам , 220, , проточные каналы , 230, проходят (например, по существу в осевом направлении) вдоль всей осевой длины двигателя 200 . Таким образом расположенные проточные каналы , 230, могут позволять направлять окружающий воздух через внутреннюю часть ярма , 208, , в дополнение к проходу через проточные каналы , 220, и воздушный зазор , 222, и вдоль радиатора. 140 .Соответственно, конвективная теплопередача, обеспечиваемая комбинацией проточных каналов , 220, , , 230, и радиатора , 140, , может обеспечить относительно высокие показатели общего отвода тепла для двигателя 200 , даже с окружающим воздухом в качестве рабочая жидкость. Однако, как также отмечено выше, проточные каналы, подобные проточным каналам , 220, или проточным каналам , 230, , могут использоваться изолированно, в некоторых вариантах осуществления, а скорее в комбинации.

В некоторых вариантах реализации проточные каналы , 230, могут быть сформированы во время производства путем создания канавок или других вырезов в слоях ламината из листового металла, которые уложены друг на друга, образуя ярмо 208 .Например, различные формы могут быть перфорированы в отдельные слои ламината, которые затем могут быть выровнены во время сборки ярма , 208, , чтобы создать проточные каналы, оптимизированные в отношении теплопередачи, массового расхода и перепада давления. Однако в других вариантах осуществления возможны другие подходы. Аналогичным образом, в других вариантах осуществления проточные каналы в ярме или других подобных компонентах двигателя могут быть сконфигурированы иначе, чем проточные каналы , 230, . Например, в отличие от проточных каналов , 230, , некоторые проточные каналы могут быть сформированы вдоль внутреннего или внешнего профиля ярма, а не внутри ярма.Однако соответствующая оптимизация площади конвективного потока, сбалансированная с соответствующим увеличением контактного сопротивления, может потребоваться в некоторых вариантах осуществления, например, в тех, для которых проточные каналы сформированы на границе раздела между ярмом и радиатором или другим теплопередающим компонентом. Точно так же введение проточных каналов в такой компонент, как ярмо , 208, , может уменьшить площадь, доступную для теплопроводной (например, радиальной проводящей) теплопередачи, даже при обеспечении повышенной возможности для конвективной теплопередачи.Соответственно, также может быть целесообразно оптимизировать относительный масштаб любых таких проточных каналов, например, путем обеспечения того, чтобы не более 50% локального профиля поперечного сечения ярма (например, не более 50% любого заданного внутренняя окружность) занята проточными каналами по сравнению с исходным материалом ярма.

Охлаждающий поток, например поток окружающего воздуха, может направляться в соответствующие каналы различными способами. Например, как в целом обсуждалось выше, некоторые варианты осуществления изобретения могут использоваться в двигательных установках для аэрокосмических приложений.Соответственно, например, могут быть предусмотрены отверстия для направления окружающего «набегающего» воздуха, который будет использоваться для охлаждения соответствующих двигателей во время работы. Пример такой конфигурации показан на фиг. 15, на котором показан двигатель 240 согласно варианту осуществления изобретения (например, аналогичный двигателю 200 на фиг. 14), установленный для использования с турбовентиляторным двигателем 242 для самолета (не показан). В частности, двигатель 240 включает в себя радиально внешний ротор 244 , который интегрирован в гондолу 246 ТРДД 242 и непосредственно поддерживает лопасти 248 ТРДД 242 .Радиально внутренний статор 250 с обмотками с воздушным зазором 252 и ярмом без зубцов 254 окружен гондолой 246 и ротором 244 и образует открытую внутреннюю область 256 , например, могут заключать радиатор и связанные с ним электронные компоненты (не показаны) аналогично внутренней области , 210, на фиг. 14.

Хотя на фиг. 15 для простоты представления статор 250 имеет проточные каналы вдоль катушки 252 и через ярмо 254 , которые аналогичны проточным каналам 220 , 230 соответственно на фиг.14. Кроме того, вентиляционные отверстия 260 (показан только один) предусмотрены в носовой части гондолы 246 , а отверстия 262 предусмотрены на передней и задней осевых поверхностях ротора 244 . Соответственно, во время движения соответствующего летательного аппарата окружающий воздух может поступать в гондолу 246 через вентиляционные отверстия 260 и в двигатель 240 и из него для конвективного охлаждения через отверстия , 262, . Кроме того, после попадания в передние порты 262 (показан только один) воздух может перемещаться через проточные каналы вдоль и через катушки 252 и ярмо 254 (как показано стрелками 264 , 266 соответственно), а также, как правило, вдоль воздушного зазора между ротором 244 и статором 250 (как показано стрелкой 268 ).Таким образом, например, существенное конвективное охлаждение двигателя , 240, может быть достигнуто без необходимости использования жидкости, отличной от окружающего воздуха. Более того, некоторые конфигурации могут также направлять воздушный поток, аналогичный потокам, указанным стрелками 264 , 266 , 268 , вдоль или через другие компоненты, например, через прорези в радиаторе (не показан) во внутренней области. 256 .

В некоторых вариантах реализации относительно высокоскоростной воздушный поток через соответствующий двигатель, такой как двигатель , 240, , может значительно повысить эффективность соответствующего охлаждающего устройства, в том числе по причинам, подробно описанным выше.Однако из-за геометрических ограничений некоторые проточные каналы согласно изобретению могут иметь относительно небольшие общие площади протока. Например, соображения относительно места для гондолы 246 и турбовентиляторного двигателя 242 обычно могут привести к относительно небольшому общему пространству, доступному для каналов конвективного охлаждения через двигатель 240 . Соответственно, достаточно высокоскоростной воздушный поток для соответствующих уровней отвода тепла может соответствовать значительно большему падению давления в каналах потока, чем может быть устойчивым при автономном потоке воздуха (например,g., исключительно из-за движения воздушного судна вперед). Например, хотя некоторые варианты осуществления могут обеспечивать оптимальное охлаждение с внутренним потоком охлаждающего воздуха со скоростью 20 м / с, естественный поток воздуха во время работы некоторых систем может составлять всего 3 м / с.

Таким образом, в некоторых вариантах осуществления может быть полезно предоставить систему нагнетания, которая может помочь направлять окружающий воздух с повышенными скоростями через соответствующие проточные каналы или другие элементы, такие как внутренние радиаторы, или вдоль них. В некоторых вариантах осуществления такая система нагнетателя может быть интегрирована в гондолу или двигатель.В некоторых вариантах реализации такая система нагнетателя может приводиться в действие непосредственно вращением ротора связанного с ней двигателя. Как показано на фиг. 15, например, компрессор , 270, расположен внутри и на входе двигателя 240 с лопастями (не показаны), которые сконфигурированы так, чтобы приводиться в действие вращением ротора 244 . Соответственно, во время работы двигателя 240 компрессор 270 может управлять воздушными потоками 264 , 266 , 268 (или другими) с повышенными скоростями, например, может проталкивать воздух через двигатель 240 с достаточно высокими массовыми расходами и коэффициентами теплопередачи для их подходящего охлаждения.Кроме того, при соответствующей конфигурации задних окон , 262, (показан только один), некоторое количество энергии из этого ускоренного потока также может быть использовано в качестве дополнительной тяги для турбовентиляторного двигателя , 242, в целом.

В других вариантах осуществления могут использоваться другие конфигурации. Например, некоторые компрессоры или другие системы нагнетания необязательно могут приводиться в действие (прямо или косвенно) охлаждаемым двигателем. В качестве другого примера, некоторые системы нагнетания могут быть сконфигурированы или расположены иначе, чем компрессор , 270, .Например, некоторые конфигурации двигателя , 240, могут включать в себя вентилятор , 272, , который расположен на нижнем по потоку конце двигателя и сконфигурирован для втягивания, а не проталкивания окружающего воздуха через двигатель 240 .

Хотя в различных вариантах осуществления возможно множество конфигураций, тем не менее можно увидеть, что конфигурации, явно описанные выше, могут обеспечивать двигатели, которые способны работать при соответствующих рабочих параметрах. Например, для системы с номинальной мощностью 1 МВт, номинальным КПД двигателя 96%, тепловой нагрузкой двигателя 40 кВт и допустимым повышением температуры воздуха на 50 К., массовый расход около 0,8 кг / с может обеспечить достаточное охлаждение. Для вариантов осуществления, аналогичных показанным на фиг. 15, и при общем массовом расходе двигателя 15 кг / с, как можно ожидать для обычных лопастей турбовентиляторного двигателя и рабочих скоростей, таким образом может быть получено приемлемое соотношение двухконтурности, равное 18.

Хотя проточные каналы для окружающего воздуха могут обеспечить существенные преимущества, в том числе для примерных конфигураций, описанных выше, также могут использоваться другие типы проточных каналов. Например, в некоторых вариантах осуществления могут использоваться закрытые проточные каналы, образованные тепловыми трубками, для получения полезного охлаждения двигателей, включая двигатели для аэрокосмических применений, как описано выше.Например, некоторые варианты осуществления могут включать в себя одну или несколько тепловых трубок, предназначенных для передачи тепла от двигателя в другие места, чтобы надлежащим образом охлаждать двигатели для эффективной работы.

В качестве одного примера, снова обращаясь к фиг. 14, тепловые трубки 280 , 282 предназначены для отвода тепла от катушек 206 двигателя 200 . В разных вариантах осуществления могут использоваться разные ориентации, геометрия и количество тепловых трубок. В проиллюстрированном варианте осуществления, например, тепловая трубка , 280, выполнена с возможностью радиального прохода от катушек , 206, , для передачи тепла радиально внутрь от катушек , 206, к радиатору , 212, .Напротив, тепловая трубка , 282, расположена так, чтобы проходить в осевом направлении по длине двигателя 200 и, таким образом, передавать тепло от катушек , 206, к осевым концам двигателя 200 , где происходит конвективное охлаждение тепла. труба , 282, (или другой механизм теплопередачи) может использоваться для отвода тепла от двигателя 200 в целом. В некоторых вариантах осуществления радиальная компоновка, такая как примерная конфигурация, показанная для тепловой трубы , 280, , может быть особенно эффективной из-за относительно небольшого радиального расстояния между катушками , 206, и радиатором , 212, (или даже внутренняя площадь 210 ).Однако в некоторых вариантах реализации достаточно небольшое изменение температуры может поддерживаться на более длинном участке тепловой трубы , 282, (например, стандартной тепловой трубы капиллярного типа), что может обеспечить соответствующий отвод тепла.

В некоторых конфигурациях может быть особенно полезным использование тепловых трубок или других изолированных проточных каналов. Например, при соответствующей конфигурации использование тепловых трубок может уменьшить (например, исключить) потребность в проточных каналах для окружающего воздуха или других текучих сред с открытым контуром.Соответственно, например, вращающееся уплотнение (не показано) или другой аналогичный элемент может быть предусмотрен на осевых концах соответствующего двигателя, чтобы помочь уменьшить попадание загрязняющих веществ (например, пыли или воды) внутрь двигателя.

Хотя во многих приведенных выше примерах обсуждаются аэрокосмические приложения, уменьшенный вес и другие преимущества вариантов осуществления изобретения также могут быть выгодно адаптированы для транспортных средств с тяговым усилием (например, автомобилей). Например, для конструкций с колесами, в которых электрическая машина встроена в колесо транспортного средства, уменьшенный вес вариантов осуществления изобретения по сравнению с традиционными конструкциями может с пользой помочь уменьшить неподрессоренную массу соответствующего транспортного средства.Например, как показано на фиг. 16 конфигурация, аналогичная показанной на фиг. 10, с ротором 300 двигателя 302 радиальной внешней стороны статора 304 двигателя 302 . В отличие от конфигурации, показанной на фиг. 10, однако ротор , 300, может быть непосредственно прикреплен к ободу 306 колеса тягового транспортного средства. Как и в других подобных конфигурациях, описанных выше, например, эта конфигурация может привести к улучшенным динамическим характеристикам ротора, уменьшенным нагрузкам на подшипники и, в целом, к увеличению срока службы системы.В некоторых случаях это преимущество может быть дополнительно усилено размещением моторного привода (например, управляющей электроники 308 ) на шасси соответствующего транспортного средства (не показано), так что вес привода не влияет на неподрессоренная масса автомобиля.

Таким образом, варианты осуществления изобретения обеспечивают улучшенные электродвигатели и связанные с ними (например, системы управления), а также связанные с ними способы производства и эксплуатации. В некоторых вариантах осуществления, например, использование раскрытых подходов позволяет значительно снизить вес по сравнению с традиционными конструкциями, а также улучшить рабочие характеристики на более высоких частотах.

Включенное описание раскрытых вариантов осуществления предоставлено, чтобы дать возможность любому специалисту в данной области техники создать или использовать изобретение. Различные модификации этих вариантов осуществления будут очевидны для специалистов в данной области техники, и общие принципы, определенные в данном документе, могут быть применены к другим вариантам осуществления, не выходя за рамки сущности или объема изобретения. Таким образом, изобретение не предназначено для ограничения показанными здесь вариантами осуществления, но должно соответствовать самому широкому объему, согласующемуся с принципами и новыми признаками, раскрытыми в данном документе.

(PDF) Универсальная модель асинхронного двигателя с характеристиками от низкой до высокой частоты

MIRAFZAL et al .: МОДЕЛЬ ИНДУКЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ОТКЛИКА ОТ НИЗКОЙ И ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ 1245

[5] М. Мелфи, AMJ Сунг, С. Белл и Г.Л. Скибински, «Влияние времени нарастания импульсного напряжения

на изоляцию низковольтных машин, питаемых преобразователями

ШИМ», IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 34, нет. 4, pp. 766–775,

июл. / Авг. 1998.

[6] G.Скибински, Дж. Эрдман, Дж. Панкау и Дж. Кэмпбелл, «Оценка диэлектрической стойкости электродвигателя AC

к отраженным волновым напряжениям с использованием тестеров короны

», в Conf. Рек. IEEE IAS Annu. Встреча, Сан-Диего, Калифорния,

, 6–10 октября 1996 г., стр. 694–702.

[7] С. Белл и Дж. Сун, «Выживет ли ваш двигатель в новом регулируемом приводе

», в Proc. IEEE PCIC, Филадельфия, Пенсильвания, 23–25 сентября 1996 г.,

стр. 125–130.

[8] Х. В. Доммель, «Цифровое компьютерное решение электромагнитных переходных процессов

в одиночных и множественных сетях», IEEE Trans.Power App. Сист., Т. ПАС-

88, вып. 4, pp. 388–398, Apr. 1969.

[9] Г. Скибински, Р. Дж. Керкман, Д. Леггейт, Дж. Панкау и Д. Шлегель,

«Методы моделирования отраженных волн для приводов с ШИМ-двигателями переменного тока. ”В

Proc. IEEE APEC, 1998, стр. 1021–1029.

[10] Д. Хайпио, «Моделирование реакции кабеля и обмотки на крутые волны напряжения

», в Conf. Рек. IEEE IAS Annu. Встреча, Орландо, Флорида,

8–12 октября 1995 г., стр. 800–806.

[11] Г.Скибински, Р. Таллам, Р. Риз, Б. Бухгольц и Р. Лукашевски,

«Синфазный и дифференциальный анализ трехфазных кабелей для приводов переменного тока

PWM», в Conf. Рек. IEEE IAS Annu. Встреча, Тампа, Флорида,

, 6 октября 2006 г., стр. 880–888.

[12] А. фон Жуанн, П. Энджети и У. Грей, «Влияние длинных выводов двигателя на системы приводов двигателей переменного тока с питанием от инвертора

», в Proc. IEEE APEC, Даллас,

Техас, 6–9 марта 1995 г., стр. 592–597.

[13] Д.Шлегель, Г. Врейт, Р. Керкман и Г. Скибински, «Модель двигателя с резонансным резервуаром

для моделирования отражения напряжения с приводами с ШИМ», в

Proc. IEEE IEMDC, Сиэтл, Вашингтон, 9–12 мая 1999 г., стр. 463–465.

[14] Д. Шлегель, «Разработка модели высокочастотного асинхронного двигателя

для моделирования отраженных волн», в Masters Design Project. Милуоки,

Висконсин: Школа инженерии Милуоки, апрель 1999 г.

[15] Э. Чжонг, Т.А. Липо и С. Росситер, «Моделирование переходных процессов и анализ напряжения на клеммах

двигателя переменного тока с ШИМ-преобразователем. диски », в конф.

Рек. IEEE IAS Annu. Встреча, октябрь 1998 г., стр. 773–780.

[16] А. Ф. Морейра, Т. А. Липо, Г. Венкатараманан и С. Бернет, «Моделирование высокой частоты

для исследований перенапряжения кабеля и асинхронного двигателя

в приводах с длинным кабелем», IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 38, нет. 5, pp. 1297–

1306, Sep./Oct. 2002.

[17] Matlab SimPowerSystems. Натик, Массачусетс: The Math Works, Inc, 2006.

[18] Р. Керкман, Д. Легагте и Г. Скибински, «Взаимодействие модуля привода и параметров кабеля при переходных процессах двигателя переменного тока», в Conf .Рек. IEEE IAS

Annu. Встреча, октябрь 1996 г., стр. 143–152.

[19] А. М. де Бро, А. Л. Джулиан и Т. А. Липо, «Минимизация напряжения нейтраль-земля

в конфигурации ШИМ-выпрямитель / инвертор», в Proc. 6-й

внутр. Конф. Power Electron. Приводы с регулируемой скоростью, 23–25 сентября 1996 г.,

стр. 564–568.

[20] Г. Скибински, Р. Дж. Керкман и Д. Шлегель, «Эмиссия электромагнитных помех современных приводов переменного тока

PWM», Ind. Appl. Mag., Т. 5, вып. 6. С. 47–81.

[21] А. Консоли, Г. Орити, А. Теста и А. Джулиан, «Моделирование асинхронного двигателя

для оценки выбросов в синфазном и дифференциальном режимах», в Conf.

Рек. IEEE IAS Annu. Встреча, 1996, стр. 595–599.

[22] М. Шинкель, С. Вебер, С. Гутковски, У. Джон и Х. Райхл, «Эффективное

ВЧ моделирование и параметризация моделей индукционных машин для времени

и моделирования в частотной области», в Proc. . IEEE APEC, Даллас, Техас,

2006, стр.1181–1186.

[23] А. Больетти и Э. Карпането, «Асинхронный двигатель высокой частоты модели

», в Conf. Рек. IEEE IAS Annu. Встреча, Феникс, штат Арканзас,

,

, октябрь 1999 г., стр. 1551–1558.

[24] А. Боглитти и Э. Карпането, «Точная высокочастотная модель асинхронного двигателя

для анализа электромагнитной совместимости», Электр. Мощность

Компоненты Syst., Vol. 29, нет. 3, стр. 191–205, март 2001 г.

[25] Р. Керкман, Д. Шлегель, Г. Скибински, «Характеристики напряжения на валу

и подшипниковых токов», Ind.Прил. Mag., Т. 3, вып. 6, pp. 21–32,

Nov./Dec. 1997.

[26] С. Чен, Т. Липо и Д. Фитцджеральд, «Моделирование подшипниковых токов двигателя

в инверторных приводах с ШИМ», Trans. Ind. Appl., Vol. 32, нет. 6, pp. 1365–1370,

Nov./Dec. 1996.

[27] А. Мютце и А. Биндер, «Расчет емкостей двигателя для

прогнозирования токов в подшипниках разряда в машинах с инверторными системами привода

», in Proc. IEEE IEMDC, Сан-Антонио, Техас, май 2005 г.,

стр.264.

[28] П. Линк, «Минимизация электрического тока подшипников в системах ASD», IEEE Ind.

Appl. Mag., Т. 5, вып. 4. С. 55–65, июл. / Авг. 1999.

[29] К. Иимори, К. Шинохара и М. Айкоу, «Схема синфазного эквивалента

, используемая для расчета тока CM и тока подшипника асинхронного двигателя

, управляемого ШИМ-инвертором», Trans. Inst. Электр. Англ. Jpn., Vol. 125,

нет. 5, стр. 438, 2005.

[30] Дж. Оллила, Т. Хаммар, Дж. Лисаккала и Х.Тууса, «Новая причина повреждений несущего тока

в регулируемых приводах» // Тр. EPE. Тронхейм,

Норвегия, сентябрь 1997 г.

[31] С. Гутковски, С. Вебер, М. Шинкель, В. Джон и Х. Райхл, «Проба

, очистка и установка подшипников асинхронных двигателей с инверторным приводом.

токов в существующих установках большого размера и оценка возможных методов их снижения в практических приложениях », в Proc. IEEE APEC, 2006,

с.225–230.

[32] Р. Найк, Т. Нондал, М. Мельфи, Р. Шиферл и Дж. Ван, «Прогноз напряжения на валу

в асинхронных двигателях, питаемых приводами переменного тока с ШИМ», IEEE Trans. Инд.

Заявление, т. 39, нет. 5, pp. 1294–1300, сен / окт. 2003.

[33] Измеритель LCR HewlettPackard / Agilent, модель HP4284A, 20 Гц – 1 МГц.

[Онлайн]. Доступно: www.agilent.com

[34] Аналоговый анализатор цепей AP Instruments, модель 200, 0,01 Гц – 15 МГц,

стр. 95 492, Виндзор, Калифорния. [Онлайн].Доступно: www.apinstruments.com

[35] Д. Маки, Д. Новотны и К. Томпсон, «Влияние емкости обмотки

на потери высокочастотных временных гармоник в асинхронных двигателях»,

в конф. Рек. IEEE IAS Annu. Встреча, октябрь 1992 г., стр. 33.

[36] Стандартная процедура испытаний IEEE для многофазных асинхронных двигателей и генераторов

, стандарт IEEE 112, 1991.

[37] Г. Суреш, HA Toliyat, DA Rendusara, и PN Enjeti, «Predicting

»

переходные эффекты формы волны напряжения ШИМ на обмотках статора

асинхронных двигателей с произвольной обмоткой », IEEE Trans.Power Electron., Т. 14,

нет. 1, pp. 23–30, Jan. 1999.

[38] Д. Буссе, Дж. Эрдман, Р. Дж. Керкман, Д. Шлегель и Г. Скибински,

«Электрические параметры системы и их влияние на токи в подшипниках. ”IEEE

Trans. Ind. Appl., Vol. 33, нет. 2. С. 577–584, март / апрель. 1997.

Бехруз Мирафзал (S’01 – M’05) получил степень бакалавра наук.

степень в области электротехники Исфаханского университета —

sity of Technology, Исфахан, Иран, в 1994 г.Sc.

степень (с отличием первой степени) инженера-электрика —

, полученная в Университете Мазандарана, Мазандаран,

Иран, в 1997 г., и докторская степень. степень в области электротехники

инженера Университета Маркетт, Милуоки,

Висконсин, в 2005 году.

С 1997 по 2000 год он был инженером-исследователем

и преподавателем в нескольких академических учреждениях

в Исфахане, Иран. С 2005 года он был старшим инженером-разработчиком

в Motion Group, Rockwell Automation /

Allen – Bradley, Mequon, WI.Опубликовал 20 статей в профессиональных журналах

и трудах конференций. Он является обладателем одного патента США. He

в настоящее время участвует в исследованиях и разработках, связанных с системами сервопривода

. Его исследовательские интересы включают приложения силовой электроники, приводные системы двигателей

и диагностику неисправностей в электрических машинах и приводах.

Доктор Мирафзал является членом Sigma Xi и комитета по электрическим машинам

Общества промышленных приложений IEEE.

Гэри Л. Скибински получил степень B.S.E.E. и

M.S.E.E. степени от Университета Висконсина,

Милуоки, в 1976 и 1980 годах, соответственно, и

доктора философии. получил степень в Университете Висконсина,

Мэдисон, в 1992 году.

С 1976 по 1980 год он был инженером-электриком

в Eaton Corporation, где он работал над военно-морской атомной энергетикой

. С 1981 по 1985 год он был старшим инженером проекта

в компании Allen – Bradley,

, где его работа касалась сервоконтроллеров.В течение

гг. В программе он был консультантом по ИБП и импульсным источникам питания

в компании R.T.E. Корпорация. В настоящее время он является

консультантом по техническим вопросам в компании Allen – Bradley, Rockwell Au-

tomation, Inc., Меквон, Висконсин. Он опубликовал более 80 статей в профессиональных журналах

и трудах конференций, 18 из которых были отмечены наградами. Он является обладателем

18 патентов США. Его текущие интересы включают силовые полупроводники, приложения для силовой электроники

и высокочастотные преобразователи высокой мощности

для приводов переменного тока.

Объяснение методов инверсии

: высокая частота против низкой частоты

Загрузите эту статью в формате pdf

ТРАНСФОРМАТОРЫ С ЖЕЛЕЗНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ И ТРАНЗИСТОРЫ ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА

Существует два различных типа инверторов мощности промышленного класса, которые различаются размером трансформаторов и скоростью переключения транзисторов. Способность инвертора поглощать электрические скачки, присущие определенным нагрузкам, таким как двигатели, насосы и инструменты, связанные с крутящим моментом, прямо пропорциональна физическому количеству железа, присутствующего в трансформаторе.Размер и допуски транзисторов, используемых в процессе инверсии, а также скорость, с которой они работают, определяют классификацию высокой или низкой частоты.

ОБЪЯСНЕНИЕ МЕТОДОВ ИНВЕРСИИ

Преобразователи частоты (ВЧ)

Подавляющее большинство инверторов, доступных на розничном рынке, являются высокочастотными. Как правило, они менее дороги, занимают меньше места и имеют меньшую стойкость к промышленным нагрузкам. В ВЧ инверторах более чем в два раза больше компонентов и используется несколько трансформаторов меньшего размера.Их применение подходит для широкого спектра применений, таких как зарядные устройства для аккумуляторных батарей, небольшие приборы, аудио / видео и компьютеры, но они имеют пониженную емкость для длительного воздействия высоких импульсных нагрузок, таких как насосы, двигатели и некоторые инструменты с высоким крутящим моментом.

Преобразователи низкой частоты (НЧ)

Наши низкочастотные инверторы и инверторы / зарядные устройства, внесенные в списки UL, являются вершиной электрической прочности. Трансформатор с массивным стальным сердечником способен поглощать импульсные нагрузки из-за «эффекта маховика», присущего физическому количеству железа трансформатора.Инверторы LF имеют более крупные и прочные полевые транзисторы (FET), которые могут работать при более низкой температуре, отчасти из-за более низкой частоты переключения, необходимой для выработки энергии переменного тока. Эти инверторы обладают богатым набором функций, включая дополнительную возможность подключения дополнительных внешних розеток GFCI, ввода нескольких напряжений постоянного тока, обеспечения регулируемых двойных выходных напряжений (120/240 В переменного тока), а также интеграции соответствующих химических зарядных устройств и реле переключения для берегового питания.

ВЫСОКАЯ ЧАСТОТА

Плюсы

  • Меньшая занимаемая площадь
  • Дешевле

Минусы

  • Не работает с высокими импульсными нагрузками, такими как насосы и инструменты с большим крутящим моментом
НИЗКАЯ ЧАСТОТА
Плюсы
  • Работает хорошо при высоких импульсных нагрузках
  • Работает кулер

Минусы

РАЗМЕРЫ И ИНВЕРТОРЫ MAGNUM BRAND

Высокая частота

  • Инвертор серии CSW
  • Инвертор серии CMW

Низкая частота

  • Инвертор серии LP
  • Инвертор серии
  • N
  • Инвертор / зарядное устройство серии ME
  • Инверторное зарядное устройство серии MM
  • Инвертор / зарядное устройство серии MMS
  • Инвертор / зарядное устройство серии MS
  • Инвертор / зарядное устройство серии MSH-M
  • Инвертор / зарядное устройство серии NP

Магнитные двигатели высокой частоты

1.Введение

Обычно электропривод состоит из источника питания, инвертора, который подает желаемое напряжение и частоту к электрической машине, обычно с помощью метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ), и электродвигателя, как показано на рис. 1 . Прямые стрелки указывают излучаемый шум, вызванный схемами переключения преобразователя.

Пунктирная линия представляет собой электромагнитные помехи в дифференциальном режиме, которые проходят через одну фазу и возвращаются через другие фазы в шину постоянного тока источника питания.Наконец, пунктирная линия — это синфазные электромагнитные помехи, которые проходят через общую землю, соединяя все элементы с помехой [1] .

Даже если метод ШИМ является наиболее часто используемым методом управления, его импульсы генерируют синфазное напряжение (CMV) в выходном соединении с двигателем, вызывая различные проблемы, такие как ток утечки, напряжение на валу и токи в подшипниках. Быстрые изменения напряжения (высокие du / dt) также ухудшают изоляцию обмотки и могут вызвать сбои защиты в случае короткого замыкания или дефекта контактов [2] [3] [4] .Более того, генерируемые электромагнитные помехи могут влиять на сеть источника питания и подключенные к ней элементы, например, датчики и системы безопасности в электромобилях [5] .

В частности, колебания CMV влияют на подшипники, поскольку через них протекают токи утечки [6] [7] . Эти токи повреждают подшипники, и вместе с повреждением изоляции обмотки из-за напряжения напряжения снижается надежность и срок службы всего электропривода.

Предлагаются некоторые решения по снижению этого EMI в электроприводах. Предлагаются различные типы инверторов и алгоритмы модуляции для снижения напряжения CM [1] [6] [8] . Фильтры и другие типы надстроек, такие как экраны или изоляция, также широко используются для предотвращения попадания электромагнитных помех в электросеть, как показано в [6] [9] [10] [11] , но они увеличивают стоимость привода, а также объем и вес, поскольку они громоздкие и тяжелые.Следовательно, эти факторы могут значительно снизить конкурентоспособность конечного продукта на рынке, например, электромобиля.

Таким образом, чтобы снизить стоимость разработки продукта, проект, основанный на стратегии EMI, должен быть добавлен на ранних этапах цикла разработки продукта, чтобы снизить затраты и достичь наилучшего решения. Следовательно, понимание и прогнозирование шума EMI с использованием высокочастотных моделей на этапе проектирования имеет важное значение для управления проблемами EMI.

Согласно литературным данным, наиболее распространенные методы моделирования для представления поведения электрических машин на высоких частотах основаны на электрических эквивалентных схемах или моделях с сосредоточенными параметрами (LPM).Эти модели состоят из электрических цепей, которые включают несколько сопротивлений, индуктивностей и емкостей. Например, для анализа влияния расположения обмотки и соединения обмотки на токи в подшипниках [12] [13] , для анализа синфазных токов [14] или для анализа перенапряжений при клеммы двигателя из-за модулированного напряжения питания [15] . Таким образом, выявлено отсутствие всестороннего обзора средств анализа и методологий исследования электродвигателей высокой частоты, выявление преимуществ и недостатков основных предложений, которые можно найти в литературе.

Как указывалось ранее, конечной целью является разработка электрических машин на основе стратегии снижения электромагнитных помех. Для достижения этой цели в данной статье предлагается всесторонний обзор высокочастотного поведения электродвигателей, охватывающий высокочастотные явления, доступные инструменты для их точного анализа и различные существующие высокочастотные модели. Таким образом, в этой статье также содержится обзор влияния различных конструктивных параметров на высокочастотное поведение электрической машины.Также обнаружено, что наиболее важным параметром конструкции является размещение обмотки и количество пропитки, по крайней мере, для токов CM.

2. Высокочастотные явления в электрических машинах

В низкочастотном рабочем диапазоне такие параметры, как сопротивление и индуктивность, практически не зависят от частоты, поэтому их можно считать постоянными. Однако в области высоких частот возникают некоторые новые явления, приводящие к изменению этих параметров. Таким образом, с увеличением частоты сопротивление увеличивается, а индуктивность уменьшается.

Перед анализом любого высокочастотного электромагнитного устройства должен быть определен конкретный частотный диапазон в зависимости от прикладных стандартов, как показано в директиве [16] Международного специального комитета по радиопомехам (CISPR). Стандарты излучаемых электромагнитных помех охватывают диапазон частот от 150 кГц до 30 МГц, тогда как излучаемые стандарты охватывают диапазон частот от 30 МГц до 100 МГц. Однако в большинстве случаев сложно получить модели для достижения хорошей точности во всем диапазоне частот, особенно за пределами 10 МГц [17] [18] [19] [20] [21] ] .Более того, в [22] утверждается, что модель трансформатора не точна за пределами 10 МГц из-за токовой связи между трактами дифференциального режима (DM) и синфазного режима (CM).

Есть 4 основных явления, которые необходимо учитывать при моделировании электрических машин в высокой частоте:

  • Скин-эффект: Скин-эффект — первое явление, которое возникает при увеличении частоты. Эти вихревые токи вызывают неоднородную плотность тока внутри проводника, поскольку электроны выталкиваются во внешнюю область проводника.Таким образом, эффективное поперечное сечение проводника уменьшается с увеличением частоты, поскольку ток течет только на глубине скин-слоя проводника (см. , рис. 2, ). Согласно уравнению (1) можно сделать вывод, что чем выше частота, тем меньше толщина скин-слоя.

Такое поверхностное распределение тока увеличивает сопротивление и уменьшает индуктивность из-за распределения потока внутри проводника. Скин-эффект — это локальный эффект в каждом проводнике, независимый от соседних, поэтому его можно проанализировать, упростив задачу до одного проводника [23] [24] .Поскольку это зависит от частоты и геометрии, его можно уменьшить, используя проводник меньшего диаметра, чем толщина скин-слоя.

  • Эффект близости: Эффект соседства между проводниками, составляющими катушку, определяется как эффект близости, и он гораздо более влиятельный, чем скин-эффект [25] . Основа аналогична скин-эффекту, но учитывает влияние наведенных вихревых токов в проводнике из-за высокочастотного магнитного поля, создаваемого соседними проводниками.Таким образом, это явление зависит от относительного положения между проводниками и может быть уменьшено с помощью обмоток с параллельными жилами или лицевых проводов, хотя они сложны в изготовлении и могут генерировать несбалансированное распределение тока по жилам [26] . Искажение, вызванное этим эффектом в распределении плотности тока в катушке электрической машины, показано на рис. 3 .

  • Магнитный сердечник: Что касается магнитного сердечника электрических машин, в этой области также наблюдаются некоторые высокочастотные явления, которые могут иметь значительное влияние на поведение двигателя.Как правило, статор и магнитопроводы ротора ламинированы и изготовлены из листов электротехнической стали для ограничения вихревых токов, индуцируемых переменными магнитными полями, что снижает магнитные потери. Индуцированные вихревые токи создают эффект экранирования внутри электрических листов, которые выталкивают магнитный поток из железного сердечника, что приводит к уменьшению относительной проницаемости магнитного материала и, следовательно, значения индуктивности [25] [27] [28] .Пороговая частота этого перехода зависит от толщины каждого стального листа и его удельного сопротивления [29] [30] [27] .

В случае многослойного железного сердечника индуктивность уменьшается меньше, чем в массивном сердечнике, поскольку магнитный поток не полностью выталкивается из многослойного сердечника. С другой стороны, сопротивление многослойного сердечника увеличивается больше, поскольку площадь поверхности, по которой протекает вихревой ток, больше, а эффект близости между листами увеличивает вихревые токи в сердечнике.Следует отметить, что нелинейность магнитного насыщения железного сердечника не учитывается при этих моделированиях, как и член тока смещения, которым можно пренебречь, по крайней мере, ниже 1 ГГц [30] .

  • Паразитные емкости: На низкой частоте влиянием паразитных емкостей можно пренебречь, поскольку их полное сопротивление обычно велико. Тем не менее, по мере увеличения рабочей частоты сопротивление паразитных емкостей уменьшается, что приводит к новым путям прохождения тока внутри двигателя.Это может значительно повлиять на дифференциальные и синфазные импедансы, а также на дифференциальные и синфазные токи в двигателе [19] [27] [14] [31] .

Основные паразитные емкости электродвигателя показаны на рис. 4 . Cwr — емкость обмотки к ротору, Cb — емкость подшипника, Cws — емкость обмотки к статору, Csr — емкость статора к ротору, Cwh — емкость обмотки к корпусу, а Cwsh — обмотка. -вальная емкость.

В обмотке появляются разные емкости. Межвитковая емкость и емкость между фазами, которыми можно пренебречь, если в пазу [27] установлена ​​однослойная обмотка. Полные синфазные пути (CM) указаны в [14] . Для расчета межвитковых емкостей важно учитывать геометрию, материал и положение проводников внутри паза, а также толщину и материал изоляции [32] [33] .

3. Инструменты анализа

Существует два разных способа анализа электрической машины на высокой частоте. Первый способ — определить значение параметров модели Lumped Parameter Model (LPM) двигателя путем экспериментальных измерений. Этот метод является наиболее часто используемым в литературе [12–36]. Это практический метод, позволяющий точно моделировать ЭМС моторных приводов. Тем не менее, изготовленный двигатель необходим для измерений, поэтому на этапе проектирования перед прототипированием он не годится.
Во втором случае модель эквивалентной схемы или LPM создается так, что каждая константа цепи рассчитывается с расчетными параметрами двигателя либо аналитически [11,37–50], либо методом конечных элементов (FEM) [28,39, 51–70] или даже гибридными методами [71–73]. С помощью анализа электромагнитного поля на основе МКЭ можно получить индуктивность, сопротивление и емкость каждого витка обмотки, которые трудно измерить экспериментально [55].

3.1. Методы конечных элементов (МКЭ)

Что касается анализа методом конечных элементов, детальная геометрия электрической машины может быть точно смоделирована с получением точных значений сопротивления и индуктивности с учетом эффекта поверхностного слоя и близости, а также потерь на вихревые токи в статоре и емкостных соединениях.Сетка геометрии важна для получения точных результатов в МКЭ. При работе на высоких частотах глубина скин-слоя материалов должна иметь мелкую сетку, как в проводниках, чтобы учитывать эффекты скин-эффекта и близости, так и в сердечнике, поскольку вихревые токи протекают по глубине скин-слоя железных листов. Таким образом, размер ячеек должен быть меньше глубины скин-слоя. Однако это требование к сетке приводит к увеличению затрат времени и вычислительной нагрузки. Таким образом, необходимо найти равновесие между сложностью модели и точностью.Для активной длины машины обычно используется двухмерное моделирование, даже если удельное сопротивление листов необходимо откалибровать для учета эффектов расслоения, обычно с использованием трехмерных моделей. Следует отметить, что не все листы железа, составляющие магнитный сердечник, могут быть смоделированы в трехмерном пространстве с размером ячейки меньше толщины скин-слоя, в противном случае на построение модели уйдет много времени. Обычно моделируются 2 или 3 листа, а результаты экстраполируются на всю длину. Даже если 3-D FEM является наиболее полным инструментом моделирования, он также является наиболее требовательным с точки зрения вычислений, поэтому обычно используется только для расчета концевой обмотки, поскольку это единственный способ его точного расчета.После выполнения трехмерного моделирования методом конечных элементов некоторые авторы предлагают различные коэффициенты для учета этой концевой обмотки, используя только 2-мерный метод конечных элементов для последующих расчетов. Что касается расчета емкости в электростатическом МКЭ, применяется то же самое, что и для расчета магнитного поля, требуя трехмерных моделей для концевой обмотки, по крайней мере, для расчета емкости между обмоткой и ротором, где это имеет большое значение. В этом случае между проводниками должен быть определен слой из 2 ячеек для обеспечения точности межвитковой емкости.Для расчета матрицы емкости рекомендуется метод закона Гаусса, поскольку он требует меньше моделирования.

3.2. Аналитические методы

Что касается аналитических инструментов, они обычно требуют меньше времени на вычисления, так как некоторые допущения и упрощения рассматриваются для каждого конкретного случая. Скин-эффект можно легко рассчитать аналитически, уменьшив эффективную площадь поперечного сечения проводников. Тем не менее вычислить эффект близости не так просто из-за неоднородного распределения магнитного поля в щели.Для расчета сопротивления обмотки переменному току использовались функции Бесселя, что привело к ошибкам в 12% на частоте 50 МГц. Найден аналитический метод для расчета потерь Джоуля с учетом потерь от близости, но предполагается равномерное распределение проводников в прямоугольной прорези, поэтому он может быть применим не ко всем случаям, и он проверяется только до 1,5 кГц, поэтому он может нуждаются в доработке для использования в анализе ЭМС электрических машин. Что касается значений емкости, геометрические упрощения сделаны для упрощения расчетов для пластинчатых конденсаторов в случае емкости обмотка-ротор или цилиндрических для емкости между статором и ротором, и даже если они сходятся к одному и тому же порядку по величине они недостаточно точны.Предлагается новый подход к определению емкости между обмоткой и ротором с использованием метода визуальных зарядов с подтверждением результатов с помощью МКЭ. Что касается межвитковой емкости, некоторые методы могут дать приемлемые результаты. Для расчета межвитковой емкости метод следует выбирать в зависимости от конкретного расположения обмотки, иначе могут возникнуть большие ошибки.

3.3. Методы, основанные на измерениях

Что касается инструментов, основанных на измерениях, довольно хорошая точность может быть достигнута путем настройки поведения модели во всем частотном диапазоне.Тем не менее, важно подчеркнуть, что этот подход не подходит для этапа проектирования двигателя, поскольку прототип должен быть уже построен для проведения экспериментальных измерений импеданса, а затем получения значений параметров путем подбора кривой. Например, этот подход должен подходить для анализа поведения всего электропривода при моделировании с учетом высокочастотных моделей двигателя, инвертора и фильтра ЭМС, но не для прогнозирования поведения электрической машины во время проектирования. процесс.Внутри инструментов, основанных на измерениях, есть два разных способа получения модели электрической цепи, путем поиска физического значения каждого параметра и соотнесения его с кривой импеданса или просто путем процедуры подбора параметров, получая даже отрицательные значения. Эта модель может получить отличную точность во всем частотном диапазоне.

4. Моделирование электрических машин в области высоких частот

В предыдущем разделе описаны три различных инструмента анализа для анализа высокочастотных электрических машин.На основе этого анализа были получены некоторые электрические параметры (L, R, C), чтобы представить их в различных моделях. Основные модели классифицируются на основе их топологии, методов извлечения параметров и основных характеристик.

По сложности или размеру модели можно разделить на две категории. Модели с распределенными параметрами (DPM) и модели с сосредоточенными параметрами (LPM). DPM имеет тенденцию быть более точным, но они не могут быть интегрированы с другими компонентами системы, поскольку они требуют интенсивных вычислений [20] [21] [25] [34] [27] [ 15] [35] [36] .

Напротив, LPM более практичен, поскольку он может быть введен в полную модель электропривода, а его параметры могут быть получены путем простых измерений импеданса [37] [17] [18] [38] [39] [40] [29] [41] [42] [43] [12] [44] [45] [33] [30] [14] . Некоторые авторы разрабатывают модели DPM высокой точности и упрощают их до LPM с помощью методов редукции матрицы [25] или путем группировки параметров RL [27] .Обзор различных моделей приведен в Таблица 1 .

Модель

Частота

Диапазон

Модель

Тип

Параметр

Добыча

Межоборотный

Эффекты

Подшипник

Модель

Ротор

Модель

Интеграция в привод

Моделирование

Домен

Утюг

Убыток

[32]

1 к – 13 млн

Измерено

х

х

х

Частота и время

Неявный

[17]

10 тыс. – 10 млн

Измерено

х

х

х

Частота и время

Неявный

[20]

10 тыс. – 10 млн

Измерено

х

Частота и время

R Параллельный

[23]

10 тыс. – 10 млн

Измерено

х

Частота

Неявный

[31]

100 тыс. – 500 млн

Измерено

Частота

Неявный

[12]

10 тыс. – 10 млн

Измерено

х

х

х

Частота и время

Неявный

[13]

100–100 млн

Измерено

х

Частота и время

R

[21]

150 тыс. – 10 млн

л / мин

Измерено

х

х

х

Частота и время

R

[33]

100–30 м

Фиксированный

Измерено

х

х

х

Частота и время

R

[24]

100–10 м

Сегменты

Измерено

х

Частота

R | L | RC

[15]

100 тыс. – 100 млн

Измерено

Частота и время

Неявный

[35]

10 тыс. – 1 млн

Измерено

х

Частота и время

Неявный

[36]

100–10 м

Измерено

х

Частота и время

R Параллельный

[37]

10–10 м

Аналитический

х

х

х

х

Частота и время

R Параллельный

[73]

30–5М

ФЭМ

х

х

Время

RL

[54]

100–100 млн

ФЭМ

х

х

х

х

Частота и время

Неявный

[27]

1 к – 10 млн

f (F)

Измерено

х

Частота и время

Неявный

[22]

10 тыс. – 3 млн

Сегменты

Измерено

х

Частота и время

Неявный

[62]

20–4 м

ФЭМ

х

Частота

Неявный

[86]

10 к

ФЭМ

х

х

х

Время

Неявный

[58]

100–1 м

ФЭМ

х

х

х

Частота

R Параллельный

[61]

0–100 к

ДПМ

ФЭМ

х

х

Время

Неявный

[39]

10–10 м

ФЭМ

х

Частота и время

Неявный

[51]

1 к – 10 млн

ФЭМ

х

Частота и время

Неявный

[55]

10–20 млн

ФЭМ

х

Частота

Неявный

[70]

10 тыс. – 1 млн

ФЭМ

х

Частота

Неявный

Что касается области моделирования, некоторые модели работают в частотной области, например, для получения зависимости импеданса CM и DM от частоты.Однако для моделирования перенапряжений и токов требуется временная область. В этой области частотная зависимость параметров обычно рассматривается с использованием схем с сосредоточенными параметрами, так как изменение значения для каждой частоты может оказаться непрактичным. Обычно параллельные ветви RL используются для воспроизведения эффектов кожи и близости в значениях сопротивления и индуктивности, где каждая ветвь представляет собой частотный диапазон [39] [41] [19] .

Наконец, в зависимости от цели моделирования, разработанная модель может выделять или игнорировать некоторые части машины.Исходя из этого, все модели представляют собой цепи RLC с ~ разным числом сегментов и разными физическими значениями, но ~ по своему происхождению все относятся к собственной и взаимной индуктивности обмоток, сопротивлению и паразитным емкостям связи. Межвитковые эффекты в обмотке важны для получения точных результатов, тогда как емкость подшипника просто учитывается при анализе подшипниковых токов. ~ Потери в стали, вызванные вихревыми токами в статоре, иногда включаются в качестве резистора, параллельного обмотке, тогда как в других случаях потери просто неявны в ~ значениях схемы.

Что касается ротора, его влияние может быть значительным только при анализе подшипниковых токов, напряжений на валу или перенапряжения на клеммах. Положение ротора также важно в низкочастотном диапазоне для машин с явнополюсными постоянными магнитами, поскольку индуктивность изменяется в зависимости от положения ротора. Следовательно, если требуется модель с полным диапазоном частот (0 Гц — 30 МГц), следует рассмотреть ротор.

5. Влияние проектных параметров на ЭМС

После того, как поведение машины в отношении электромагнитных помех будет проанализировано путем разработки различных моделей, показанных в предыдущем разделе, с помощью этих моделей необходимо оценить влияние различных аспектов.На поведение ЭМС могут влиять различные факторы, такие как параметры конструкции, производственные материалы, а также производственные процессы и допуски. Чтобы перейти к деталям конструктивных параметров и допусков, обычно в качестве основной опции используется анализ методом конечных элементов. В следующей таблице представлен обзор различных проектных параметров.

Параметр

Удар

Оптимум

Параллельные схемы

Первая резонансная частота

\ (f_ {rSeries} = \ frac {1} {2} f_ {rParallel} \)

Соединение Y-∆

Первая резонансная частота в CM Импеданс

DM Амплитуда импеданса

(∆ выше Y)

(Y выше ∆)

Размещение проводника

Cwr и напряжение изоляции

Подшипники и токи CM

Напряжение на валу

Потери меди

Наибольшее расстояние от ротора

Середина слота

Пряди, выровненные с линиями магнитного потока

Топология обмотки

Емкость между обмоткой и землей

Круговая обмотка

Уровень пропитки проводов

Паразитная емкость

Низкий (влияет на термическое воздействие)

Форма паза

C wr , Напряжение на валу

Электроды в щелевом клине

C wr и напряжение изоляции

Подшипники и токи CM

Напряжение на валу

Большой диаметр

Ближайший от ротора

> 1 электродов вместе

Размер воздушного зазора

C RS

Минимум

Экранирование

Индуцированное напряжение

Зависит от частоты

Экран оконечной обмотки

C письмен

Клетка Фарадея

Чтобы получить более подробные знания в этой области, прочитайте полную статью .

Эта запись адаптирована из 10.3390 / app11146334

Высокочастотные вибрационные двигатели / с крюковым основанием, серия HKM — высокочастотные вибрационные двигатели

Высокочастотные вибрационные двигатели, хотя и маленькие и легкие, производят мощную вибрацию на высоких оборотах и ​​демонстрируют свои полные характеристики при бетонировании не только коробчатых водопропускных труб и бетонных сегментов, но и L-образных подпорных стен, плит ПК и других крупных бетонных изделий. также.Они также применимы для заливки второстепенного слоя для туннелей, подземных работ, щитовых работ и других проектов.


Передача мощной вибрации путем фиксации в одно касание

Закрепленные одним болтом, который легко отсоединить и снова закрепить, эти машины стабильно передают вибрацию и заливают бетон бесшумно и без резонансов. (1) Вставьте крюк вибромотора в узел основания крюка, закрепленный в форме или чем-то подобном.(2) Поднимите двигатель, используя крюк в качестве опоры. (3) Вставьте крепежный болт двигателя в паз для болта и затяните гайку фланца с помощью трещотки.


Герметичная конструкция

Обладая высокой герметичностью, эти машины могут обеспечивать отверждение паром при установке на пресс-форму. Они предотвращают ухудшение изоляции и повышают удобство эксплуатации.


Регулировка центробежной силы для бесшумного бетонирования

Грузы (веерообразные эксцентриковые грузы), установленные с обеих сторон вибромотора, можно регулировать по углу для регулировки центробежной силы.Благодаря простой настройке и высокочастотному инвертору эти агрегаты создают центробежную силу, соответствующую входной силе свежезамешенного бетона, обеспечивая бесшумное бетонирование.


Использование инвертора преобразует частоту

Оснащенные серией высокочастотных инверторов (с регулировкой объема), эти продукты могут быть настроены на желаемую настройку частоты в соответствии с размерами продукта и формой формы.Установка высокочастотного вибрационного двигателя на желаемую частоту и желаемую центробежную силу обеспечивает различные вибрации для бетонирования и отделки, а также обеспечивает бесшумное бетонирование, которое позволяет избежать резонанса с формами.


Основание для крючка с возможностью разделения

Основание монтажного крюка является общим для HKM55LFA (SA) и HKM75LFA (SA). Если вам нужно переместить формы или изменить вибрацию на заводе, вы можете установить для них одно и то же основание крюка.

Проблемы с моторами и кабелями | База знаний iKnow | Инвертек Приводы

Двигатели

предназначены для работы с фиксированной частотой и напряжением от сети, что представляет собой красивую гладкую синусоидальную волну. На заре применения частотно-регулируемых приводов двигатели получали довольно неприятные формы волны, которые больше походили на прямоугольные, чем на синусоидальные волны.Оказалось, что они на удивление терпимы к этим искажениям, и, хотя было много дискуссий о гармоническом нагреве, нам в целом это сошло с рук. С улучшенными силовыми устройствами, такими как IGBT, частота переключения постепенно увеличивалась, и соответственно улучшалась форма тока. Однако, хотя форма волны тока приближается к синусоиде, приводы по-прежнему генерируют форму волны напряжения, которая в основном представляет собой поток прямоугольных импульсов высокого напряжения (см. Статью 2).

Прямоугольная волна состоит из смеси многих частот, в том числе некоторых намного выше основной частоты переключения.Более высокие частоты «утечки», чем более низкие, то есть они имеют тенденцию излучать и находить пути через паразитную емкость, вызывая проблемы. Хорошим примером этого является то, что происходит, когда между приводом и двигателем подключаются кабели.

Паразитная емкость всегда будет в кабелях от проводника к проводнику и от проводов к земле. Чем ближе проводники к земле, тем больше емкость. Всегда рекомендуется подключать экранированный кабель между приводом и двигателем, поскольку он «содержит» помехи, создаваемые формой сигнала переключения.Однако, поскольку экран заземлен, это означает, что между проводниками и заземленным экраном существует значительная емкость. Чем длиннее кабель, тем больше емкость, как показано на Рисунке 1.

Рис. 1 Блуждающая емкость кабеля увеличивает токи утечки

Когда приводы впервые тестировались и разрабатывались, инженеры обычно работали с коротким кабелем от испытательного стенда к двигателю внизу, так что так продолжалось до тех пор, пока приводы не попали в реальный мир были подключены длинные кабели и начались проблемы.

Поскольку IGBT на выходе привода включаются и выключаются, они должны заряжать и разряжать эту паразитную емкость. Или, другими словами, высокочастотная составляющая формы волны подает ток на емкость. В результате появляются пики на (относительно) плавном выходном токе частотно-регулируемого привода. На рис. 1 показаны всплески тока, вызванные емкостью кабеля (красным цветом), наложенные на «нормальную» форму волны тока.

Рис. 2 Скачки тока, вызванные емкостью кабеля

Эти всплески возникают как раз во время переключения IGBT, поэтому они увеличивают коммутационные потери в инверторе, и привод нагревается.Если кабель слишком длинный и емкость становится чрезмерной, привод может перегреться и отключится от перегрева. Иногда всплески бывают достаточно большими, чтобы время от времени возникало перегрузка по току. Все очень раздражает.

Как только разработчики приводов осознали проблему, они начали тестирование приводов с длинными экранированными кабелями и точно установили, с какой длиной кабеля может работать конкретный привод. В настоящее время большинство приводов проходят испытания и предназначены для работы с экранированными кабелями длиной обычно 50 м — иногда больше, иногда меньше, в зависимости от привода.Если вам нужно работать с более длинными кабелями, вы можете установить различные фильтры, а иногда и просто выходной дроссель.

Но возможные заминки с кабелем не исчерпываются. Как только выход инвертора достигает двигателя, высокочастотная составляющая может вызвать больше проблем. Изначально изоляция двигателя была разработана для работы с простым, приятным и плавным сетевым напряжением с редкими помехами. Затем появился частотно-регулируемый привод, и изоляция на старых двигателях просто не соответствовала выходу инвертора.Распространяются истории о новомодных приводах, ломающих старые надежные двигатели, и производители двигателей много работали над улучшением своих конструкций. Новые изоляционные материалы и изменение способа установки обмоток вокруг конца статора в двигателе устранили проблему. Двигатели моложе тридцати лет, как правило, готовы к работе с инверторами. Следовательно, в настоящее время нарушение изоляции в результате использования привода встречается довольно редко. Если изоляция двигателя вышла из строя, это обычно происходит в результате перегрева или просто старения.Если мотор старый, его все равно нужно заменить — современный эффективный мотор окупится за несколько лет.

Удвоение напряжения — это редкий эффект. Если длина кабеля (к сожалению) совпадает с кратной длиной волны одного из высокочастотных компонентов сигнала переключения, напряжение на клеммах двигателя может быть удвоено отраженными сигналами. Опять же, большинство двигателей рассчитаны на это, но иногда могут возникать повреждения. Решение состоит в том, чтобы добавить к соединению немного больше (или меньше) кабеля.

Другая проблема, вызванная высокочастотной составляющей привода, — это токи в подшипниках. Опять же, причиной является паразитная емкость между обмотками двигателя и землей. Ток высокой частоты находит самые разные пути к земле, в том числе протекает через подшипники двигателя. Это приводит к медленной эрозии или травлению поверхности подшипника, вызывая необычные узоры на дорожке подшипника, которые, как ни странно, приводят к выходу подшипника из строя. Проблема обычно возникает в приводах с более высоким напряжением и более мощных двигателях, но иногда может быть обнаружена и в небольших установках.

И снова производители двигателей в ответ использовали изолированные подшипники (обычно необходим только один, часто на неприводной стороне) во многих — но не во всех — двигателях.

Конечно, предотвратить повреждение подшипника лучше, чем лечить, и есть несколько простых мер предосторожности, которые пользователи привода могут предпринять, чтобы минимизировать проблему.

Хорошее заземление двигателя гарантирует, что токи утечки будут проходить через корпус двигателя, а не через вал и подшипники.Заземление двигателя и системы можно улучшить, используя плетеные заземляющие ленты с хорошей проводимостью на высоких частотах. В целом, хорошая практика ЭМС (например, правильная заделка и заземление экранов кабелей) минимизирует токи утечки. Симметричный кабель вроде как помогает; это экранированный кабель (между двигателем и приводом), в котором каждый проводник имеет одинаковую утечку на экран. Также выгодны кабели с дополнительными заземляющими кабелями, симметрично расположенными внутри кабеля.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *