ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области электротехники и касается конструктивного исполнения электрических машин и может быть использовано в качестве электрических двигателей с широким диапазоном изменения частоты вращения в приводах электрических механизмов и/или генераторов в различных отраслях промышленности, коммунального хозяйства и в быту.
Известен электропривод, содержащий два соосных ротора переменного тока, установленных с возможностью вращения в противоположных направлениях, причем роторы установлены на подшипниках и оси, закрепленной в корпусе, внутренний ротор соединен с наружным посредством механической упругофрикционной передачи (Патент РФ №2104606).
Недостатком представленного электропривода является громоздкость и сложность реализации механической упругофрикционной передачи.
Известна электрическая машина, содержащая корпус, источник питания, расположенный на валу электрический магнитный индуктор, закрепленный на валу якорь, имеющий коллектор и электрические щетки, и окружающий электрический магнитный индуктор, а также дополнительный магнитный индуктор в виде разнополюсных постоянных магнитов и расположенный между якорем и электрическим магнитным индуктором коаксиально с ним (Патент РФ №2313885).
Недостатками представленной электрической машины являются сложность управления характеристиками производимой электроэнергии и/или механической энергии в процессе работы электрооборудования при одновременном использования электрической машины как генератора, так и электродвигателя, громоздкость конструкции вследствие наличия большого количества щеточно-коллекторых элементов.
Прототипом предлагаемого изобретения является электрический двигатель, содержащий статор с обмоткой, внутренний ротор с выходным валом, установленным в подшипниках, промежуточный ротор, охватывающий внутренний ротор, на внешней и внутренней поверхностях промежуточного ротора размещены обмотки, отличающийся тем, что вал промежуточного ротора выполнен полым, внутри него размещен вал внутреннего ротора, причем подшипники, размещенные на валах внутреннего и промежуточного роторов, расположены коаксиально их оси вращения (Патент РФ №2025870).
Недостатком представленного электрического двигателя являются значительные потери энергии, возникающие в процессе регулирования скорости и мощности выходного вала внутреннего ротора при рекуперативном или динамическом торможении промежуточного ротора, и ограниченные функциональные возможности известного электродвигателя
Технический результат заключается в повышении КПД работы устройства в широком диапазоне изменения скорости вращения выходного вала внутреннего ротора за счет управляемого перераспределения скоростей вращения коаксиальных роторов, в получении постоянной выходной мощности при регулировании его скорости вращения и расширении функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что электрическая машина содержит статор с обмоткой, внутренний ротор с выходным валом, установленным в подшипниках, промежуточный ротор, охватывающий внутренний ротор, на внутренней поверхности промежуточного ротора размещены обмотки, вал промежуточного ротора выполнен полым, внутри него размещен вал внутреннего ротора, причем подшипники, размещенные на валах внутреннего и промежуточного роторов, расположены коаксиально их оси вращения, при этом новизна заключается в том, что на внешней поверхности промежуточного ротора расположены группы постоянных магнитов чередующейся полярности, а генераторная обмотка статора выполнена многофазной.
На фиг.1 изображен продольный разрез электрической машины;
на фиг.2 изображен поперечный разрез электрической машины.
Электрическая машина содержит статор 1, на котором закреплен шихтованный цилиндрический магнитопровод 2 с пазами на внутренней поверхности, в которые уложена многофазная генераторная обмотка 3, образуя при этом упорядоченные катушечные группы статора.
Статор охватывает внутренний ротор 4 общепринятой короткозамкнутой конструкции, установленный на подшипниках 5 и содержащий вал 6, шихтованный сердечник 7 и обмотку, представляющую собой короткозамкнутую конструкцию из алюминиевых стержней 8, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон по торцам ротора алюминиевыми кольцами 9.
В воздушном зазоре между статором и внутренним ротором расположен с возможностью вращения промежуточный ротор 10, установленный на подшипниках 11, несущий две конструктивные части, разделенные магнитонепроницаемым материалом 12.
Подшипники 5 и 11 обеспечивают коаксиальное расположение основных частей электрической машины: статора 1, внутреннего ротора 4 и промежуточного ротора 10, и возможность одновременного вращения внутреннего ротора 4 относительно промежуточного ротора 10, вращение промежуточного ротора 10 относительно статора 1 электрической машины.
На внешней поверхности промежуточного ротора расположены группы постоянных магнитов 13 чередующейся полярности. Внешняя магнитная система промежуточного ротора 10 совместно с обмоткой 4 статора 1 образует электромагнитную генераторную часть электрической машины, которая предназначена для выработки электрической энергии в результате вращения промежуточного ротора.
На внутренней поверхности промежуточного ротора 10 расположена общепринятая конструкция статора, представляющая собой шихтованный цилиндрический магнитопровод 14 с продольными пазами на внутренней поверхности, в которые уложена трехфазная обмотка возбуждения 15. Внутренняя обмотка возбуждения 15 промежуточного ротора 10 совместно с короткозамкнутой обмоткой внутреннего ротора 4 образует электромагнитную двигательную часть электрической машины, которая предназначена для выработки механической энергии вращения внутренним ротором.
На промежуточном роторе 10 расположен комплект контактных колец 16 и щеток 17 для осуществления электрической связи с вращающейся трехфазной обмоткой возбуждения двигательной части электрической машины, соединенный посредством проводов 18 с источником переменного напряжения с целью подачи напряжения к вращающейся трехфазной обмотке возбуждения электрической машины.
Электрическая машина снабжена электромагнитными тормозами валов внутреннего и промежуточного роторов, каждый из которых предназначен для остановки и удержания вала в заторможенном состоянии. Электромеханический тормоз содержит барабан 19, закрепленный на валу, и тормозные колодки 20.
Электрическая машина работает следующим образом.
При подключении электрической машины к источнику питания переменного трехфазного тока, энергия через коммутационную коробку 19, соединительные провода 18 посредством щеток 17 подводится к комплекту контактных колец 16, обеспечивающих связь с вращающейся трехфазной обмоткой возбуждения 15 двигательной части электрической машины. В результате протекания переменного тока по обмотке возбуждения возникает вращающееся электромагнитное поле в зазоре между промежуточным ротором 10 и внутренним ротором 4. В результате взаимодействия этого поля с короткозамкнутой обмоткой внутреннего ротора 4 в ней наводится ЭДС, протекает электрический ток. Электромагнитный момент создается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля промежуточного ротора 10 с активной составляющей тока внутреннего ротора 4. Подшипники 5 и 11 обеспечивают возможность вращения промежуточного 10 и внутреннего ротора 4 вокруг оси машины. С учетом этого, электромагнитный момент, возникающий между внутренней обмоткой возбуждения 15 промежуточного ротора 10 и короткозамкнутой конструкцией внутреннего ротора 4 двигательной части электрической машины, будет действовать как на внутренний ротор 4, так и на промежуточный ротор 10, но в противоположных направлениях, что приведет к вращению обеих подвижных частей электрической машины в противоположные стороны.
Так как на внешней стороне промежуточного ротора 10 электрической машины закреплены группы постоянных магнитов 13 чередующейся полярности, при вращательном движении промежуточного ротора 10 в генераторной многофазной обмотке статора будет наводиться ЭДС. Максимальная частота вращения промежуточного ротора 10 определяется величиной развиваемого электромагнитного момента, массогабаритными параметрами ротора 10 и числом пар полюсов его обмотки, а также зависит от режима работы электрической машины. Регулирование частоты вращения промежуточного ротора 10 происходит за счет изменения мощности электрической машины, передаваемой в сеть.
Вырабатываемое электрической машиной генераторное напряжение направляется в сеть. Вследствие этого происходит снижение результирующего потребления энергии из сети за счет возврата в питающую сеть потребленной машиной энергии, но не использованной на выходе двигательной части электрической машины, что ведет к повышению КПД электрической машины.
Электрическая машина может функционировать в следующих режимах: режим включения двигателя, режим включения генератора, режим совместного включения двигателя и генератора, режим редуктора.
Режим включения двигателя.
В этом режиме электромеханический тормоз стопорит вал промежуточного ротора. При этом электрическая машина работает в режиме обычного двигателя с диапазоном изменения скорости вращения и другими характеристиками, свойственными указанному типу двигателя. При этом регулирование частоты вращения может происходить известными способами.
Режим включения генератора.
В этом режиме электромеханический тормоз стопорит выходной вал внутреннего ротора. При этом электрическая машина работает в режиме обычного генератора со свойственными ему характеристиками, нагрузкой генератора является питающая сеть.
Режим совместного включения двигателя и генератора.
В этом режиме выходные валы роторов электрической машины расторможены. При этом скорость вращения выходного вала внутреннего ротора равна разности скоростей вращения роторов, причем частота вращения промежуточного ротора зависит от нагрузки обмоток статора.
Режим редуктора.
В этом режиме напряжение подается на обмотку промежуточного ротора. Если выходной вал внутреннего ротора находится под нагрузкой, то в этом случае начнет вращаться промежуточный ротор, так как он установлен на подшипниках. Внешняя магнитная система промежуточного ротора будет наводить ЭДС в генераторной многофазной обмотке статора электрической машины. При включении нагрузки промежуточный ротор будет затормаживаться, а выходной вал вращаться, причем регулируя торможение промежуточного ротора путем изменения нагрузки сети, осуществляем регулирование скорости выходного внутреннего вала.