ИНДУКТОРНАЯ МАШИНА
INDUCTOR MACHINE

Область техники.
Изобретение относится к области электротехники, конкретно к устройству электрических машин, и может быть использовано в составе исполнительных механизмов систем автоматического управления, например в системах управления положением (позиционированием) регулирующего (управляющего) органа, в частности в системах управления и защиты ядерных реакторов.
Уровень техники.
Известны индукторные машины с радиальным потоком возбуждения, создаваемым постоянной составляющей тока при однополярном питании фаз многофазной обмотки якоря (см., например, книгу авт. Д.Э.Брускин и др. Электрические машины. Учебник для вузов, ч.2. - М.: Высшая школа, 1979, с.147, рис.9-16).
1
Известная индукторная машина содержит пакет статора с Z равномерно распределенными зубцами, охваченными катушками трехфазной обмотки якоря. Катушки каждой фазы расположены на двух диаметрально противоположных полюсах и образуют 2p=2 полюса чередующейся по окружности пакета полярности. Ротор машины представляет собой зубчатый магнитопровод без обмотки, число зубцов которого составляет:
2
2
Z=p+p=4, где:
2
- Z - число зубцов ротора;
- p - число пар полюсов обмотки якоря;
2
2
1
- p - число пар полюсов потока возбуждения, образованного постоянной составляющей тока всех фаз обмотки якоря, p=Z/2.
Недостатком такой индукторной машины является неспособность работать в генераторном режиме в случае полного исчезновения питания (обесточивания) обмотки якоря.
Известны также индукторные машины с радиальным или радиально-осевым потоком возбуждения, создаваемым постоянными магнитами (см., например, одноименно-полюсную индукторную машину по авт. свид. СССР №1591709, МПК H02K 19/06, H02K 19/18, H02K 21/00, опубл. 27.05.2002 г. Бюл. №15, ч.II).
Эта индукторная машина содержит внешнезамкнутый магнитопровод, предназначенный для замыкания в аксиально-радиальном направлении потока возбуждения, создаваемого двумя кольцевыми постоянными магнитами, зубчатый статор с многофазной обмоткой якоря и зубчатый ротор. Для обеспечения работоспособности этой машины число зубцов на статоре и на роторе должны находиться в соотношении:
1
2
Z±Z=p, где:
1
- Z - число зубцов статора;
2
- Z - число зубцов ротора;
- p - число пар полюсов многофазной обмотки якоря.
К недостаткам этой индукторной машины относятся низкие массогабаритные показатели из-за наличия внешнезамкнутого магнитопровода, а также сложность быстрого увеличения крутящего момента в двигательном режиме, вследствие большого магнитного сопротивления постоянных магнитов.
Известна также четырехфазная индукторная машина с самовозбуждением (см. книгу «Дискретный электропривод с шаговыми двигателями», под ред. М.Г.Чиликина. - М.: Энергия, 1971, с.530, рис.14-12). Недостатком этой машины является необходимость постоянного использования автономного источника или устройства для обеспечения потока возбуждения, кроме того, данная машина не обеспечивает работу в генераторном режиме.
Наиболее близкой к изобретению является двухпакетная индукторная машина с электромагнитным возбуждением, поток возбуждения в которой может замыкаться как в радиальном, так и в осевом направлениях (см. авт. свид. СССР №661694, МПК H02K 37/00, опубл. 05.05.1979 г. Бюл. №17).
Однако эта индукторная машина обладает низкими массогабаритными показателями, поскольку в ней поток возбуждения замыкается в аксиально-радиальном направлении через корпус, в котором установлены оба пакета. Это приводит к необходимости выполнять корпус с увеличенной площадью поперечного сечения. Кроме того, в этой индукторной машине оба пакета с магнитопроводами статора и ротора работают на общий вал при фиксированном угловом положении магнитопроводов одного пакета относительно магнитопроводов другого пакета, что ограничивает область ее применения.
Целью изобретения является улучшение массогабаритных показателей двухпакетной индукторной машины и расширение области ее применения.
Поставленная цель в известной двухпакетной индукторной машине с четным числом фаз обмотки якоря, снабженной фазными зажимами, содержащей статор с равномерно распределенными на каждом пакете зубчатыми полюсами, охваченными катушками чередующейся полярности с четным числом пар полюсов, и жестко закрепленный на валу ротор, установленный в подшипниковых узлах и состоящий из двух зубчатых магнитопроводов, каждый из которых расположен внутри одного пакета статора, достигается тем, что фазы обмотки якоря каждого пакета образованы согласным включением катушек и подключены к отдельной группе фазных зажимов, причем число зубцов каждого зубчатого магнитопровода ротора равно утроенному числу пар полюсов обмотки якоря, а вал между зубчатыми магнитопроводами ротора разделен на две части в направлении, перпендикулярном оси вращения вала (по плоскости M-N), при этом каждая часть вала снабжена дополнительным подшипниковым узлом, установленным в месте разделения вала.
Пример осуществления изобретения.
1
Пример осуществления изобретения в варианте с числом зубцов статора Z=8 и четырехфазной обмоткой якоря поясняется чертежом, где:
- фиг.1 - поперечный разрез индукторной машины;
- фиг.2 - продольный разрез индукторной машины;
- фиг.3 - схема соединения катушек обмотки якоря (в фазах одного пакета якорной обмотки);
- фиг.4 - электрическая схема соединения катушек обмотки якоря (обоих пакетов) и подключения их к фазным зажимам.
На чертеже позициями отмечены:
- 1 - первый (условно) пакет статора;
- 2 - второй (условно) пакет статора;
- 3 - зубцы первого пакета статора;
- 4 - зубцы второго пакета статора;
- 5 - обмотка якоря первого пакета;
- 6 - обмотка якоря второго пакета;
- 7 - первый (условно) зубчатый магнитопровод ротора;
- 8 - второй (условно) зубчатый магнитопровод ротора;
- 9 - первая (условно) часть вала ротора;
- 10 - вторая (условно) часть вала ротора;
- 11 - подшипниковый узел первого части вала ротора;
- 12 - подшипниковый узел второй части вала ротора;
- 13 - подшипниковый щит первой части вала ротора;
- 14 - подшипниковый щит второй части вала ротора;
- 15 - дополнительный подшипниковый узел первой части вала ротора;
- 16 - дополнительный подшипниковый узел второй части вала ротора;
- 17 - опорная труба;
- 18 - корпус;
- 19 - вспомогательный источник электропитания.
Описание изобретения (вариант).
Индукторная машина содержит (см. фиг.1 и 2) пакеты 1 и 2 статора с восемью зубцами 3 и 4, равномерно распределенными по окружности каждого пакета. Зубцы охвачены катушками 5 и 6 четырехфазной обмотки якоря первого и второго пакетов. Катушки обмотки якоря образуют по окружности пакета четное число пар полюсов p=2 чередующейся полярности, таким образом, по окружности каждого пакета образуются 2p=4 полюса чередующейся полярности. Внутри каждого пакета расположено по одному зубчатому магнитопроводу ротора 7 и 8 (см. фиг.1 и 2), число зубцов каждого магнитопровода составляет:
2
1
Z=Z-p=8-2=6, где
2
- Z - число зубцов каждого зубчатого магнитопровода ротора;
1
- Z - число зубцов каждого пакета статора;
- p - число пар полюсов обмотки якоря каждого пакета.
Каждый из магнитопроводов 7 и 8 установлен на своей части вала соответственно 9 и 10. Части 9 и 10 вала выполнены из ферромагнитного конструкционного материала и снабжены подшипниковыми узлами, основными 11 и 12, расположенными в подшипниковых щитах 13 и 14, выполненных из неферромагнитного материала, и дополнительными 15 и 16. Дополнительные подшипниковые узлы расположены в месте разделения вала на две части внутри опорной трубы 17, которая герметично разделяет полость статора от полости ротора и предназначена для защиты изоляции обмоток якоря от воздействия агрессивной среды, которая может находиться внутри полости ротора. Опорная труба 17 выполнена из неферромагнитного материала с ферромагнитными вставками в местах примыкания к зубцам 3 и 4 каждого пакета статора (на чертеже не показаны).
Пакеты 1 и 2 статора с обмоткой якоря и подшипниковые щиты 13 и 14 установлены в корпусе машины 18. Корпус выполнен из ферромагнитного конструкционного материала, обладающего гистерезисными свойствами.
1
1
2
2
1
2
Обмотка якоря первого пакета соединена в звезду и подключена к группе зажимов I-V. Обмотка якоря второго пакета также соединена в звезду и подключена к группе зажимов I-V. Обмотки якоря обоих пакетов снабжены зажимами нулевых точек V и V для кратковременного однократного подключения вспомогательного источника электропитания 19 (см. фиг.4).
Индукторная машина работает следующим образом.
1
2
1
1
2
2
От вспомогательного источника напряжения 19 (см. фиг.4) на зажимы нулевых точек V-V якорных обмоток обоих пакетов подается постоянное напряжение. При этом выводы всех фаз якорных обмоток обоих пакетов I-IV, I-IV замыкаются между собой, как это показано на фиг.4 пунктирной линией. Затем провода, замыкающие между собой зажимы фаз, отсоединяются, а источник 19 отключается и в дальнейшей работе машины (за весь срок ее службы) не используется. В результате корпус 18, а именно его средняя часть, расположенная между пакетами 1 и 2 статора, приобретает остаточную намагниченность в осевом направлении.
Далее на зажимы фаз якорной обмотки первого, второго или обоих пакетов сразу от преобразователя напряжения или тока (на чертеже не показан) подается питание в последовательности -I, II-II, III-III, IV-IV, I-I, II- и т.д., таким образом, что на зажимы четных фаз подается напряжение со знаком «плюс», а на зажимы нечетных фаз - со знаком «минус», или наоборот, на зажимы четных фаз подается напряжение со знаком «минус», а на зажимы нечетных фаз - со знаком «плюс».
При таком питании обмоткой якоря соответствующего пакета создается равномерно или дискретно вращающееся магнитное поле, число пар полюсов которого составляет p=2. Поле обмотки якоря первого пакета замыкается в радиальном направлении через пакет 1 и его зубцы 3, пересекает опорную трубу 17 и воздушный зазор между ней и зубчатым магнитопроводом ротора 7, через магнитопровод 7, далее в обратном направлении через воздушный зазор, опорную трубу 17 и зубцы 3 пакета 1.
Вращающееся четырехполюсное поле p=2, созданное фазами якорной обмотки, взаимодействует с неподвижным полем , образованным постоянной составляющей тока, протекающей во всех четырех фазах. Наибольший эффект от этого взаимодействия: максимальная амплитуда изменения взаимной индуктивности между вращающимся и неподвижным полями достигается, если число зубцов зубчатого магнитопровода ротора 7 составляет:
В результате изменения взаимной индуктивности на зубчатый магнитопровод 7 действует вращающий электромагнитный момент, который передается первой части вала 9 (см. фиг.1), на котором он жестко закреплен, и далее исполнительному механизму.
Аналогичным образом, поле обмотки якоря второго пакета статора замыкается в радиальном направлении через пакет 2, его зубцы 4, опорную трубу 17, воздушный зазор между ней и зубчатым магнитопроводом ротора 8, магнитопровод ротора 8, установленный внутри второго пакета статора. Далее он замыкается в обратном направлении через воздушный зазор, опорную трубу 17 и зубцы 4 пакета 2. Взаимодействие постоянной и переменной составляющих этого поля приводит во вращение зубчатый магнитопровод ротора 8 и вторую часть вала 10 (см. фиг.1), на котором этот магнитопровод жестко закреплен.
Изменение направления вращения каждой части вала на противоположное достигается изменением чередования подачи питания на фазы обмотки якоря на противоположное, в последовательности I, IV-IV, III-III, II-II, I-I, IV - и т.д.
Вследствие насыщения зубцов 3 и 4, остаточный магнитный поток корпуса 18 вытесняется на пути рассеяния. Поэтому на работу индукторной машины в рассмотренном режиме (двигательном) этот поток влияния не оказывает.
При обесточивании машины и приведении во вращение от внешнего источника механической энергии, например, под действием опускающегося регулирующего стержня (на чертеже не показан) первой части вала 9 и второй части вала 10 или любой из частей вала, с закрепленными на них зубчатыми магнитопроводами 7 и 8, в обмотках якоря остаточным полем корпуса 18 наводится ЭДС. Это поле замыкается в аксиально-радиальном направлении через пакет 1 статора и его зубцы 3, пересекает опорную трубу 17, воздушный зазор между ней и зубчатым магнитопроводом ротора 7, зубчатый магнитопровод ротора 7. Далее это поле замыкается в осевом направлении через часть 9 и 10 вала (см. фиг.1) и зазор между ними. Затем оно вновь проходит в радиальном направлении через зубчатый магнитопровод ротора 8, зазор между ним и опорной трубой 17, опорную трубу 17, зубцы 4 магнитопровода пакета статора 2 и сам этот пакет.
1
2
3
4
1
1
2
2
1
2
Остаточное поле корпуса 18 может быть усилено действием намагничивающего поля продольной реакции якоря, образованного подключением к одной или обеим группам фазных зажимов емкостной нагрузки, как это показано на фиг.4, где емкостная нагрузка представлена конденсаторами C и C, подключенными к несмежным фазам обмотки якоря первого пакета, и конденсаторами C и C, подключенными к несмежным фазам обмотки якоря второго пакета. При замыкании их на электрическую нагрузку через внешние цепи, соединяющие нагрузку с зажимами I-V, I-V, потечет ток, и индукторная машина будет генерировать электромагнитную мощность. Наибольшая мощность будет генерироваться, если число зубцов статора Z, число зубцов ротора Z и число пар полюсов обмотки якоря находятся в соотношении:
2
Совместное решение (1) и (2) дает соотношение числа зубцов зубчатых магнитопроводов ротора и пар полюсов обмотки якоря Z=3p, то есть составляет утроенное число пар полюсов обмотки якоря.
Таким образом, по сравнению с прототипом предложенная индукторная машина способна работать и в генераторном режиме при полном обесточивании, при этом обе части 9 и 10 вала индукторной машины могут вращаться независимо друг от друга.
Этим достигается расширение области применения индукторной машины за счет возможности использования одной машины для привода двух разных механизмов, чем достигается экономия конструкционных материалов, упрощение кинематических схем и компактность электропривода в целом.