МОДУЛЬНАЯ СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
MODULAR SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к низкооборотным высокомоментным синхронным электрическим двигателям, электроприводам и электрическим генераторам, касается конструктивного исполнения синхронных электрических машин с контактными кольцами любых мощностей - от десятых долей Вт до сотен кВт, и может быть использовано в системах автоматики, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, электрических генераторов, многофазных источников питания электрическим током.
Известны конструкции синхронных машин с трехфазной обмоткой якоря и обмоткой возбуждения индуктора (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. Стр. 490÷513). Якорь выполняется неявнополюсным, несущим трехфазную распределенную разноименно полюсную p-периодную обмотку, индуктор выполняется явнополюсным или неявнополюсным, несущим разноименно полюсную p-периодную обмотку возбуждения. Электрическая связь с источником питания осуществляется непосредственно и при помощи щеточно-контактного узла. Наибольшее распространение получили синхронные машины, у которых обмотка якоря подключается к нагрузке (в режиме генератора) или к источнику трехфазного напряжения (в режиме двигателя) непосредственно, а обмотка возбуждения индуктора соединена с контактными кольцами и подключается к постоянному источнику напряжения через скользящие контакты при помощи щеток. Синхронные машины малой мощности могут изготавливаться и в обращенном исполнении, когда электрический контакт с обмоткой возбуждения осуществляется непосредственно, а с обмоткой якоря - через щеточно-контактный узел. Недостатком этих электрических машин является сложность выполнения распределенной обмотки якоря, которая имеет меньшую надежность по сравнению с катушечной сосредоточенной обмоткой якоря. Кроме этого, синхронные машины данного класса в режиме двигателя имеют малые пусковые моменты, и для пуска их в ход применяют специальные меры.
S
R
R
S
S
Известен синхронный электродвигатель (А.С. СССР SU №1345291 А1, МПК Н02К 19/02, бюл. №38, 1987 г., автор А.Ф.Шевченко), содержащий статор с трехфазной обмоткой и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, статор выполнен с явно выраженными полюсами, причем числа полюсов статора Z и ротора Z выполнены в соотношении Z=Z±k, где Z=3·k, a k=1, 2, 3,…, катушки обмотки статора, принадлежащие одной фазе и расположенные на полюсах, сдвинутых на 360 эл.град., включены встречно. Недостатком описанного синхронного электродвигателя является наличие статора только с трехфазной обмоткой якоря, что уменьшает возможные применения данного устройства.
1
1m
2N
2S
1m
1m
Известна принятая за прототип электрическая машина с двухпакетным индуктором (варианты) (Патент RU, 2356154 C1, МПК Н02К 19/06, Н02К 19/20, авторы: Захаренко А.Б., Чернухин В.М.), содержащая якорь с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический двухпакетный индуктор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами, якорь выполнен однопакетным, обмотка якоря состоит из катушек, каждая из которых расположена на отдельном зубце, возбуждение осуществляется кольцеобразной обмоткой, расположенной между двумя сердечниками индуктора, зубцы первого и второго сердечников индуктора размещены друг относительно друга так, что ось каждого зубца первого сердечника совпадает с осью каждого паза второго сердечника индуктора, электрическая машина с двухпакетным индуктором состоит из модулей - «элементарных машин», число зубцов якоря Z=m·Z·c, число зубцов на любом сердечнике индуктора Z=Z=(m·Z±1)·c, где m=2, 3, 4, 5, 6… - число фаз обмотки якоря, Z=1, 2, 3, 4… - число зубцов якоря, приходящихся на один модуль, на которых расположены катушки обмотки фазы якоря, с=1, 2, 3, 4… - число модулей, электрическая связь между вращающейся обмоткой электрической машины с двухпакетным индуктором и внешней электрической цепью осуществляется посредством щеток и контактных колец. Недостатком описанной электрической машины является худшее использование ее полезного объема по сравнению с заявляемым изобретением.
Целью настоящего изобретения является улучшение энергетических показателей, увеличение удельного момента на валу электрической машины с контактными кольцами за счет лучшего использования ее полезного объема.
Наличие щеточно-контактного узла позволяет питать обмотку возбуждения индуктора значительным постоянным (выпрямленным) током и, тем самым, повысить электромагнитные и тепловые нагрузки, а также плавно управлять выходными параметрами синхронной электрической машины. Кроме этого, нет ограничений по выполнению указанных машин больших мощностей и с большими габаритами, а также по их сборке по сравнению с аналогичными магнитоэлектрическими машинами.
Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа явно выраженных полюсов якоря при выполнении сосредоточенной на них m-фазной катушечной обмотки якоря и числа явно выраженных полюсов индуктора при выполнении сосредоточенной на них катушечной обмотки возбуждения индуктора, питаемой через щеточно-контактный узел постоянным (выпрямленным) электрическим током модульной синхронной электрической машины.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение высоких энергетических показателей, большого удельного вращающего момента на валу в режиме электрического двигателя и большой удельной мощности в режиме электрического генератора модульной синхронной электрической машины.
С целью достижения задачи и технического результата изобретения синхронная электрическая машина состоит из модулей. Модуль представляет собой «элементарную машину» в составе синхронной электрической машины. Статор содержит шихтованный из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью сердечник якоря с явно выраженными полюсами и катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, ротор содержит шихтованный из листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью сердечник индуктора с явно выраженными полюсами и катушечной обмоткой возбуждения, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе индуктора по одной на полюсе, создающей при протекании по ней постоянного (выпрямленного) электрического тока магнитный поток возбуждения индуктора с образующейся в воздушном зазоре чередующейся полярностью «N-S» магнитных полюсов. Сердечник индуктора насажен на втулку или непосредственно на вал (при малых диаметрах ротора). Электрическая связь обмотки возбуждения с источником постоянного (выпрямленного) напряжения осуществляется через скользящий контакт при помощи щеточно-пружинного узла со щетками. С целью повышения технологичности обмоточных работ и увеличения коэффициента заполнения паза явно выраженные полюса индуктора могут выполняться отъемными и крепиться непосредственно к втулке или валу (при малых диаметрах вала). Кроме этого, ротор может быть выполнен с когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой возбуждения индуктора. Возможны исполнения модульной синхронной электрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.
В заявляемом изобретении модульная электрическая машина является синхронной машиной, так как частота вращения ее ротора строго пропорциональна частоте питающего напряжения и остается постоянной независимо от изменения механического момента нагрузки на валу (в режиме работы электрическим двигателем). Она может работать как электрическим двигателем (в неуправляемом, управляемом и вентильном режимах), так и электрическим генератором.
Обмотка возбуждения индуктора через контактные кольца и щетки может подключаться к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения, а также - к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря через m-фазный диодный мост.
При применении модульной синхронной электрической машины в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря электрическим током может осуществляться:
- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,
- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,
- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. Питание обмотки возбуждения индуктора электрическим током в этом случае может осуществляться непосредственно от источника постоянного (выпрямленного) напряжения, либо от выходных концов фаз m-фазной обмотки якоря через m-фазный диодный мост.
При применении модульной синхронной электрической машины в качестве электрического двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря электрическим током может осуществляться прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. В этом случае обмотка возбуждения индуктора подключена непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения и получает от него питание электрическим током. В случае применения модульной синхронной электрической машины в качестве электрического двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением обмотка возбуждения индуктора подключена к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря через m-фазный диодный мост и получает от нее питание выпрямленным электрическим током.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1, фиг.3 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов модульной синхронной электрической машины с активным ротором,
фиг.2, фиг.4 - примеры реализации изобретения в виде схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря при работе модульной синхронной электрической машины в режиме электрического двигателя и векторных диаграмм фазных токов якоря,
фиг.5 - общий вид модульной синхронной электрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором.
1P
1c
2P
В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу модульной синхронной электрической машины число явно выраженных полюсов якоря Z, число фаз m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6,…, число явно выраженных полюсов в фазе модуля якоря Z, число модулей с=1, 2, 3, 4,… и число явно выраженных полюсов индуктора Z связаны равенствами (1) и (2):
1c
1c
1c
причем при m=3, 5, 7, 9,… - число явно выраженных полюсов в фазе модуля якоря Z=1, при m=4, 6, 8, 10,… - число явно выраженных полюсов в фазе модуля якоря Z=2, катушки обмотки в фазе модуля якоря при Z=2 соединены между собой согласно в магнитном отношении, соответствующие катушки обмотки фазы якоря разных модулей соединены в магнитном отношении встречно, начала фаз обмотки якоря могут принадлежать катушкам, сосредоточенным на явно выраженных полюсах одного из модулей, либо соответствующим катушкам любого модуля, катушки обмотки якоря, принадлежащие одной фазе и одному или разным модулям, могут быть соединены между собой последовательно, параллельно или образовывать последовательно-параллельные электрические цепи, концы фаз модулей обмотки, либо концы фаз обмотки якоря при этом могут быть соединены между собой накоротко, либо концы одноименных фаз, но разных модулей, могут быть соединены между собой накоротко и подключены к входным концам m-фазного диодного моста.
Z
Z
1P
2P
Модуль M удобно обозначать в виде несократимой дроби M=Z/Z, показывающей соотношение числа явно выраженных полюсов якоря и числа явно выраженных полюсов индуктора в «элементарной машине».
Следует отметить, что направление вращения индуктора в режиме работы модульной синхронной электрической машины электрическим двигателем совпадает с направлением вращения кругового магнитного поля якоря, созданного многофазной системой переменных электрических токов, протекающих по обмотке якоря.
x
х
x
x
x
x
На фиг.1÷4 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с равенствами (1) и (2). Положение векторов фазных токов якоря на векторной диаграмме, направления электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря схемы соединений катушек 4-фазной обмотки якоря, показанные на фиг.2, и положение сердечника индуктора относительно сердечника якоря модульной синхронной электрической машины в двигательном режиме, показанное на фиг.1, соответствуют одному и тому же моменту времени. Положение векторов фазных токов якоря на векторной диаграмме, направления электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря схемы соединений катушек 3-фазной обмотки якоря, показанные на фиг.4, и положение сердечника индуктора относительно сердечника якоря модульной синхронной электрической машины в двигательном режиме, показанное на фиг.3, соответствуют одному и тому же моменту времени. На фиг.2 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря для 2-модульной электрической машины, у которой катушки одного модуля, принадлежащие одной фазе, включены между собой последовательно, а полученные таким образом последовательные электрические цепи разных модулей, принадлежащие одной фазе, включены между собой параллельно. На фиг.4 представлена схема соединений катушек 3-фазной обмотки якоря для 4-модульной электрической машины, у которой все катушки одной фазы, но разных модулей, включены между собой последовательно.
Рассмотрим конструкцию модульной синхронной электрической машины с внутренним индуктором и внешним якорем (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 2 якоря имеет явно выраженные полюса 3 и выполнен шихтованным из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Он запрессован в корпусе 1, который может быть выполнен из стали или из сплава алюминия. Возможен также и бескорпусный вариант. На каждом из явно выраженных полюсов 3 сердечника 2 якоря размещена катушка обмотки 4 якоря. Катушки обмотки 4 якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Они изолируются от ярма и явно выраженных полюсов 3 сердечника 2 якоря корпусной изоляцией. Индуктор при помощи подшипников 11, вала 5 и подшипниковых щитов 10 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из стали. Активная часть индуктора состоит из шихтованного из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью сердечника 7 с явно выраженными полюсами 8, насаженного на втулку 6, выполненную металлической. На явно выраженных полюсах 8 индуктора расположена катушечная обмотка 9 возбуждения индуктора, катушки которой, расположенные на соседних полюсах, соединены между собой согласно в магнитном отношении и выполнены из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. На валу 5 насажена изоляционная неэлектропроводная втулка с контактными кольцами 12, и присоединенными к ним выводными концами обмотки 9 возбуждения индуктора, электрическая связь которой с источником постоянного (выпрямленного) напряжения осуществляется через скользящий контакт при помощи щеточно-пружинного узла со щетками 13. С целью повышения технологичности выполнения обмоточных работ и повышения коэффициента заполнения паза явно выраженные полюса 8 индуктора могут быть выполнены отъемными из материала с высокой магнитной проницаемостью. В этом случае они крепятся непосредственно к втулке 6, выполненной из материала с высокой магнитной проницаемостью. При этом при малых диаметрах ротора вал 5 и втулка 6 могут представлять собой единую деталь, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью.
Модульная синхронная электрическая машина может работать в двигательном и генераторном режимах.
x
x
x
x
2P
2P
2P
2P
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1÷5). На фазы обмотки 4 якоря подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменную во времени МДС якоря. На фиг.2 показана векторная диаграмма фазных токов якоря и схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря для 2-модульной машины. На фиг.4 показана векторная диаграмма фазных токов якоря и схема соединений катушек 3-фазной обмотки якоря для 4-модульной машины. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени, и векторы токов на векторных диаграммах поворачиваются в осях координат ху против часовой стрелки. Направления электрических токов, показанные на схемах соединений катушек обмоток якоря, соответствуют моменту времени, когда фазные токи на векторных диаграммах проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 4 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер явно выраженного полюса 3 сердечника 2 якоря. Например, катушка А1 - катушка фазы А, расположенная на первом явно выраженном полюсе 3 сердечника 2 якоря. При протекании по катушкам обмотки 4 якоря переменного электрического тока явно выраженные полюса 3 якоря, намагничиваясь, образуют изменяющиеся во времени южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N» с переменной МДС якоря. При возбуждении явно выраженных полюсов 8 индуктора постоянным (выпрямленным) током, протекающим по обмотке возбуждения 9 индуктора через щетки 13 и контактные кольца 12 от источника постоянного (выпрямленного) напряжения и обратно к нему, в воздушном зазоре образуются неизменяющиеся во времени и с постоянной МДС южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N» индуктора с чередующейся полярностью. Вследствие взаимодействия переменной МДС якоря с постоянной МДС индуктора к ротору приложен однонаправленный вращающий момент. В соответствии с настоящим изобретением за один период изменения магнитного поля ротор поворачивается на два полюсных деления индуктора, т.е. на 2·t, где t=360°/Z. Вследствие этого, при изменении питающих напряжений, поданных на обмотку якоря с частотой ƒ (Гц), ротор перемещается с синхронной частотой вращения n=120·ƒ/Z (об/мин). Направление вращения ротора на фиг.1 и фиг.3 показано стрелкой с буквой «n».
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1÷5). На обмотку возбуждения 9 индуктора от источника питания подают постоянное (выпрямленное) напряжение. При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения 9 индуктора через контактные кольца 12 и щетки 13 от источника постоянного (выпрямленного) напряжения и обратно к нему, пронизывая воздушный зазор и явно выраженные полюса 3 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря создает в явно выраженных полюсах 3 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках обмотки 4 якоря переменную ЭДС. В катушках обмотки 4 якоря, принадлежащих одной фазе, в любой момент времени наводятся одинаковые по величине ЭДС, которые, суммируясь, образуют ЭДС этой фазы. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по обмотке 4 якоря протекает m-фазный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.