Одноимённо-полюсная индукторная машина

Решение относится к области электрических машин и может быть использовано в индукторных двигателях и генераторах с одноименно-полюсным потоком возбуждения, замыкающимся в аксиально-радиальном направлении через внешнезамкнутый магнитопровод.
Известны одноименно-полюсные индукторные машины, содержащие двухпакетый статор с катушками обмотки якоря, обмоткой (катушкой) возбуждения, и зубчатый ротор, с замыканием потока возбуждения в аксиально-радиальном направлении через ротор и пакеты статора в противоположных направлениях (см. книгу Электрические машины, И.П. Копылов, М. Энергоатомиздат, 1986, 360 с., с. 289, рис. 4.96).
Недостатками известного решения являются сложность конструкции и увеличенный габарит в осевом направлении, вследствие удвоенного количества лобовых частей и наличия катушки, создающей поле возбуждения.
Известны одноименно-полюсные индукторные двигатели с постоянным магнитом, расположенным между двумя секциями зубчатого ротора, с замыканием потока возбуждения, созданного магнитом, в аксиально-радиальном направлении (Электричество, 2015, №2, с. 54-59 и Электротехника, 2018, №3). Недостатками известного двигателя являются ограниченные возможности регулирования характеристик вследствие неизменности потока возбуждения, созданного постоянным магнитом, и ограниченные возможности кратковременного повышения (форсирования) момента путем увеличения тока якоря выше номинальной величины, вследствие высокого магнитного сопротивления материала магнита.
Известна одноименно-полюсная индукторная машина, снабженная трехфазно-однофазной совмещенной обмоткой по авт. свид. СССР №1676007, М.кл. Н02 3/28, Б.И. №33, 1991 г. Она состоит из катушечных групп (катушек, при числе пазов на полюс и фазу q=1), соединенных в две параллельные трехфазные звезды с изолированными нулевыми точками, которые являются точками равного потенциала относительно напряжения на зажимах фаз. При питании зажимов фаз трехфазным напряжением она создает вращающееся магнитное поле якоря. При питании нулевых точек звезд постоянным напряжением, которое может быть подано одновременно с напряжением на фазных зажимах, она создает неподвижное униполярное поле возбуждения, которое замыкается вокруг лобовых частей через внешнезамкнутый магнитопровод.
Недостатками известного решения являются высокие потери на создание поля возбуждения, обусловленные повышенным активным сопротивлением вследствие увеличенной длины лобовых частей катушек с диаметральным шагом. Эти части являются наиболее нагретыми участками машины, теплосъем с них затруднен вследствие отсутствия примыкания к магнитопроводу, что ограничивает допустимую плотность тока в проводах, а значит и мощность машины с этой обмоткой. Кроме того, выполнение шага катушек диаметральным приводит к существенному росту вылета лобовых частей, а значит, к увеличению осевого габарита машины в целом.
Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является одноименно-полюсная индукторная машина, содержащая пакет статора, зубчатый ротор и внешнезамкнутый магнитопровод, предназначенный для замыкания потока возбуждения в аксиально-радиальном направлении, с многофазной обмоткой якоря и отдельной обмоткой (катушкой) возбуждения на статоре (Смирнов А.Ю. Индукторные машины. Проектирование и вычислительный анализ. Специальный курс - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2015, 192 с., с. 13, рис. 2.8, а). Катушка, необходимая для создания потока возбуждения, в этой машине усложняет ее конструкцию, увеличивает габариты и расход обмоточной меди.
Задача упрощение конструкции и снижение расхода обмоточной меди.
Технический результат достигается тем, что в одноименно-полюсной индукторной машине, содержащей пакет статора с многофазной обмоткой якоря из 2 mp равномерно распределенных одинаковых катушек, где m - число фаз, р - число пар полюсов, расположенных на явно выраженных полюсных выступах пакета, по одной катушке на каждом полюсном выступе, зубчатый ротор и внешнезамкнутый магнитопровод, предназначенный для замыкания потока возбуждения в аксиально-радиальном направлении, состоящий из корпуса статора, гладких ферромагнитных цилиндров на статоре и на роторе, расположенных по обе стороны пакета статора, и воздушного зазора между ними, катушки обмотки соединены в две параллельные m-фазные звезды, снабженные выводами нулевых точек, с согласным включением катушек в фазах каждой звезды при р≥2, с подключением к нулевой точке первой звезды начал катушек, а к нулевой точке второй звезды - концов катушек, причем первая фаза первой звезды образована катушками с номерами 2N-1+2mK, отсчитываемыми вдоль окружности пакета статора, начиная от катушки, произвольно принятой за первую, где N - номер фазы, К=0,1, …, (р-1), а фазы второй звезды образованы катушками с четными номерами. В одноименно-полюсной индукторной машине обмотка якоря выполнена трехфазной, причем первая фаза второй звезды образована катушками с номерами 4+6К, вторая фаза второй звезды образована катушками с номерами 6+6К, а третья фаза второй звезды образована катушками с номерами 2+6К. В одноименно-полюсной индукторной машине, обмотка якоря выполнена пятифазной, причем первая фаза второй звезды образована катушками с номерами 6+6К, вторая фаза второй звезды образована катушками с номерами 8+6К, третья фаза второй звезды образована катушками с номерами 10+6К, четвертая фаза второй звезды образована катушками с номерами 2+6К, а пятая фаза второй звезды образована катушками с номерами 4+6К.
Поставленная цель в одноименно-полюсной индукторной машине, содержащей пакет статора с многофазной обмоткой якоря из 2mp равномерно распределенных одинаковых катушек, где m - число фаз, р - число пар полюсов, расположенных на явно выраженных полюсных выступах пакета, по одной катушке на каждом полюсном выступе, зубчатый ротор и внешнезамкнутый магнитопровод, предназначенный для замыкания потока возбуждения в аксиально-радиальном направлении, состоящий из корпуса статора, гладких форромагнитных цилиндров на статоре и на роторе, расположенных по обе стороны пакета статора, и воздушного зазора между ними достигается тем, что катушки обмотки соединены в две параллельные m-фазные звезды, снабженные выводами нулевых точек, с согласным включением катушек в фазах каждой звезды при р≥2, с подключением к нулевой точке первой звезды начал катушек, а к нулевой точке второй звезды - концов катушек, причем первая фаза первой звезды образована катушками с номерами 2N-1+2mK, отсчитываемыми вдоль окружности пакета статора, начиная от катушки, произвольно принятой за первую, где N - номер фазы, K=0, 1, …, (р-1), а фазы второй звезды образованы катушками с четными номерами.
В варианте предлагаемой индукторной машины с трехфазной обмоткой первая фаза второй звезды образована катушками с номерами 4+6К, вторая фаза второй звезды образована катушками с номерами 6+6К, а третья фаза второй звезды образована катушками с номерами 2+6К.
В варианте предлагаемой индукторной машины с пятифазной обмоткой первая фаза второй звезды образована катушками с номерами 6+6К, вторая фаза второй звезды образована катушками с номерами 8+6К, третья фаза второй звезды образована катушками с номерами 10+6К, четвертая фаза второй звезды образована катушками с номерами 2+6К, а пятая фаза второй звезды образована катушками с номерами 4+6К.
Исходя из изложенной сущности изобретения, его отличительными признаками являются:
1) формирование фаз первой звезды, число которых может составлять две и более, катушками с номерами 2N-1+2mK, отсчитываемыми вдоль окружности пакета статора, начиная от катушки, произвольно принятой за первую, где N - номер фазы, К=0, 1, …, (р-1);
2) формирование фаз второй звезды катушками с четными номерами;
3) включение в варианте машины с трехфазной обмоткой в первую фазу второй звезды катушек с номерами 4+6К, во вторую фазу второй звезды катушек с номерами 6+6К, и в третью фазу второй звезды катушек с номерами 2+6К;
4) включение в варианте машины с пятифазной обмоткой в первая фазу второй звезды катушек с номерами 6+6К, во вторую фазу второй звезды катушек с номерами 8+6К, в третью фазу второй звезды катушек с номерами 10+6К, в четвертую фазу второй звезды катушек с номерами 2+6К, в пятую фазу второй звезды катушек с номерами 4+6К.
Первый и второй признаки обеспечивают формирование параллельных звезд с эквипотенциальными нулевыми точками, относительно любого напряжения, поданного на зажимы звезд при параллельном их включении.
Третий и четвертый признаки обеспечивают идентичность параллельно включаемых звезд обмотки относительно поданного на зажимы фаз напряжения, в трех- и пятифазном вариантах, соответственно.
По первым трем признакам известны трехфазно-однофазные совмещенные обмотки, состоящие из параллельно включенных звезд с выведенными нулевыми точками (Попов В.И. Трехфазно-однофазные обмотки для совмещенных электрических машин. Электричество, 1992, №4). Принцип распределения катушек по фазам звезд в этих обмотках аналогичен используемому в обмотке предлагаемой индукторной машины. Однако он отличается в части распределения катушек между лучами параллельных звезд. В упомянутых обмотках в каждую звезду включены катушки (катушечные группы), образующие все полюса обмотки. В предлагаемом же решении катушки, каждой фазы каждой звезды образуют по половине, через один, всех полюсов. Это отличие обеспечивает неизменность направления тока в лобовых частях, вдоль окружности занятого ими пространства. В машинах с указанными обмотками лобовые части не предназначены для создания потока возбуждения, а поле, замыкающееся вокруг них, является полем рассеяния.
Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".
На фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемой индукторной машины.
На фиг. 2 - поперечный разрез, проходящий через магнитопровод статора и ротора, в варианте с трехфазной обмоткой якоря.
На фиг. 3 - поперечный разрез в варианте индукторной машины с гребенчатыми зубцовыми зонами на статоре.
Устройство содержит: пакет статора 1, обмотка 2, стальной корпус 3, зубчатый магнитопровод ротора 4, вал 5, рабочий зазор 6, подшипники 7 и 8, подшипниковые щиты 9 и 10, стальные втулки 11 и 12, стальные втулки ротора 13 и 14, гладкие зазоры 15 и 16, катушки 17, гребенчатые зубцовые зоны на статоре 18.
На фиг. 4 - электрическая схема обмотки в трехфазном варианте, при числе пар полюсов, равным двум, р=2, с указанием направления тока лобовых частей при питании нулевых точек звезд.
На фиг. 5 - интегральная кривая распределения МДС вращающегося поля, создаваемого обмоткой фиг. 3.
На фиг. 6 - электрическая схема предлагаемой обмотки в варианте с минимальным числом фаз - двухфазном варианте.
На фиг. 7 - электрическая схема обмотки в многофазном (пятифазном) варианте с минимальным числом пар полюсов вращающегося поля, р=1.
Устройство содержит (фиг. 1 и фиг. 2) пакет статора 1 с явно выраженными полюсами, равномерно распределенными по окружности пакета, на которых расположена обмотка 2. Пакет статора 1 установлен внутри стального корпуса 3. Внутри пакета статора расположен ротор, состоящий из зубчатого магнитопровода ротора 4, закрепленного на валу 5. Совместно с полюсными выступами пакета статора 1 магнитопровод ротора 4 образует рабочий зазор 6. Ротор установлен в подшипниках 7 и 8 внутри подшипниковых щитов 9 и 10, и стальных втулок 11 и 12. Щиты и втулки являются частью внешнезамкнутого магнитопровода. Он образован также стальными втулками ротора 13 и 14, и гладкими зазорами 15 и 16.
Число зубцов Z на зубчатом магнитопроводе ротора 4 отличается от числа явно выраженных полюсных выступов N пакета 1 на число пар полюсов р, образованных обмоткой 2. Как правило, оно меньше числа полюсных выступов
Z=N-p,
но возможно и превышение числа зубцов ротора над числом полюсных выступов на число пар полюсов р.
Кроме того, возможны варианты предлагаемой индукторной машины с гребенчатыми зубцовыми зонами на статоре 18 (фиг. 3). В этом случае число зубцов Z на зубчатом магнитопроводе ротора 4 увеличивается пропорционально количеству зубцов, выполненных на гребенчатой зубцовой зоне 18 одного полюсного выступа пакета статора.
Обмотка 2 (фиг. 4, фиг. 6 и фиг .7) состоит из катушек 17, расположенных на явно выраженных полюсах магнитопровода. Количество полюсных выступов, а также катушек, N составляет 2mp, где m - число фаз, р - число пар полюсов, которое образует обмотка по окружности пакета статора. Первая фаза первой звезды образована катушками с номерами 2N-l+2mK, отсчитываемыми вдоль окружности пакета статора, начиная от катушки 19, произвольно принятой за первую, где N - номер фазы, К=0,1, …, (р-1) (и далее катушки 20-30), а фазы второй звезды образованы катушками с четными номерами.
В варианте машины с трехфазной четырехполюсной обмоткой (фиг. 4) общее число катушек составляет 2⋅3⋅2=12. Схема соединения катушек 17 такой обмотки представлена на фиг.4, где номерам катушек приписаны номера пазов, отсчитываемые вдоль окружности пакета статора, начиная от паза 19, произвольно принятого за первый, и далее 20-30. Катушки соединены в две параллельные звезды с согласным включением катушек в фазах каждой звезды. Звезды снабжены общими выводами одноименных фаз А, В, и С, и отдельными выводами нулевых точек звезд 01 и 02, изолированных друг от друга. Нулевая точка первой звезды 01 образована подключением к нулевой ней начал катушек ветвей фаз, а нулевая точка второй звезды 02 образована подключением к ней концов катушек ветвей фаз.
Индукторная машина работает следующим образом. При питании зажимов А, В, С трехфазным напряжением создается вращающееся 2р=4 полюсное поле. Интегральная кривая распределения МДС этого поля (фиг. 5), построена для момента времени, при котором ток фазы А равен удвоенному току фаз В и С, и противоположен им по направлению.
При питании нулевых точек 01 первой звезды и 02 второй звезды постоянным током вокруг лобовых частей катушек создается неподвижное поле неизменной полярности, поскольку ток во всех лобовых частях имеет одинаковое направление, показанное стрелками на фиг. 4. При этом ток лобовых частях катушек с каждой стороны пакета статора 1 образует окружность, создающую неподвижное поле возбуждения.
Поле, созданное токами левых (по фиг. 1) лобовых частей катушек, пересекает рабочий зазор 6, и замыкается в аксиально-радиальном направлении через пакет статора 1, корпус 3, левый торцевой магнитопровод 9, аксиальный магнитопровод статора 11, левый гладкий зазор 15, аксиальный магнитопровод ротора 13 и зубчатый пакет ротора 4.
Поле, созданное токами правых лобовых частей катушек, пересекает рабочий зазор 6, и замыкается в аксиально-радиальном направлении через пакет статора 1, корпус 3, правый торцевой магнитопровод 10, аксиальный магнитопровод статора 12, правый гладкий зазор 16, аксиальный магнитопровод ротора 14 и зубчатый пакет ротора 4.
В результате взаимодействия неподвижного поля возбуждения, созданного лобовыми частями обмотки при питании нулевых точек звезд 01 и 02, и вращающегося поля, созданного подключением зажимов фаз А, В, С к источнику трехфазного напряжения, индукторная машина развивает вращающий электромагнитный момент. Кривая распределения МДС этого поля, построенная для момента времени, при котором ток фазы А равен удвоенному току фаз В и С, и противоположен им по направлению, показана на фиг. 5.
Предлагаемая обмотка может быть использована в одноименно-полюсных индукторных двигателях для упрощения конструкции и уменьшения расхода обмоточной меди за счет исключения отдельной обмотки возбуждения и конструктивных элементов, обеспечивающих ее крепление внутри корпуса статора.
Минимальное число фаз вращающегося поля, при котором может быть создана предлагаемая машина, составляет две. В частности, при четырехполюсном вращающемся поле, 2р=4, ее обмотка содержит
2mp=2⋅2⋅2=8
равномерно распределенных одинаковых катушек, с включением в первую фазу двухлучевой звезды катушек с номерами 2N-l+2mK, отсчитываемыми вдоль окружности пакета статора, начиная от катушки 19, произвольно принятой за первую, где N - номер фазы, К=0,1, …, (р-1), а фазы второй звезды образованы катушками с четными номерами (фиг. 6). Двухфазное напряжение в схеме с такой обмоткой обеспечивается параллельным подключением конденсаторов к нулевым точкам и зажиму одной из фаз, например к зажиму фазы В.
Минимальное число пар полюсов многофазного вращающегося поля, на которое может быть изготовлена предлагаемая обмотка, составляет одну, р=1 (двухполюсная машина). В этом случае отсутствует признак согласного включения катушек в фазах каждой звезды, поскольку лучи звезд в таком варианте содержат только по одной катушке (фиг. 7, вариант с пятифазными звездами, создающими многофазное вращающееся поле). Фазы первой звезды (m=5) этой обмотки образованы катушками с номерами N+2mK=1, 3, 5, 7 и 9, а фазы второй звезды - катушками с номерами 6, 8, 10, 2 и 4, для фаз А, В, С, D и Е первой и второй звезд, соответственно, начиная от катушки 19, произвольно принятой за первую.
Предполагается использование предлагаемого устройства вместо индукторной машины с постоянным магнитом на роторе. Ее использование позволит обеспечить более широкие возможности регулирования момента двигателя путем изменения потока возбуждения и кратковременного форсирования тока выше номинальной величины.