ИНДУКТОРНАЯ МАШИНА
INDUCTOR MACHINE

Изобретение относится к области электромеханики, а более конкретно к устройству индукторных электрических машин, и может быть использовано в общем и особенно в специальном электромашиностроении, ориентированном на изготовление электрических машин для систем электроснабжения и электропривода автономных объектов.
Известны конструктивные исполнения индукторных машин (генераторов и электродвигателей), которые по совокупности существенных признаков их устройства близки к объекту данного изобретения (см., например, рис.1.18 на стр.41 в книге: Сугробова A.M., Русакова A.M. Проектирование электрических машин автономных объектов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012). Эти машины имеют статор в виде двух шихтованных пакетов, размещенных в стальном гладком по внутренней поверхности корпусе, так, что их зубцы располагаются друг против друга, рабочую обмотку, витки которой расположены в пазах, ограниченных по высоте спинками пакетов, два пакета ротора, установленных внутри расточек пакетов статора, и неподвижную обмотку возбуждения. Зубцы пакетов ротора в этих машинах располагаются так же, как и зубцы пакетов статора, друг против друга, а рабочая обмотка выполнена в виде отдельных катушек (секций), размещенных на каждом зубце пакетов статора.
Недостатком индукторных машин при таком их устройстве являются значительные потери в меди рабочих обмоток вследствие относительно большой общей длины проводников их лобовых частей, число которых вдвое превышает число зубцов обоих пакетов статора. Помимо этого в кривой напряжения этих машин содержатся все те гармоники, которые присутствуют в кривых изменения магнитных проводимостей на длине зубцового деления статора, что отрицательно сказывается на форме кривой напряжения генераторов и пульсациях электромагнитного момента при работе этих машин в двигательном режиме.
Существенным недостатком известных индукторных машин является также знакопеременное изменение магнитного потока в стальном корпусе над спинками пакетов статора и наличие переменной составляющей магнитного потока в средней его области, заключенной между этими пакетами. Все это приводит к появлению в массиве корпуса вихревых токов, обусловленных ими потерь, снижению КПД и увеличению времени переходных процессов.
Наиболее близкой по технической сущности к объекту изобретения является индукторная машина, выполненная по конструктивной схеме рис.1.25 в книге: Сугробова А.М., Русакова A.M. Проектирование электрических машин автономных объектов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012.
Эта индукторная машина содержит установленный в корпусе статор в виде двух шихтованных пакетов из магнитомягкого материала с зубцами на внутренней его поверхности, рабочую обмотку, витки которой расположены в пазах между зубцами, ограниченными по высоте спинками этих пакетов, два пакета ротора, установленные внутри расточек пакетов статора, и обмотку возбуждения.
Внутренняя поверхность корпуса машины и сопряженные с ней наружные поверхности пакетов статора (наружные поверхности спинок) выполнены гладкими.
Пакеты ротора установлены на валу таким образом, что их зубцы сдвинуты относительно друг друга на половину зубцового деления. Рабочая обмотка машины выполнена в виде отдельных катушек (секций), охватывающих расположенные друг против друга зубцы обоих пакетов статора. Размещение обмотки при сдвинутых на половину зубцового деления зубцах ротора обеспечивает минимальное содержание высших гармоник в кривой напряжения в генераторном и минимум пульсаций электромагнитного момента в двигательном режимах работы машины, позволяет к тому же снизить потери в этой обмотке за счет сокращения вдвое числа лобовых ее частей и уменьшения их сопротивления. Обмотка возбуждения в этой индукторной машине расположена между пакетами ротора, что позволяет существенно уменьшить потери в ней (за счет меньшей средней длины витка) и облегчить тепловой режим работы машины.
Серьезный недостаток машины-прототипа состоит в том, что при высоких частотах вращения и соответственно небольшом числе зубцов на роторе магнитное поле в корпусе характеризуется не менее значительным по сравнению с машинами, выполненными согласно рис.1.18, изменением магнитной индукции как в осевом (вдоль оси машины), так и в тангенциальном (вдоль окружности корпуса) направлениях. Эти изменения особенно заметны в индукторных машинах, выполненных для применения в автономных системах электроснабжения и электропривода, в которых для размещения электрических машин выделяется ограниченное по их диаметру пространство. В этом случае индукторные машины имеют небольшие по высоте спинку и диаметр корпуса и изменения магнитной индукции в них в функции угла поворота ротора столь значительны, что являются причиной повышенных потерь на вихревые токи в корпусе, значительного снижения КПД и недопустимого увеличения времени переходных процессов.
Особенно заметны отмеченные недостатки в индукторных машинах, корпуса которых изготовлены из магнитомягких материалов с относительно малым электрическим сопротивлением и, как следствие, с большими потерями на вихревые токи (к таким материалам относятся все традиционно используемые для изготовления статоров индукторных машин малоуглеродистые стали).
Недостатки индукторной машины-прототипа и аналогов заявляемой в качестве изобретения индукторной машины являются одной из основных причин того, что, обладая такими исключительно важными для применения в системах электроснабжения и электропривода автономных объектов и других областях техники качествами, как простота конструкции, бесконтактность, способность работать в самых тяжелых условиях эксплуатации и высокий уровень массогабаритных и энергетических показателей при высоких частотах вращения, они имеют ограниченное в них применение.
Технический результат изобретения заключается в уменьшении потерь в корпусе индукторных машин, повышении их КПД, уменьшении времени переходных процессов и устранении тем самым ограничений для их более широкого применения в автономных системах электроснабжения и электропривода и других областях техники.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной индукторной машине, содержащей установленный в магнитомягком корпусе статор в виде двух шихтованных пакетов из магнитомягкого материала с зубцами на внутренней их поверхности, рабочую обмотку, витки которой располагаются в пазах между зубцами, ограниченными по высоте спинками этих пакетов, два пакета ротора, установленные внутри расточек пакетов статора, и обмотку возбуждения, отличающаяся тем, что снабжена наружными зубцами, ориентированными вдоль оси машины, число которых равно числу зубцов на внутренней поверхности пакетов статора, и расположенными над участками спинок каждого пакета статора, при этом участки спинок под наружными зубцами расположены между внутренними зубцами пакетов статора, а в корпусе с внутренней его стороны выполнены пазы для размещения наружных зубцов пакетов статора.
Кроме того, в качестве магнитомягкого материала корпуса может быть использован магнитомягкий композиционный материал.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны продольный и поперечный разрезы двухпакетной индукторной машины с тремя зубцами на роторе и шестью зубцами на статоре (машины с так называемой классической зубцовой зоной), а на фиг.2 - вид сверху на развертку корпуса этой машины. Пунктирными линиями на этом чертеже показаны проекции на внешнюю поверхность наружных зубцов пакетов статора при трапецеидальной их форме и трапецеидальной форме пазов в корпусе. На фиг.3 показаны форма и расположение трапецеидальных пазов (они нанесены сплошными линиями) и ступенчато-прямоугольных пазов (прерывистые линии) на внутренней поверхности корпуса. На фиг.4 показано размещение на этой поверхности прямоугольных пазов.
Индукторная машина содержит установленный в цилиндрическом корпусе 1 статор в виде двух шихтованных пакетов 2 и 3 из магнитомягкого материала с зубцами 4 на внутренней его поверхности, рабочую обмотку 5, секции которой охватывают расположенные друг против друга зубцы 4 обоих пакетов статора 2 и 3 и располагаются в пазах между зубцами 4, ограниченными по высоте спинками 6 этих пакетов 2 и 3 (спинки выделены на фиг.1 пунктирными линиями), два пакета ротора 7 и 8, установленные внутри расточек пакетов 2 и 3 статора и сдвинутые относительно друг друга на половину зубцового деления и обмотку возбуждения 9, которая установлена между пакетами ротора 7 и 8. На наружной поверхности каждого пакета статора 2 и 3 над участками спинок 6, расположенных между внутренними зубцами 4 этих пакетов, выполнены ориентированные вдоль оси машины зубцы 10. Число этих зубцов равно числу зубцов статора на внутренней его поверхности. Для размещения наружных зубцов 10 пакетов статора в корпусе 1 выполнены пазы. Высота наружных зубцов статора 10 выполнена меньше высоты корпуса 1. Поперечное сечение этих зубцов и пазов для их размещения в корпусе 1 имеет трапецеидальную форму.
Предложенное техническое решение предполагает лишь выборку металла из целостного корпуса индукторных машин под пазы и заполнение этих пазов шихтованными по ходу силовых линий магнитного поля наружными зубцами пакетов статора, что не вызывает каких-либо изменений в работе этих машин ни в установившихся, ни в переходных процессах, а лишь приводит к уменьшению вихревых токов и потерь от них в объеме выбранного под пазы металла корпуса и потерь в других его участках за счет выравнивания в них магнитной индукции.
p
Изменение потокосцепления рабочих обмоток индукторной машины, выполненной в соответствии с фиг.1, происходит с периодом T=l/f=60/(Zn),
p
-1
где: f - частота тока; Z - число зубцов ротора; n - частота вращения ротора в мин.
z c max
z c max
При указанном на фиг.1 положении ротора магнитные потоки в зубцах статора 4, расположенных соосно с зубцами ротора, максимальны (равны Ф), а в смежных с ними зубцах, соосно расположенных с впадинами ротора, минимальны (равны Ф). Спустя половину периода картина распределения магнитных потоков по зубцам 4 статора меняется на противоположную. Зубцы 4, в которых магнитный поток имел максимальное значение, оказываются над впадинами, и магнитный поток в них уменьшается вследствие этого до минимального своего значения, а в смежных с ними зубцах, которые оказываются над зубцами ротора, магнитный поток достигает максимального значения. Спустя период, что соответствует повороту ротора на зубцовое деление, картина распределения магнитных потоков по зубцам 4 статора принимает свой первоначальный вид. Таким образом, магнитные потоки в зубцах статора изменяются между максимальным и минимальным их значениями с частотой
p
f=Zn/60
z c max
z c min
z c max
z c min
z c нар
Витки рабочей обмотки 5 охватывают два расположенных друг против друга зубца обоих пакетов 2 и 3 статора, поэтому их поперечное сечение пронизывается разностью потоков в этих зубцах. Поскольку эти потоки имеют противоположное направление, то результирующий поток, сцепленный с витками рабочей обмотки 5, изменяется между двумя крайними его значениями, равными Ф - Ф в и - (Ф - Ф). Периодическое изменение магнитных потоков, сцепленных с витками рабочей обмотки 5, вызывает появление в ней периодически изменяющейся с той же частотой ЭДС. С такой же частотой изменяется и тангенциальная составляющая магнитного потока в наружных зубцах 10 пакетов статора Ф.
Высота корпуса 1 над наружными зубцами пакетов 10 статора при реализации предлагаемого технического решения выбирается из условия сохранения необходимой механической прочности конструкции машины.
Наибольший эффект от реализации этого технического решения при трапецеидальной форме зубцов 10 на наружной поверхности статора достигается при выполнении пазов в корпусе сквозными (высота наружных пазов пакетов равна толщине корпуса). При этом через шихтованные наружные зубцы 10 пакетов статора в тангенциальном направлении (вдоль окружности от зубца с максимальным потоком к зубцу с минимальным потоком) проходит магнитный поток, равный
z c нар
z c max
z c min
Ф=0.25(Ф- Ф)
Форма поперечного сечения зубцов 10 на пакетах 2 и 3 статора и пазов под них в корпусе может быть выполнена не только трапецеидальной (она является оптимальной с точки зрения величины магнитодвижущей силы (МДС) обмотки возбуждения, затрачиваемой на проведение магнитного потока через корпус), но и прямоугольной (фиг.4), которая является более предпочтительной с точки зрения простоты и трудоемкости технологического процесса изготовления и сборки пакетов статора. Компромиссным вариантом является ступенчато-прямоугольная форма наружных зубцов пакетов статора и пазов в корпусе, объединяющая в себе достоинства трапецеидальной и прямоугольной их форм (контуры ступенчато-прямоугольных пазов в корпусе показаны на фиг.3 пунктирными линиями).
Для достижения максимального эффекта от реализации изобретения для изготовления пакетов статора желательно использовать высококачественные магнитомягкие материалы, такие, например, как широко используемые в авиационном электромашиностроении железо-кобальтовые сплавы 27КХ, 49КФ, а также другие материалы с высокими значениями магнитной проницаемости и индукции насыщения и малыми удельными потерями. Применение их позволяет добиться практически равномерного магнитного поля в тех областях корпуса, которые расположены над внутренними зубцами статора, и снизить уровень пульсаций осевой и тангенциальной составляющих магнитной индукции в средней, расположенной между пакетами статора области корпуса, что позволяет исключить появление в этой области корпуса вихревых токов и обусловленных ими потерь и избежать недопустимого увеличения времени переходных процессов.
Оптимального решения проблемы снижения потерь в корпусе можно добиться, если наряду с реализацией предложенного технического ее решения и соответствующего выбора материала для изготовления пакетов статора изготовить корпус из современных магнитомягких композиционных материалов типа Somaloy, обладающих в отличие от традиционно используемых для его изготовления малоуглеродистых сталей (сталей 10, 20 и других) большим электрическим сопротивлением и вследствие этого значительно меньшими потерями.
Использование изобретения обеспечивает уменьшение потерь в корпусе индукторных машин, повышение их КПД, уменьшение времени переходных процессов и устранение тем самым ограничений для их более широкого применения в автономных системах электроснабжения и электропривода и других областях техники.