БЕСКОНТАКТНАЯ РЕДУКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ЯВНОПОЛЮСНЫМ ЯКОРЕМ
NON-CONTACT ELECTRIC REDUCTION MACHINE WITH SALIENT-POLE ARMATURE

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных электрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в системах автоматики, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартеров-генераторов, электроусилителей руля, прямых приводов в бытовой технике (кухонные комбайны, электромясорубки, электросоковыжималки, стиральные машины и пр.), электроприводов большой и средней мощности судов, троллейбусов, трамваев метро, бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами его вращения, в качестве прямых приводов без применения механических редукторов, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, синхронных генераторов преобразователей частоты и в качестве управляемых шаговых двигателей.
0
0
Известна индукторная электрическая машина (патент RU 2009599 С1, МПК 5 Н02К 19/06, Н02К 19/24, авторы: Жуловян В.В.; Новокрещенов О.И.; Шаншуров Г.А.), содержащая явнополюсный с числом полюсов Z зубчатый статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой размещена на одном полюсе статора, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор и преобразователь, к которому подключена обмотка статора, статор и ротор выполнены с четными и не равными друг другу числами зубцов, и каждая фаза обмотки выполнена из р встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2·τ, где 2·τ=Z/p, при этом p - число четное.
p
S
r
S
Известен синхронный редукторный двигатель (патент RU 2054220 С1, МПК 6 Н02К 37/00, Н02К 19/06, авторы: Шевченко А.Ф.; Калужский Д.Л.), содержащий ротор с Z зубцами и статор с 4·р полюсами (р=1, 2, 3, …), на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы по Z зубцов на каждом полюсе, причем Z=4·p·(Z+К)±р (где К=0, 1, 2, … - целое число), в большие пазы между полюсами уложены катушки однофазной обмотки по одной на каждом полюсе, катушки, расположенные на одноименных полюсах с номерами, различающимися на 4, соединены последовательно «конец» с «началом» и образуют четыре ветви, «конец» первой ветви, образованной 1, 5, …, 1+4·(р-1) катушками, соединен с «началом» третьей ветви, образованной 3, 7, …, 3+4·(р-1) катушками, и точка соединения этих ветвей подключена к первому выводу обмотки, «конец» второй ветви, образованной 2, 6, …, 2+4·(р-1) катушками, соединен с «началом» четвертой ветви, образованной 4, 8, …, 4+4·(р-1) катушками, и точка соединения этих ветвей через последовательно включенный конденсатор также подключена к первому выводу, а ко второму выводу подключены два диода таким образом, что с анодом первого из них соединены первая и четвертая ветви, а с катодом второго диода - вторая и третья ветви.
Недостатком описанной индукторной электрической машины и синхронного редукторного двигателя являются невысокие энергетические показатели. Кроме этого указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.
Известна сверхпроводниковая вентильная индукторная машина (патент RU 2178942 С1, МПК 7 Н02К 55/00, Н02К 55/02, авторы: Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А.), содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический ротор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами, снабженная вторым статором с шихтованным сердечником, на полюсных выступах которого расположена многофазная катушечная обмотка, и вторым ротором, расположенным на одном валу с первым ротором, на валу между двумя роторами размещена цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала с «вмороженным» магнитным потоком, представляющая собой криомагнит, намагниченный в осевом направлении и обеспечивающий однополярность полюсных выступов первого и второго роторов, на статорах установлен соленоид, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку для «вмораживания» в нее магнитного потока, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом, а их многофазные катушечные обмотки снабжены коммутатором, обеспечивающим однополярность намагничивания полюсов каждого статора, разнополярность полюсов первого и второго статоров, совпадение направления магнитного потока в полюсах статоров с направлением магнитного потока вышеуказанной вставки, а также поочередность включения катушечных обмоток каждой фазы в заданной последовательности. Недостатком описанного технического устройства является сложность конструкции ротора, наличие двух статоров с соленоидом между ними, каждый статор имеет свою многофазную обмотку якоря, небольшой по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу.
ст
p
Известна принятая за прототип бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением (патент RU 2277284 С2, МПК Н02К 19/10, Н02К 29/00, авторы: Демьяненко А.В.; Жердев И.А.; Козаченко В.Ф.; Русаков A.M.; Остриров В.Н.), содержащая корпус с установленными в нем шихтованными из листов электротехнической стали пакетами статора, число которых кратно двум, с пазами в них для укладки фазных обмоток, фазные обмотки, уложенные в пазы пакетов статора так, что их витки в пазовых частях обмотки параллельны продольной оси машины и один виток охватывает все зубцы пакетов статора, находящиеся против друг друга, обмотку возбуждения с продольной осью, параллельной продольной оси машины, расположенную на статоре между пакетами статора, металлический немагнитный вал с втулкой из магнитомягкого металла на нем, на которой установлены зубчатые пакеты ротора, шихтованные из пластин магнитомягкой стали, число которых равно числу пакетов статора, две крышки с подшипниками, общее число фазных обмоток больше трех и их число кратно трем, причем каждые три фазные обмотки имеют свою независимую нулевую точку и между соседними фазами различных триад имеется угол фазового сдвига, при том что отношение числа зубцов статора Z к числу зубцов ротора Z выражается дробью, в которой число зубцов ротора является простым числом, начиная с пяти 5, 7, 11, 13, 17, … Недостатком прототипа является выполнение числа пакетов статора только кратным двум, фазных обмоток больше трех и только кратных трем, а числа зубцов ротора являются только простыми числами, начиная с пяти. Это снижает возможные конструктивные исполнения данного технического устройства и возможности его использования. Кроме того, прототип имеет меньший по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу.
Целью настоящего изобретения является создание конструкции бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем с большим удельным вращающим моментом на валу при использовании электромагнитной редукции частоты вращения в широких пределах в режиме электрического двигателя и с большой удельной мощностью при использовании электромагнитной редукции частоты ЭДС в широких пределах в режиме электрического генератора с возможностью работы при высоких электромагнитных нагрузках и в области высоких температур, обладающей высокой технологичностью выполнения обмоток якоря и возбуждения и высокой надежностью.
Задачей настоящего изобретения является установление связи между числом полюсов пакетов статора, числом фаз сосредоточенной на полюсах статора m-фазной катушечной обмотки якоря, общим числом зубцов каждого пакета статора и числом зубцов каждого пакета ротора, а также разработка алгоритма построения схемы соединений m-фазной катушечной обмотки якоря и расположенной между пакетами статора кольцеобразной обмотки возбуждения индуктора бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высокотехнологичных конструкций бесконтактных редукторных электрических машин с явнополюсными якорями с применением электромагнитной редукции в широких пределах при обеспечении высоких энергетических показателей и эксплуатационных характеристик с возможностью плавного и глубокого регулирования выходных параметров.
Z2
Z2
Z1
Z1
Z1
Z2
С целью достижения задачи и технического результата изобретения редукторная электрическая машина с явнополюсным якорем содержит корпус, выполненный из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющийся магнитопроводом статора, четные и нечетные пакеты статора и ротора, шихтованные из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, причем число пакетов статора не менее двух, число пакетов ротора равно числу пакетов статора, пакеты статора и ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, активная длина крайних пакетов статора и ротора в аксиальном направлении одинакова, при наличии пакетов статора и, соответственно, ротора более двух, активная длина пакетов статора и ротора в аксиальном направлении, находящихся между крайними пакетами, в два раза больше активной длины крайних пакетов, пакеты статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, число явно выраженных полюсов на каждом пакете статора одинаково, число элементарных зубцов на каждом явно выраженном полюсе пакета статора одинаково, пакеты статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, чтобы оси находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов всех четных и нечетных пакетов статора совпадали, пакеты ротора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы, число которых на каждом пакете ротора одинаково, четные пакеты ротора смещены относительно нечетных пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора, пакеты ротора насажены на втулку, выполненную из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющуюся магнитопроводом ротора, которая установлена на немагнитном валу, на явно выраженных полюсах пакетов статора сосредоточена катушечная m-фазная обмотка якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие (находящиеся друг против друга) явно выраженные полюса четных и нечетных пакетов статора по одному явно выраженному полюсу каждого пакета, между пакетами статора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде охватывающих магнитопровод ротора между четными и нечетными пакетами ротора кольцеобразных катушек с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины, число кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора на одну меньше числа пакетов статора, возбуждение индуктора осуществляется при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) током, зубцово-пазовая зона якоря выполнена «гребенчатой» распределенной, ширина коронок зубцов каждого пакета ротора определяется равенством b=k·t, ширина коронок элементарных зубцов, расположенных на явно выраженных полюсах пакетов статора, определяется равенством b=k·t, при этом t и t представляют собой зубцовые деления явно выраженных полюсов пакетов статора и пакетов ротора соответственно, коэффициент k=0,38÷0,5, и его значение выбирается в зависимости от формы переменного тока источника питания при работе машины в режиме электрического двигателя и от формы переменной ЭДС якоря при работе машины в режиме электрического генератора.
Обмотка возбуждения индуктора бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем может подключаться непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения или к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.
Бесконтактная редукторная электрическая машина с явнополюсным якорем может работать в режиме неуправляемой и управляемой синхронной машины, в режиме управляемого шагового двигателя и в режиме управляемого двигателя постоянного тока с независимым и последовательным возбуждением.
При применении бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря может осуществляться:
- от источника трехфазного переменного напряжения,
- от источника однофазного переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,
- 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. При этом обмотка возбуждения индуктора может подключаться непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения или к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.
При применении бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем в качестве шагового двигателя питание обмотки якоря осуществляется от источника питания, подающего на обмотку якоря импульсы напряжения по определенному алгоритму в определенный момент времени. При этом для удержания ротора в необходимом положении может быть применен механизм пофазного электромагнитного арретирования. В этом случае обмотка возбуждения индуктора подключается непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения.
При применении бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем в качестве двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. При этом обмотка возбуждения индуктора подключается непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения.
При применении бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем в качестве двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. При этом обмотка возбуждения индуктора подключается к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.
Бесконтактная редукторная электрическая машина с явнополюсным якорем может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной или трапециедальной формы без постоянной составляющей.
В настоящем изобретении явно выраженные полюса каждого пакета статора являются явно выраженными полюсами якоря, катушечная m-фазная обмотка якоря и обмотка возбуждения индуктора располагаются на статоре, а ферромагнитный зубчатый ротор выполнен безобмоточным. Возможны исполнения бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем с внешним статором и внутренним ротором, с внутренним статором и внешним ротором.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1-4 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов нечетных и четного пакетов статора и нечетных и четного пакетов активного ротора (по обмотке возбуждения индуктора протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток), схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря и векторных диаграмм токов, протекающих по обмоткам якоря,
фиг.5 - общий вид бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем с внешним статором и внутренним ротором.
1P
1
2
В соответствии с настоящим изобретением между числом явно выраженных полюсов каждого пакета статора Z, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, общим числом зубцов каждого пакета статора Z и числом зубцов каждого пакета ротора Z бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем установлена предельная связь, необходимая для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу, которая выражается равенствами (1), (2), (3):
1m
1S
Z1
1P
1S
Z2
2
где Z=1, 2, 3, 4, … - число явно выраженных полюсов каждого пакета статора в фазе, Z=1, 2, 3, 4, … - число зубцов на явно выраженном полюсе статора, К=0, 1, 2, 3, … - целое число, t=360°/(Z·(Z+К)) и t=360°/Z определяются в угловом измерении.
Катушки m-фазной обмотки якоря в фазе соединены между собой встречно в магнитном отношении. Начало фазы обмотки может принадлежать любой катушке в фазе. Фазы обмотки якоря могут быть соединены «в звезду», либо «в многоугольник».
На фиг.1-4 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3). На фиг.2 кроме этого показано подключение обмотки возбуждения индуктора через 5-фазный диодный мост к выходным концам фаз 5-фазной обмотки якоря. Соответствие чертежей поперечных разрезов пакетов статора и пакетов ротора и фигур схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице 1. Положение пакетов ротора относительно пакетов статора на фигуре в двигательном режиме, положение векторов токов на векторной диаграмме и направления токов, протекающих по катушкам обмотки якоря, на соответствующей фигуре схемы соединений катушек m-фазной обмотки якоря бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем показаны в один и тот же момент времени.
Таблица 1
Соответствие фигур чертежей поперечных разрезов пакетов статора и пакетов ротора и фигур схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря
Фигура
m
Z<sub>1m</sub>
Z<sub>1P</sub>
Z<sub>1S</sub>
K
Z<sub>1</sub>
Z<sub>2</sub>
чертежа поперечного разреза
схемы соединений катушек обмотки
1
2
5
2
10
3
2
30
48
3
4
6
2
12
3
1
36
46
Рассмотрим конструкцию бесконтактной редукторной электрической машины с явнополюсным якорем с внешним статором и внутренним ротором (фиг.1, 3, 5). Перемагничиваемые с высокой частотой нечетные 1 и 3 пакеты и четный 2 пакет статора выполнены шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и закреплены в магнитопроводе 4 статора, являющегося корпусом и выполненного из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью. Пакеты 1, 2, 3 статора содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности явно выраженные полюса 13 якоря, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы 14. Число явно выраженных полюсов 13 на каждом пакете статора одинаково, число элементарных зубцов 14 на каждом явно выраженном полюсе 13 пакетов статора одинаково. Пакеты 1, 2, 3 статора в тангенциальном направлении расположены таким образом, что оси их находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженных полюсов 13 совпадают. На явно выраженных полюсах 13 пакетов статора размещена катушечная m-фазная обмотка 12 якоря, каждая катушка которой в аксиальном направлении охватывает соответствующие явно выраженные полюса четного 2 и нечетных 1 и 3 пакетов статора по одному полюсу каждого пакета. Катушки m-фазной обмотки 12 якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Ротор при помощи подшипников 11, вала 5 и подшипниковых щитов 10 позиционирован относительно статора. Вал 5 выполнен немагнитным, например, из нержавеющей стали или титана. На валу 5 насажена втулка 6, выполненная из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющаяся магнитопроводом индуктора. На втулке 6 закреплены нечетные 7 и 9 и четный 8 пакеты ротора, которые позиционированы относительно нечетных 1 и 3 и четного 2 пакетов статора соответственно. Пакеты 7, 8 и 9 ротора выполнены шихтованными из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и содержат равномерно распределенные по цилиндрической поверхности зубцы 15, число которых на каждом пакете ротора одинаково. Четный 8 пакет ротора смещен относительно нечетных 7 и 9 пакетов ротора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления пакета ротора. С целью удешевления конструкции пакеты 7, 8 и 9 ротора могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. Между пакетами 1, 2 и 3 статора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде двух охватывающих втулку 6 между пакетами 7, 8 и 9 ротора кольцеобразных катушек 16 и 17 с продольной осью, совпадающей с продольной осью машины. Кольцеобразные катушки 16 и 17 выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины и могут быть соединены между собой последовательно или параллельно. Концы обмотки возбуждения индуктора соединяются с источником постоянного (выпрямленного) напряжения.
Бесконтактная редукторная электрическая машина с явнополюсным якорем работает в двигательном и генераторном режимах.
ху
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, 3, 5). На обмотку возбуждения индуктора подают постоянное (выпрямленное) напряжение, по обмотке протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток, создавая постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным магнитным потоком индуктора, униполярно замыкающимся через магнитопровод 6 ротора, пакеты 7, 8 и 9 ротора, воздушный зазор между ротором и статором, пакеты 1, 2 и 3 статора и магнитопровод 4 статора. Зубцы 15 нечетных пакетов 7 и 9 ротора намагничиваются и образуют полюса одной магнитной полярности, например южные полюса «S», а зубцы 15 четного пакета 8 ротора намагничиваются и образуют полюса другой магнитной полярности, например северные полюса «N». На фазы m-фазной обмотки 12 якоря подают переменное напряжение, по m-фазной обмотке 12 якоря протекает переменный электрический ток, создающий переменное вращающееся магнитное поле якоря. При этом образуется переменная во времени МДС якоря и переменный во времени магнитный поток якоря. На фиг.2 и 4 представлены векторные диаграммы электрических токов протекающих по соответствующим m-фазным обмоткам 12 якоря, схемы соединений которых представлены на этих же чертежах. Векторы токов во времени поворачиваются в осях координат  против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. В соответствии с этими проекциями на фиг.2 и фиг.4 обозначены направления токов в катушках m-фазных обмоток якоря. При этом элементарные зубцы 14, расположенные на соответствующих явно выраженных полюсах 13 пакетов статора, на которых расположены катушки m-фазной обмотки 12 якоря, образуют южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменного магнитного поля якоря с постоянным магнитным полем индуктора к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент. Согласно изобретению за один период изменения магнитного поля якоря ротор перемещается на одно зубцовое деление сердечника индуктора. Отсюда следует, что при изменении питающих m-фазных напряжений, поданных на m-фазную обмотку якоря с частотой f(Гц), ротор вращается с синхронной частотой  (об/мин). Этим и достигается глубокая электромагнитная редукция частоты вращения ротора, направление движения которого на чертежах показано стрелкой с буквой «n». Нетрудно заметить, что в данной конструкции ротор вращается против направления вращения магнитного поля якоря.
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, 3, 5). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный протекающим по обмотке возбуждения индуктора постоянным (выпрямленным) электрическим током, пронизывая воздушный зазор и явно выраженные полюса 13 пакетов статора то со стороны ротора, то со стороны статора, создает в явно выраженных полюсах 13 пакетов статора переменный магнитный поток, наводящий в катушках m-фазной обмотки 12 якоря переменную ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по m-фазной обмотке 12 якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.