ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РЕДУКТОРНАЯ МАШИНА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
ELECTRIC REDUCING MACHINE WITH ELECTROMAGNETIC EXCITATION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям и электроприводам с электромагнитной редукцией частоты вращения и высокочастотным электрическим генераторам.
Известны конструкции синхронных машин с трехфазной обмоткой якоря и обмоткой возбуждения индуктора (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 928 с.). Якорь выполняется неявнополюсным, несущим трехфазную распределенную разноименнополюсную р-периодную обмотку, индуктор выполняется явнополюсным или неявнополюсным, несущим разноименнополюсную р-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. Применение в этих машинах распределенной обмотки якоря снижает их 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.
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, р - 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·(p-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 принятая за прототип 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 прототипа является сложность конструкции ротора, наличие двух статоров с соленоидом между ними, каждый статор имеет свою многофазную обмотку якоря, низкая ремонтопригодность при пробое какой-либо из обмоток из-за расположения всех обмоток (якоря и возбуждения) только на статоре, небольшой по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу.
Целью настоящего изобретения является создание достаточно простой, надежной в эксплуатации, технологичной и высокоремонтопригодной конструкции электрической машины с электромагнитным возбуждением с высокими энергетическими показателями при большом удельном вращающем моменте на валу и высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя и при большой удельной мощности и высокой электромагнитной редукции частоты ЭДС в режиме электрического генератора.
Существенным признаком, отличающим настоящее изобретение от прототипа, является наличие щеточно-контактного узла, позволяющего питать обмотку возбуждения электрической машины с электромагнитным возбуждением значительным постоянным (выпрямленным) электрическим током и, таким образом, повысить удельную мощность, а также плавно регулировать выходными параметрами электрической машины.
Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа полюсов якоря, общего числа зубцов якоря и числа зубцов индуктора при выполнении сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высоких эксплуатационных характеристик с возможностью регулирования выходными параметрами электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением. С этой целью статор содержит явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, m-фазную катушечную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем полюсе якоря, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор с сердечниками индуктора, количество которых не менее двух, длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, при наличии сердечников индуктора более двух длина сердечников, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше длины крайних сердечников, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления индуктора, между сердечниками индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде кольцеобразных катушек, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора. Возбуждение индуктора осуществляется при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) током через контактные кольца и щетки.
При применении электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется:
- 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 применении электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением в качестве двигателя постоянного тока 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.
Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной формы без постоянной составляющей.
Обмотка возбуждения индуктора электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением может подключаться через контактные кольца и щетки 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.
В настоящем изобретении индуктор является ротором, а якорь - статором. Возможны исполнения электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.
Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей:
фиг.1 - общий вид электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором с тремя сердечниками индуктора,
фиг.2 - общий вид электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внутренним якорем и внешним индуктором с двумя сердечниками индуктора,
фиг.3÷14 - примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений сердечников якоря и индуктора, схем соединения катушек обмоток якоря и включение обмоток якоря на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов (МДС).
1p
1s
1m
1
2
В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением число полюсов якоря Z, число элементарных зубцов на полюсе якоря Z=1, 2, 3, 4…, число фаз обмотки якоря m=3, 4, 5, 6…, число полюсов якоря в фазе Z=1, 2, 3, 4…, общее число зубцов якоря Z, число зубцов на каждом сердечнике индуктора Z связаны равенствами (1), (2), (3):
Катушки обмотки в фазе якоря должны быть соединены между собой таким образом (согласно или встречно), чтобы векторы наведенных в них ЭДС, геометрически складываясь, образовывали максимальную суммарную ЭДС фазы якоря электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением.
Кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора, если их число более одной, должны быть соединены между собой таким образом, чтобы при протекании по ним постоянного (выпрямленного) электрического тока зубцы нечетных сердечников индуктора образовывали полюса одной полярности, например южные полюса «S», а зубцы четных сердечников индуктора образовывали полюса другой полярности, например северные полюса «N».
ист.
На фиг.3÷14 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3) в виде поперечных сечений сердечника якоря и нечетных и четного сердечников индуктора электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением, схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря при включении обмоток якоря в двигательном режиме на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов (МДС). Соответствие фигур чертежей поперечных сечений сердечника якоря и нечетных и четного сердечников индуктора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице. Буква m в таблице обозначает количество фаз обмотки якоря электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением, а m - количество фаз источника напряжения. Положение нечетных и четного сердечников индуктора относительно сердечника якоря на фигуре в двигательном режиме соответствует моменту времени, при котором показано положение векторов токов на соответствующей фигуре схемы соединения катушек m-фазной обмотки якоря электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением (таблица).
На фиг.4 представлена схема соединений катушек 3-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.
На фиг.6 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря с подключением на 4-фазный источник напряжения и с подключением двух кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора через контактные кольца, щетки и 4-фазный диодный мост D1-D8 к обмотке якоря. Направление намотки кольцеобразных катушек обмотки возбуждения в аксиальном направлении одинаковое, начало н1 первой кольцеобразной катушки соединено с первым контактным кольцом, конец к1 первой кольцеобразной катушки соединен с концом к2 второй кольцеобразной катушки, начало н2 второй кольцеобразной катушки соединено со вторым контактным кольцом.
Таблица
Соответствие фигур чертежей поперечных сечений сердечника якоря, нечетных и четных сердечников индуктора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря
Фигура
m
Z<sub>1m</sub>
Z<sub>1p</sub>
Z<sub>1s</sub>
Z<sub>1</sub>
Z<sub>2</sub>
m<sub>ист.</sub>
чертежа поперечного сечения
схемы обмотки и диаграммы токов (МДС)
3
4
3
5
15
3
45
50
3
5
6
4
2
8
4
32
30
4
7
8
5
3
15
3
45
48
5
9
10
6
2
12
4
48
50
6
11
12
4
3
12
4
48
45
1 с фазосдвигающей емкостью
13
14
6
3
18
4
72
75
3
На фиг.8 представлена схема соединений катушек 5-фазной обмотки якоря с подключением на 5-фазный источник напряжения.
На фиг.10 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 6-фазный источник напряжения.
AN
CN
тр
CN
AN
На фиг.12 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря с подключением в однофазную сеть переменного тока промышленной частоты. Сдвиг фаз источника напряжения, необходимый для работоспособности машины, обеспечивается при помощи фазосдвигающего элемента, в данном случае при помощи емкости С. При этом w - это числа витков катушек обмотки якоря, подключенных непосредственно к фазе «А» и нулю, w - это числа витков катушек обмотки якоря, подключенных к фазе «А» и нулю через фазосдвигающую емкость С. Коэффициент трансформации обмоток фаз якоря лежит в пределах k=w/w=1÷2.
На фиг.14 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.
Z2
Рассмотрим конструкцию электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, фиг.3, фиг.5, фиг.7, фиг.9, фиг.11, фиг.13). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 1 якоря выполнен шихтованным из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в магнитопроводе 2, являющемся корпусом, выполненном из стали с высокой магнитной проницаемостью. На каждом явно выраженном полюсе 13 якоря выполнены элементарные зубцы 14. На полюсах 13 якоря размещена катушечная обмотка 3 якоря. Катушки обмотки 3 якоря выполняются из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины. Индуктор при помощи подшипников 4, вала 5 и подшипниковых щитов 6 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из магнитной или немагнитной стали. Если вал 5 немагнитный, то подшипниковые щиты 6 выполняются из стали или из немагнитного материала, например из сплавов алюминия. Если вал 5 магнитный, то подшипниковые щиты 6 выполняются из немагнитного материала, например из сплавов алюминия, для того, чтобы магнитный поток возбуждения не замыкался через магнитный вал 5, подшипники 4, подшипниковые щиты 6 и магнитопровод 2. На валу 5 закреплен магнитопровод 10 индуктора, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью. На магнитопроводе 10 индуктора напрессованы нечетные 7 и 9 и четный 8 сердечники индуктора. Длина двух крайних сердечников 7 и 9 индуктора в аксиальном направлении одинакова, длина находящегося между ними сердечника 8 индуктора в два раза больше длины крайних сердечников 7 и 9. Для электрических машин малой мощности при выполнении вала 5 магнитным возможно размещение сердечников индуктора непосредственно на валу. Магнитопровод 10 индуктора при этом не выполняется, так как его роль выполняет вал 5. Сердечники 7, 8 и 11 индуктора выполнены шихтованными из электротехнической стали и имеют одинаковое число на каждом сердечнике равномерно распределенных по окружности зубцов 15. С целью удешевления конструкции сердечники 7, 8 и 9 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. Четный 8 сердечник индуктора смещен относительно нечетных 7 и 9 сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину зубцового деления t индуктора. Между сердечниками индуктора расположены кольцеобразные катушки 11 и 12 обмотки возбуждения индуктора. Катушки 11 и 12 выполняются из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины и могут быть соединены между собой последовательно или параллельно. Концы обмотки возбуждения индуктора соединены с контактными кольцами 17, расположенными на изоляционной неэлектропроводной втулке 16, которая, в свою очередь, насажена на вал 5. К контактным кольцам 17 при помощи пружинного механизма плотно прижаты щетки 18 для электрической связи обмотки возбуждения индуктора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения.
В случае конструкции электрической редукторной машины с электромагнитным возбуждением с внутренним якорем и внешним индуктором (фиг.2) роль корпуса играет магнитопровод 10 индуктора. Концы обмотки возбуждения индуктора соединены со щетками 18, а контактные кольца 17 подключены к источнику постоянного (выпрямленного) напряжения.
Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением работает в двигательном и генераторном режимах.
2
1
2
1
2
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5, фиг.7, фиг.9, фиг.11, фиг.13). На обмотку возбуждения индуктора подают постоянное (выпрямленное) напряжение, по обмотке протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток, создавая постоянный магнитный поток индуктора, униполярно замыкающийся через сердечники индуктора 7, 8 и 9, который образует постоянную во времени МДС индуктора. При этом зубцы 15 нечетных сердечников 7 и 9 индуктора образуют полюса одной полярности, например южные полюса «S», а зубцы 15 четного сердечника 8 индуктора образуют полюса другой полярности, например северные полюса «N». На фазы обмотки 3 якоря подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменный магнитный поток якоря, который создает переменную во времени МДС якоря. На фиг.4, фиг.6, фиг.8, фиг.10, фиг.12, фиг.14 представлены векторные диаграммы токов 19 для соответствующих многофазных обмоток якоря, представленных на этих же фигурах. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени, и векторы токов 19 поворачиваются в осях координат ху против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 3 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер полюса 13 сердечника 1 якоря. Например, катушка В2 - катушка фазы В, расположенная на втором полюсе 13 сердечника 1 якоря. На фиг.4, фиг.6, фиг.8, фиг.10, фиг.12, фиг.14 обозначены направления токов в катушках в соответствии с проекцией векторов токов на ось у. При этом элементарные зубцы 14, расположенные на соответствующих полюсах 13 якоря, на которых сосредоточены катушки обмотки 3 якоря, образуют южные полюса «S» и северные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменной МДС якоря с постоянной МДС индуктора к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент, т.е. при изменении питающих напряжений, поданных на обмотку якоря с частотой f (Гц), ротор вращается с синхронной частотой вращения n=60·f/Z (об/мин). Направление вращения ротора на фигурах показано стрелкой с буквой «n». При Z<Z ротор вращается согласно с магнитным полем якоря, а при Z>Z ротор вращается против вращения магнитного поля якоря.
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5, фиг.7, фиг.9, фиг.11, фиг.13). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный протекающим по обмотке возбуждения постоянным (выпрямленным) электрическим током, пронизывая воздушный зазор и полюса 13 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в полюсах 13 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках обмотки 3 якоря переменную ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по обмотке 3 якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.
Фазы обмотки якоря могут быть соединены в звезду, а также в многоугольник. При выполнении ротора с числом сердечников индуктора более двух кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора могут быть соединены между собой последовательно, а также параллельно. При выполнении ротора с нечетным числом сердечников индуктора, начиная с пяти, кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора могут быть соединены между собой смешанно.