НИЗКОСКОРОСТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С КОЛЬЦЕВЫМ СТАТОРОМ
LOW-SPEED ELECTRIC MACHINE WITH CIRCULAR STATOR

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в мощных приводах прокатных станов, шахтных подъемников и, в частности, в качестве генератора ветроэнергетической установки.
Известна дугостаторная асинхронная машина, которая получается преобразованием кругового статора обычной машины (предварительно его условно разомкнув) в дуговой статор возрастающего радиуса до получения определенного центрального угла дуги (см. Фридкин П.А. Безредукторный дугостаторный электропривод. М.: Энергия, 1970, с.10, 111).
Основным недостатком известной конструкции является то, что при наличии разомкнутого магнитопровода статора магнитная система является несимметричной и магнитное поле распределяется в зазоре вдоль индуктора неравномерно, чем обусловлено появление ряда краевых эффектов, оказывающих вредное влияние на показатели электрической машины.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является конструктивная схема бесконтактного двигателя постоянного тока с дисковым ротором, содержащим статор с радиальными пазами для укладки, обмотки якоря, тороидальную обмотку возбуждения и дисковый ротор, в которой статор выполнен из ряда отдельных магнитно не связанных ферромагнитных стержней П-образной формы, расположенных симметрично относительно ферромагнитных полюсов дискового ротора, основание которого выполнено из немагнитного материала и жестко соединено с валом, а концевые части радиально ориентированных стержней П-образной формы закреплены в немагнитных торцевых щитах статора (см. описание к патенту Украины №78249, H02K 29/06, МПК (2006), 2007 г., Бюл. №3).
Конструкция данной электрической машины выбрана прототипом.
Прототип и заявляемое изобретение имеют следующие общие признаки:
- статор с радиальными пазами, выполненный из отдельных магнитопроводов П-образной формы;
- дисковый ротор;
- тороидальная обмотка возбуждения.
Обеспечивая значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока классической конструкции (улучшение динамических характеристик, повышение удельных значений мощности и момента двигателя) в зоне высоких значений их скоростей вращения (750÷1500 об/мин), прототипу присущи недостатки низкоскоростных машин (25÷425 об/мин), которые связаны с резким уменьшением коэффициента полезного действия (КПД) из-за необходимости увеличения общей длины проводников обмотки якоря, соответственно увеличения активного сопротивления и потерь в обмотке якоря.
л
о
л
Кроме того, сдвиг при укладке секций обмотки якоря двух противолежащих модулей на полюсное деление обеспечивает полную компенсацию магнитодвижущих сил (МДС) токов лобовых частей и соответственно магнитного потока МДС лобовых частей Фна пути основного магнитного потока Ф в основном при малых и средних значениях мощности прототипа (до 100 кВт). При больших значениях мощности, т.е. при больших токах секций обмотки якоря, в зоне крайних зубцов каждого полюсного деления магнитопроводов якоря проявляется влияние потока Ф, аналогичное влиянию поперечной реакции якоря обычной машины постоянного тока, что обусловлено неполной компенсацией токов лобовых частей секций обмоток противолежащих модулей якоря в крайних сечениях каждого полюсного деления. Подобное влияние магнитного потока токов лобовых частей на основной магнитный поток прототипа ограничивает его перегрузочную способность, соответственно, уменьшает его быстродействие и ухудшает динамические характеристики двигателя.
В основу изобретения поставлена задача создать низкоскоростную электрическую машину, в которой статор в виде кольцевой структуры П-образной формы с обмоткой якоря и тороидальной обмоткой возбуждения вынесен на определенную расчетом величину среднего радиуса магнитопровода якоря, а дисковый ротор с двухсторонним расположением ферромагнитных полюсов конструктивно объединяется с валом радиально ориентированными стержнями-спицами. При этом обеспечивается значительное увеличение окружной скорости полюсов, следовательно, и электродвижущей силы (ЭДС) обмотки якоря и соответственно уменьшение сопротивления обмотки якоря, т.е. повышения коэффициента полезного действия (КПД) при малых значениях угловой частоты вращения ротора.
Обеспечивается и возможность модульного принципа построения электрической машины, т.е. последовательного чередования вдоль оси общего вала П-образных модулей статора (зубцовые зоны, секции обмотки якоря, тороидальная обмотка возбуждения и дисковый ротор - в каждом), что упрощает технологию изготовления низкоскоростных электрических машин большой мощности (свыше 100 кВт), повышает удельные значения мощности и момента.
Поставленная задача решена в конструкции низкоскоростной электрической машины постоянного тока, содержащей статор с радиальными пазами для укладки обмотки якоря, тороидальную обмотку возбуждения и дисковый ротор, тем, что статор в виде кольцевой структуры выполнен из ряда магнитно не связанных ферромагнитных магнитопроводов-зубцов П-образной формы, поперечные стержни каждого из которых установлены со сдвигом в полюсное деление относительно противолежащих зубцов, в промежутках-пазах между которыми уложены секции обмотки якоря, а дисковый ротор состоит из ферромагнитного кольца, на каждой из сторон которого установлен ряд ферромагнитных полюсов с промежутком в полюсное деление и со сдвигом одного ряда относительно другого также на величину полюсного деления, причем ферромагнитное кольцо конструктивно объединяется с валом радиально ориентированными стержнями-спицами, длина каждого из которых определяется расчетным значением среднего радиуса кольцевого статора, при этом как подшипниковые щиты электрической машины, так и немагнитные крепящие щиты кольцевого статора объединены торцевыми щитами секторного вида.
Причинно-следственную связь между совокупностью заявленных признаков и достижением технического результата можно объяснить следующим.
H
H
H
ср
стр
В заявляемой низкоскоростной электрической машине с кольцевым статором (ЭМКС) геометрические размеры основных конструктивных элементов определяются исходя из максимального значения коэффициента полезного действия и высокого быстродействия, т.е. обеспечения значительных перезагрузок по току в динамичных режимах. Увеличение по сравнению с прототипом среднего радиуса кольцевого магнитопровода якоря обеспечивает при малых значениях угловой скорости дискового ротора значительное повышение окружной (линейной) скорости полюсов относительно магнитопровода якоря, чем обеспечивается уменьшение длины проводников и активного сопротивления обмотки якоря (ОЯ), соответственно уменьшение потерь энергии в ЭМКС, повышение КПД. Предварительный расчет генератора для ветроэнергетической установки на базе прототипа с параметрами: P=100 кВт; ν=400 В; n=80 об/мин показал КПД η=0,65 при среднем радиусе магнитопровода якоря R=0,8 м. Для заявляемой электрической машины при одинаковых исходных параметрах при среднем радиусе R'=1,5 м КПД η'=0,91, что соответствует требованиям разработчиков ветроэнергетических установок (ВЭУ), т.к. при этом резко уменьшается момент и геометрические размеры ветроколеса ВЭУ. Выполнение ветрогенератора только с электромагнитным возбуждением, как в заявляемой конструкции ЭМКС, позволяет значительно расширить диапазон рабочих скоростей ВЭУ за счет зоны их низких значений, существенно ограничиваемых в варианте использования в ВЭУ генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением (постоянные магниты) так называемой "скоростью страгивания", обусловленной силами магнитного притяжения постоянных магнитов (V=3÷5 м/с), при номинальной скорости вращения существующих ветрогенераторов n=(300÷500) об/мин. Предлагаемая конструкция ЭМКС обеспечивает минимальные значения скорости вращения в пределах (25÷100) об/мин.
а
л
о
л
л
о
H
H
H
Обеспечение высокой перегрузочной способности по току и соответственно быстродействие в предлагаемой ЭМКС обеспечивается следующими способами. Для ограничения поперечной реакции якоря кольцевой статор выполняется из отдельных магнитно не связанных ферромагнитных магнитопроводов-зубцов П-образной формы, т.е. на пути магнитного потока Ф, созданного токами активных проводников обмотки якоря, расположен ряд воздушных промежутков-пазов, резко ограничивающих реакцию якоря ЭМКС. При этом магнитный поток Ф токов лобовых частей обмотки якоря полностью нейтрализуется использованием сдвига поперечных стержней П-образных магнитопроводов-зубцов на величину полюсного деления τ относительно противолежащих зубцов каждых из двух магнитопроводов якоря ЭМКС при симметричной укладке секций обмотки якоря на каждых двух противолежащих полюсных делениях. Соответствующее смещение направления основного магнитного потока Ф обеспечивается двухсторонним сдвигом ферромагнитных полюсов дискового ротора на величину τ относительно его общего кольцевого ферромагнитного ярма. При такой структуре построения конструктивной схемы предлагаемой ЭМКС в любом поперечном сечении П-образного магнитопровода якоря суммарная магнитодвижущая сила (МДС) токов лобовых частей обмотки якоря равна нулю. Соответственно равен нулю и магнитный поток токов лобовых частей (F=0, Ф=0), т.е. отсутствует его ограничивающее влияние на величину основного магнитного потока Ф, чем обеспечивается возможность значительной кратности перегрузки по току в заявляемом ЭМКС. Так, предварительный сравнительный анализ характерных данных ЭМКС и двигателя постоянного тока (ДПТ) классической конструкции типа МП4000-32У4 (для реверсивного прокатного стана) с параметрами: P=4000 кВт; ν=930 В, n=32 об/мин, КПД η=0,9 показал следующие значения (для одинаковых параметров):
3
2
- момент инерции ДПТ: j=60·10кгм;
3
2
- момент инерции ЭМКС (в режиме ДПТ): j=18,2·10кгм;
- масса ДПТ: m=150000 кг (150 т);
- масса ЭМКС: m'=50000 кг (50 т);
- основной технический показатель, характеризующий максимальную возможную производительность реверсивного прокатного стана:
- тот же показатель для ЭМКС:
т.е. использование заявляемой ЭМКС обеспечивает повышение производительности прокатного стана в 3,5 раза, что обусловлено уменьшением массы вращающихся частей двигателя и, соответственно, уменьшением электромеханической постоянной времени Tm=0,17 с для существующего ДПТ до T'm=0,056 с в варианте с ЭМКС.
В предлагаемой низкоскоростной электрической машине с кольцевым статором достаточно просто реализуется модульный принцип построения современных электрических машин, при котором в аксиальном направлении расположены модули П-образных кольцевых статоров, дисковые роторы которых объединены общим валом, причем структура крепящих стержней-спиц может быть одна на несколько модулей дисковых роторов. Подобная конструктивная схема ЭМКС обеспечивает повышение удельных показателей электрической машины, что особенно проявляется в зоне низких безредукторных скоростях вращения, при значительном уменьшении трудоемкости его изготовления в целом.
Электрическая машина с кольцевым статором представлена на чертежах, где:
фиг. 1 - конструктивная схема предлагаемой электрической машины;
фиг. 2 - электрическая машина сечение А-А;
фиг. 1 - электрическая машина, сечение Б-Б (представлена часть сечения);
фиг. 1 - электрическая машина, сечение В-В (представлена часть сечения);
фиг. 3 - электрическая машина, сечение Г-Г (представлена часть развертки сечения);
фиг. 4 - электрическая машина, сечение Д-Д (представлена часть развертки сечения);
фиг. 5 - модуль дискового ротора, аксонометрия-развертка.
Низкоскоростная электрическая машина с кольцевым статором содержит статор 1, состоящий из модулей якоря 2, 3 и дискового ротора 4. На внутренней поверхности статора 1 расположена тороидальная катушка обмотки возбуждения 5. (фиг 1÷5).
п
б
б
п
τ/2
ε
0
0
л
Торцевые щиты секторного вида 6, 7 статора 1 представляют собой немагнитные диски 8, 9, установленные неподвижно относительно вала 10 посредством подшипников 11, 12. С валом 10 радиально ориентированными стержнями-спицами 13 жестко сочленен модуль дискового ротора 14 (фиг. 5), состоящий из ферромагнитного кольца 15, на каждой из сторон которого установлен ряд ферромагнитных полюсов 16, 17. При этом полюс, например, 16 одного ряда установлен относительно полюса 17 другого ряда со сдвигом в полюсное деление τ. Ширина каждого полюса b=α-τ, где α - коэффициент полюсного перекрытия, а число полюсов в каждом ряду 16, 17 равно числу пар полюсных делений τ: n=n=p, где n - число полюсных делений модулей якоря 2, 3; p - число пар полюсов. Модули якоря 2, 3 содержат ферромагнитные магнитопроводы-зубцы 18, 19, образующие П-образные структуры посредством замыкающих поперечных стержней 20 (фиг. 3, 4). При этом поперечными стержнями 20 противолежащие зубцы 18, 19 сдвинуты вдоль образующего кольца каждого из модулей якоря 2, 3 на величину полюсного деления τ. Так, например, магнитный поток Ф, выходящий из зубцов модуля 19 (номер зубцов 1, 2, 3) проходят полюс 17, кольцо 15, полюс 16, зубцы модуля 18 (номер зубцов 4, 5, 6) и поперечные стержни 20 (фиг. 3, 4), обеспечивая сдвиг контура замыкания основного магнитного потока Ф двух противолежащих модулей якоря 2, 3 на величину полюсного деления τ. При этом секции обмотки якоря 21 модуля якоря 2 и секции обмотки якоря 22 модуля якоря 3 укладываются без сдвига в противолежащих промежутках-пазах (номера пазов 1÷6), образованных соответствующей установкой магнитопроводов-зубцов 18, 19, что и обеспечивает полную компенсацию магнитодвижущих сил токов лобовых частей обмотки якоря и соответственно полное отсутствие пульсирующего магнитного потока токов лобовых частей обмотки якоря Ф, наличие которого ограничивало перегрузочную способность прототипа.
В предлагаемой ЭМКС возможны два способа укладки секций обмотки якоря 21, 22: использование двухслойной обмотки для каждого из модулей якоря 2, 3; использование однослойной обмотки. При этом необходимо обеспечить противоположные направления токов секций обмотки якоря, лежащих на одном и том же полюсном делении модулей якоря 2, 3.
Питание замкнутой обмотки якоря, например, в режиме работы двигателя постоянного тока может быть полностью обеспечено по схеме полупроводникового коммутатора прототипа либо с использованием известного электромеханического коммутатора-коллектора.
Предлагаемая ЭМКС в режиме, например, двигателя постоянного тока работает следующим образом.
0
При подаче напряжения на тороидальную катушку обмотки возбуждения 5 (фиг. 1, 2) взаимодействия основного магнитного потока Ф и токов проводников секции 21, 22 модулей якоря 2, 3, находящихся в дынный момент в зоне полюсов 16, 17 дискового ротора 4, создается электромагнитный момент Мэм, под действием которого дисковый ротор 4 начинает вращение. Полупроводниковый либо электромеханический коммутатор обеспечивает переключение токов соответствующих секций таким образом, чтобы при вращении в одну сторону токи проводников, находящихся в это время против полюсов 16, 17, сохраняли неизменное направление. Регулирование частоты вращения и реверс двигателя осуществляется известными для классических машин способами.