МОДУЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
MODULAR ELECTRIC MACHINE

Предлагаемое устройство относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения вентильных электрических машин. Оно может быть использовано как электрический двигатель, так и генератор.
Известен вентильный электродвигатель с самовозбуждением (Пат. RU 2237338 27.09.2004), содержащий статор, который состоит из закрепленных в корпусе ферромагнитных шихтованных полюсов, охваченных в радиальном направлении катушками фазной обмотки. Крайние полюса статора со стороны каждого торца двигателя объединены магнитопроводами для замыкания рабочего магнитного потока. Ротор двигателя выполнен в виде расположенных поперек оси вращения ряда дисков с установленными на них шихтованными ферромагнитными полюсами. С обеих сторон торцевых поверхностей полюсов ротора через воздушные зазоры размещены полюса статора. Количество дисков ротора определяется требуемой мощностью двигателя и его осевым габаритом. При работе двигателя на катушки каждой фазы поочередно подаются управляемые импульсы тока от автономного коммутатора, в результате чего образуется рабочий магнитный поток, который проходит через полюса ротора, статора, воздушные зазоры, и замыкается на магнитопроводах статора со стороны каждого торца двигателя. Недостатком этой конструкции является значительные радиальные силы на крайние полюса статора, ограничение в радиальном наращивании мощности, сложная технология изготовления статора.
Известна также магнитокоммутационная электрическая машина (см. Afonin A.A., Kramarz W., Cierzniewski P., Elektromechaniczne przetworniki energii z komutacja, elektroniczna. Szczecin Wydawnictwo Politechniki Szczecinskiej 2000), которая содержит электромагнитные модули в виде П-образных сердечников, смещенных по радиусу, закрепленных по окружности на неподвижных частях с обмотками возбуждения и якоря тороидального типа, ротор с ферромагнитными вставками, расположенными по окружности. Недостатком данной электрической машины является ограничение максимальной мощности, поскольку такая машина может быть только двухфазной.
Известна также модульная электрическая машина (Патент на полезную модель №105540), в которой каждый электромагнитный модуль содержит два П-образных сердечника, расположенных торцами друг к другу так, что ферромагнитные вставки на роторе, который установлен между сердечниками, совпадают в проекции с торцами каждой пары П-образных сердечников, обмотки возбуждения и якоря в электромагнитном модуле намотаны раздельно на каждом стержне П-образного сердечника. Электромагнитные модули закреплены по окружности без радиального смещения друг относительно друга, при этом якорные обмотки одной фазы, смещенные на полюсное деление, соединены последовательно согласно, а обмотки возбуждения этой фазы соединены последовательно встречно.
Указанная электрическая машина по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату может быть принята в качестве ближайшего аналога. Недостатком данного технического решения является то, что наличие обмоток возбуждения на каждом стержне П-образного сердечника, расположенного ближе к валу машины, приводит к необходимости увеличения расстояния между соседними электромагнитными модулями и, как следствие, к увеличению габаритов, усложнению конструкции и увеличению пульсации момента машины. Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, заключается в разработке конструкции машины, позволяющей сократить расстояния между прилегающими друг к другу соседними модулями.
Задача решается за счет того, что в устройство электрической машины внесены конструктивные изменения, а именно - обмотка возбуждения выполнена тороидальной, общей для всех электромагнитных модулей каждой неподвижной части статора, за счет чего стержни П-образных сердечников, находящихся ближе к валу машины, располагаются вплотную друг к другу, что приводит к максимальному сокращению расстояния между электромагнитными модулями.
Техническим результатом такого решения задачи является уменьшение габаритных размеров, упрощение конструкции машины и уменьшение пульсаций момента.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез многомодульной электрической машины, на фиг.2 представлен продольный разрез однопакетного электромагнитного модуля, на фиг.3 - размещение сердечников и обмоток на неподвижной части машины.
Модульная электрическая машина фиг.1 состоит из немагнитного статора 1, состоящего из нескольких неподвижных частей, на которых по окружности укрепляются ферромагнитные сердечники электромагнитных модулей 2 с тороидальными обмотками возбуждения 3 и якорными обмотками 4, ротора 5 из немагнитного материала, с укрепленными на нем ферромагнитными вставками 6. Количество пакетов ротора и статора выбирается в зависимости от мощности модульной электрической машины. При осевом расширении модульной электрической машины используются несколько неподвижных частей статора и несколько подвижных частей. Электромагнитный модуль в этом случае представляет собой набор сердечников. На наружных неподвижных частях - это П-образные сердечники трансформаторного типа, на внутренних неподвижных частях - это ферромагнитные сердечники дроссельного типа. Обмотки на внутренних неподвижных частях аналогичны обмоткам на внешних неподвижных частях. Набор сердечников с обмотками расположенными в одной плоскости вдоль оси машины соединены последовательно и образуют секцию фазной обмотки. Электромагнитные модули одной фазы смещены по окружности друг относительно друга на одно полюсное деление. При радиальном расширении машины электромагнитные модули размещаются в нескольких аналогичных радиальных слоях (Слой А, Слой В, фиг.1). Радиальные слои могут отличаться общим количеством модулей.
На фиг.2 представлена конструкция однопакетного электромагнитного модуля. Электромагнитный модуль в данной конструкции содержит два П-образных трансформаторных ферромагнитных сердечника 2, закрепленных на статоре машины вдоль радиуса, расположенных друг против друга так, чтобы воздушный зазор образуется между торцами этих сердечников. Тороидальная обмотка возбуждения 3 является общей для всех электромагнитных модулей. На горизонтальных стержнях П-образных сердечников, которые расположены дальше от валы машины, намотаны обмотки якоря 4. В зазоре между сердечниками находится подвижная часть - ротор, представляющая собой немагнитное основание 5 с ферромагнитными вставками 6. На фиг.3 представлено размещение П-образных сердечников 2 вплотную друг к другу близлежащими к центру машины стержнями, обмотки возбуждения 3 и обмоток якоря 4 на одной неподвижной части машины.
Работу модульной электрической машины рассмотрим для двигательного режима. В двигательном режиме при протекании постоянного тока по обмотке возбуждения направления потоков во всех электромагнитных модулях одинаково. Поэтому, когда ток в фазе якоря вызывает в ферромагнитном сердечнике поток, совпадающий с потоком возбуждения, ферромагнитные вставки ротора втягиваются между торцами сердечников электромагнитного модуля. Когда же ток в фазе якоря вызывает в ферромагнитном сердечнике поток, противоположного направления с потоком возбуждения, ферромагнитные вставки ротора выталкиваются из зазора между торцами сердечников электромагнитного модуля. Знакопеременный ток в якорных обмотках формируется инвертором с количеством фаз равным количеству фаз модульной вентильной электрической машины. Работа инвертора синхронизирована с сигналами от датчика положения ротора. При таком управлении суммарное магнитное поле якоря перемещается от сердечника к сердечнику по окружности, увлекая за собой ферромагнитные вставки ротора.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает упрощение конструкции машины, позволяет реализовать в одной конструкции различные варианты машин на ряд напряжений и токов, обеспечивает возможность секционирования обмоток якоря и повышение надежности. Такая конструкция позволяет наращивать мощность в радиальном и осевом направлениях, а также реализовать в одной конструкции 2-х фазную, 3-х фазную и m-фазную обмотки.