БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С АКСИАЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
NON-CONTACT ELECTRIC MACHINE WITH AXIAL EXCITATION

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и высокочастотным генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных синхронных электрических машин с аксиальным возбуждением и может быть использовано при широком диапазоне частот вращения вала машины (от единиц оборотов в минуту до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту) в системах автоматики, в автономных системах электрооборудования, в военной, космической технике, на авиационном и автомобильном транспорте, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, ветрогенераторов, многофазных синхронных электрических двигателей, многофазных высокочастотных синхронных электрических генераторов переменного тока и многофазных генераторов преобразователей частоты (включая трехфазные системы), а также при выпрямлении выходного переменного напряжения и тока генераторов при помощи полупроводниковых выпрямительных устройств и с возможностью применения сглаживающих фильтров для уменьшения пульсаций выходных параметров в качестве источников питания постоянным (выпрямленным) током.
Известны генераторы переменного тока с постоянными магнитами (В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Стр.23÷46.), имеющие магнитные системы с вращающимися и неподвижными магнитами. По конструктивному выполнению роторы машин с постоянными магнитами можно разделить на следующие группы:
- с цилиндрическим магнитом в виде кольца, намагниченным в радиальном направлении;
- типа «звездочка» с явно выраженными полюсами без полюсных башмаков и с полюсными башмаками;
- типа «звездочка» с призматическими магнитами и полюсными башмаками;
- коллекторные с призматическими магнитами и тангенциальным намагничиванием;
- когтеобразные с цилиндрическими постоянными магнитами, намагниченными в аксиальном направлении.
К магнитным системам с вращающимися магнитами относится также система торцевого типа. Магнитные системы бесконтактных генераторов с неподвижными постоянными магнитами выполняются следующих видов: с внешнезамкнутым магнитопроводом, индукторного и коммутаторного типов. Кроме этого, известны магнитные системы и конструкции генераторов переменного тока комбинированного возбуждения, в которых магнитный рабочий поток создается совместным действием постоянных магнитов и электромагнитных обмоток возбуждения при протекании по ним постоянного электрического тока. Недостатки указанных магнитных систем и конструкций генераторов переменного тока описаны на страницах 25, 26÷30, 33, 36, 40, 43, 44, 46 указанного источника.
1P
2P
1P
1P
2P
2P
1P
1P
2P
2P
Известен однофазный электрический генератор (Патент RU, 2392724 С1, МПК H02K 19/22, H02K 19/16, H02K 19/36, автор Чернухин В.М.), содержащий статор с шихтованным сердечником якоря с явно выраженными полюсами и катушечной однофазной обмоткой якоря, катушки которой размещены на соответствующих явно выраженных полюсах якоря по одной на каждом полюсе, катушки однофазной обмотки якоря соединены между собой согласно в магнитном отношении, и ротор с индуктором с нечетными и четными сердечниками с одинаковым числом явно выраженных полюсов на каждом сердечнике, сердечники индуктора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора, сердечники индуктора напрессованы на втулку, являющуюся магнитопроводом индуктора, выполненную из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и насаженную на немагнитный вал ротора, явно выраженные полюса якоря и явно выраженные полюса индуктора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, между сердечниками индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде охватывающих магнитопровод индуктора кольцеобразных катушек, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора, кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора при наличии их более одной соединяются между собой таким образом, чтобы при протекании по ним постоянного (выпрямленного) тока полюса нечетных сердечников индуктора, намагничиваясь, образовывали магнитные полюса одной полярности, а полюса четных сердечников индуктора, намагничиваясь, образовывали магнитные полюса другой полярности, электрическая связь обмотки возбуждения индуктора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения осуществляется через контактные кольца и щетки, число явно выраженных полюсов якоря определяется равенством: Z=2·k, число явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора определяется равенством: Z=k, где k=2, 3, 4, 5, … - целое положительное число, начиная с двух, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении определяется выражением b=(0,76÷1,0)·t, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении определяется выражением: b=(0,38÷0,5)·t, при этом t=360°/Z представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении, t=360°/Z представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении. Недостатком аналога является ограниченность применения, так как он может использоваться только в качестве необратимой электрической машины - генератора и генерировать только однофазный переменный электрический ток. Кроме этого, электрическая связь обмотки возбуждения индуктора описанного генератора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения осуществляется через контактные кольца и щетки, что снижает надежность генератора.
ст
p
Известна принятая за прототип бесконтактная индукторная вентильная электрическая машина с электромагнитным возбуждением (Патент RU, 2277284 С2, МПК H02K 19/10, H02K 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, притом 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.
Целью настоящего изобретения является создание конструкции многофазной бесконтактной электрической машины с аксиальным электромагнитным возбуждением, активная часть индуктора которой представлена в виде кольцеобразных катушек, расположенных на статоре, с высокими энергетическими показателями при широком диапазоне частот вращения вала (от единиц оборотов в минуту до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту).
Задачей настоящего изобретения является установление связи, необходимой для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей, между числом явно выраженных полюсов якоря, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе и числом полюсных выступов каждого магнитопровода ротора, а также разработка алгоритма построения схемы соединений m-фазной катушечной обмотки якоря и обмотки возбуждения индуктора бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение надежной и технологичной конструкции многофазной бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением с высокими энергетическими показателями и эксплуатационными характеристиками при широком диапазоне частот вращения вала и с различным соотношением активной длины и диаметра расточки статора машины.
Отличительной особенностью данного изобретения от большинства используемых электрических машин является конструктивное исполнение статора, на котором расположены сердечники якоря с явно выраженными полюсами и сосредоточенной на них многофазной катушечной обмоткой якоря и активная часть индуктора в виде кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора, и безобмоточного неактивного ротора, что позволяет выполнить машину бесконтактной и с возможностью работы при очень высоких частотах вращения вала и высоких электромагнитных нагрузках.
С целью достижения задачи и технического результата изобретения бесконтактная электрическая машина с аксиальным возбуждением содержит статор с нечетными и четными сердечниками якоря, выполненными шихтованными пакетами из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и закрепленными в магнитомягком корпусе, число сердечников якоря - не менее двух, каждый шихтованный пакет имеет одинаковое число равномерно распределенных по окружности явно выраженных полюсов якоря, четные сердечники якоря расположены относительно нечетных в аксиальном направлении без смещения в тангенциальном направлении, на явно выраженных полюсах якоря сосредоточена катушечная многофазная обмотка якоря, каждая катушка которой охватывает по одному из находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженному полюсу якоря каждого сердечника якоря, между сердечниками якоря расположены кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора, оси которых в аксиальном направлении совпадают с осью вала машины, соединенные между собой встречно в магнитном отношении, число кольцеобразных катушек обмотки возбуждения индуктора на одну меньше числа сердечников якоря, и безобмоточный ротор с немагнитным валом и насаженной на него магнитомягкой втулкой, на которой соосно расположены нечетные и четные с полюсными выступами магнитопроводы ротора, выполненные шихтованными пакетами из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число магнитопроводов ротора равно числу сердечников якоря, нечетные и четные магнитопроводы ротора позиционированы относительно соответствующих нечетных и четных сердечников якоря и имеют равную им активную длину в аксиальном направлении, активная длина крайних магнитопроводов ротора в аксиальном направлении одинакова, при наличии магнитопроводов ротора более двух активная длина магнитопроводов ротора в аксиальном направлении, находящихся между крайними магнитопроводами, в два раза больше активной длины крайних магнитопроводов ротора, четные магнитопроводы ротора смещены относительно нечетных магнитопроводов в тангенциальном направлении на половину полюсного деления магнитопровода ротора.
1P
1m
2P
В соответствии с настоящим изобретением для работоспособности бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу между числом явно выраженных полюсов якоря Z, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе Z и числом полюсных выступов каждого магнитопровода ротора Z установлена связь, которая выражается равенствами (1) и (2):
1m
1m
1P
1P
2P
2P
1P
2P
причем при m=3, 5, 7, 9, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z=1, 2, 3, 4, …, при m=4, 6, 8, 10, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z=2, 4, 6, 8, …, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении лежит в пределах b=(2/3÷1,0)·t, ширина полюсной дуги полюсных выступов каждого магнитопровода ротора в угловом измерении лежит в пределах b=(1/3÷1,2)·t, при этом t и t представляют собой полюсные деления якоря и каждого магнитопровода ротора соответственно.
1P
1m
Алгоритм построения схемы соединений обмотки якоря прост: катушки в фазе могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, либо смешанно, но в магнитном отношении при нечетном числе фаз должны быть соединены встречно, а при четном числе фаз - согласно по порядку, начиная с той катушки фазы, которой принадлежит начало фазы, начала фаз обмотки якоря при нечетном числе фаз могут принадлежать любым катушкам в соответствующей фазе, а при четном числе фаз - катушкам в соответствующих фазах, сосредоточенным на первых согласно нумерации полюсов Z/Z явно выраженных полюсах якоря, фазы обмотки якоря могут быть соединены между собой «в звезду» либо «в многоугольник». Кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора при наличии их более одной могут быть соединены между собой последовательно или параллельно, а при четном количестве, начиная с четырех, смешанно, но в любом случае должны быть соединены между собой встречно в магнитном отношении. Обмотка возбуждения индуктора может питаться постоянным (выпрямленным) электрическим током либо при подключении ее непосредственно к источнику постоянного напряжения либо при подключении ее через m-фазный диодный мост к выходным концам обмотки якоря (в режиме работы машины электрическим двигателем).
Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей:
фиг.1 - общий вид с продольным разрезом бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением с четырьмя кольцеобразными катушками обмотки возбуждения индуктора;
фиг.2 - поперечный разрез бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением;
фиг.3 - пример реализации схемы соединений катушек 3-фазной обмотки якоря, фазы которой соединены «в многоугольник», при этом обмотка возбуждения индуктора подключена непосредственно к источнику постоянного напряжения;
фиг.4 - пример реализации схемы соединений катушек 3-фазной обмотки якоря в режиме работы машины двигателем, при этом обмотка возбуждения индуктора подключена через m-фазный диодный мост к выходным концам обмотки якоря;
фиг.5 - пример реализации схемы соединений катушек 3-фазной обмотки якоря в режиме работы машины генератором при использовании ее в качестве источника питания постоянным (выпрямленным) электрическим током. В качестве сглаживающего фильтра на фигуре показан конденсатор. На фиг.2÷5 буквой и цифрой обозначены катушки многофазной обмотки якоря, расположенные на соответствующих явно выраженных полюсах якоря. Например, В3 - это катушка фазы «В», расположенная на третьем полюсе якоря. Нумерация полюсов осуществлена в направлении движения против часовой стрелки.
В настоящем изобретении возможны различные исполнения многофазной бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением:
- с внешним статором и внутренним ротором;
- с внутренним статором и внешним ротором.
Рассмотрим конструкцию исполнения многофазной бесконтактной электрической машины с аксиальным возбуждением с внешним статором и внутренним ротором (фиг.1, фиг.2). Перемагничиваемые с высокой частотой нечетные 11 и четные 2 сердечники якоря выполнены шихтованными пакетами из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и закреплены в магнитомягком металлическом корпусе 1. Материалом корпуса может служить, например, сталь с высокой магнитной проницаемостью либо чугун. Шихтованные пакеты сердечников якоря имеют явно выраженные полюса 3 якоря, на которых сосредоточена катушечная многофазная обмотка якоря. Каждая катушка 4 обмотки охватывает по одному из находящихся друг против друга в аксиальном направлении явно выраженному полюсу каждого сердечника якоря. Катушки 4 обмотки якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Между сердечниками якоря расположены кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора, оси которых в аксиальном направлении совпадают с осью вала 5. Кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Они наматываются на обмоточных станках на изоляционные неэлектропроводящие каркасы и вместе с ними устанавливаются между сердечниками якоря при сборке машины. Для создания постоянного магнитного потока индуктора, униполярно замыкающегося через рабочий воздушный зазор, кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора соединены между собой встречно в магнитном отношении. Ротор машины с целью недопущения «подшипниковых» токов, отрицательно влияющих на работу и срок службы подшипников 12, имеет немагнитный вал 5, выполненный, например, из немагнитной стали или из титана, на котором насажена магнитомягкая втулка 6, изготавливаемая из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из стали 10. На втулке 6 соосно расположены нечетные 7 и четные 8 с полюсными выступами 9 магнитопроводы ротора, выполненные шихтованными пакетами из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число магнитопроводов ротора равно числу сердечников якоря, нечетные 7 и четные 8 магнитопроводы ротора при помощи вала 5, подшипников 12 и подшипниковых щитов 13 позиционированы относительно соответствующих нечетных 11 и четных 2 сердечников якоря и имеют равную им активную длину в аксиальном направлении, активная длина крайних магнитопроводов ротора в аксиальном направлении одинакова, при наличии магнитопроводов ротора более двух активная длина магнитопроводов ротора в аксиальном направлении, находящихся между крайними магнитопроводами, в два раза больше активной длины крайних магнитопроводов ротора, четные 8 магнитопроводы ротора смещены относительно нечетных 7 магнитопроводов ротора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления магнитопровода ротора.
Бесконтактная электрическая машина с аксиальным возбуждением может работать в режиме неуправляемого и управляемого синхронного двигателя, в режиме управляемого шагового двигателя, в режиме управляемого двигателя постоянного тока с независимым или с последовательным возбуждением, а также в качестве синхронного m-фазного генератора переменного напряжения. Кроме того, при выпрямлении выходного переменного напряжения и электрического тока бесконтактной электрической машины в режиме ее работы генератором при помощи полупроводниковых выпрямительных устройств и с возможностью применения сглаживающих фильтров для уменьшения пульсаций выходных электрических параметров она может использоваться в качестве источника питания постоянным (выпрямленным) электрическим током. В этом случае выходные концы обмотки якоря подсоединяются к входу полупроводникового выпрямительного устройства (фиг.5).
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1÷4). При подаче на кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора постоянного напряжения от источника питания и под действием этого напряжения по катушкам 10 будет протекать постоянный электрический ток, создавая при этом постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным униполярным магнитным потоком, замыкающимся через магнитомягкий корпус 1 статора, ярма и явно выраженные полюса 3 нечетных 11 и четных 2 сердечников якоря, рабочий воздушный зазор, полюсные выступы 9 и ярма нечетных 7 и четных 8 магнитопроводов ротора и магнитомягкую втулку 6 ротора. При подаче на m-фазную обмотку якоря переменного напряжения от m-фазного источника питания и под действием этого напряжения по обмотке якоря будет протекать переменный электрический ток, создавая при этом переменное вращающееся магнитное поле якоря с переменной во времени МДС якоря и переменным во времени магнитным потоком якоря. 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 полюсное деление магнитопровода ротора. Следует отметить, что в данной конструкции ротор вращается в направлении, обратном направлению вращения магнитного поля якоря.
2P
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1÷3, фиг.5). При подаче на кольцеобразные катушки 10 обмотки возбуждения индуктора постоянного напряжения от источника питания и под действием этого напряжения по катушкам 10 будет протекать постоянный электрический ток, создавая при этом постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным униполярным магнитным потоком, замыкающимся через магнитомягкий корпус 1 статора, нечетные 11 и четные 2 сердечники якоря, рабочий воздушный зазор, нечетные 7 и четные 8 магнитопроводы ротора и магнитомягкую втулку 6 ротора. При вращении ротора сторонним источником момента магнитный поток индуктора будет сохранять свое направление в магнитомягком корпусе 1 статора и магнитомягкой втулке 6 ротора, пульсируя в явно выраженных полюсах 3 нечетных 11 и четных 2 сердечников якоря из-за полюсных выступов 9 нечетных 7 и четных 8 магнитопроводов ротора. Этот переменный (пульсирующий) магнитный поток будет наводить в катушках 4 обмотки якоря переменную во времени ЭДС. Следует отметить, что при наличии в фазе более одной катушки 4 величина наводимой в каждой катушке фазы обмотки якоря переменной ЭДС в любой момент времени будет одинакова, а переменная ЭДС фазы обмотки якоря будет равна алгебраической сумме индуктированных ЭДС в каждой катушке 4 фазы вследствие соединений катушек в фазе, исходя из алгоритма построения схемы соединений обмотки якоря. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то в многофазной обмотке якоря будет протекать переменный электрический ток, электрическая мощность будет отдаваться потребителю. Частота f (Гц) переменной ЭДС многофазной обмотки якоря связана с частотой вращения n (об/мин) ротора и определяется равенством: f=n·Z/60.