ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ДВУХПАКЕТНЫМ ИНДУКТОРОМ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRICAL MACHINE WITH DOUBLE-PACK INDUCTOR (VERSIONS)

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и высокочастотным электрическим генераторам.
S
R
R
S
S
Известен синхронный электродвигатель (А.с. СССР SU №1345291 А1, МПК Н02К 19/02, Бюл. №38, 1987 г., автор А.Ф.Шевченко), содержащий статор с трехфазной обмоткой и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, статор выполнен с явно выраженными полюсами, причем числа полюсов статора Z и ротора Z выполнены в соотношении Z=Z±k, где Z=3·k, a k=1, 2, 3, …, катушки обмотки статора, принадлежащие одной фазе и расположенные на полюсах, сдвинутых на 360 эл. град., включены встречно. Недостатком описанного устройства является сложность предложенной конструкции возбуждения. Кроме этого статор выполняется только с трехфазной обмоткой, что уменьшает возможные применения данного электродвигателя.
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 p-периодную обмотку, индуктор выполняется явнополюсным или неявнополюсным, несущим разноименнополюсную p-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 и сосредоточенной на полюсах индуктора катушечной обмотки возбуждения. Кроме этого синхронные машины данного класса в режиме двигателя имеют малые пусковые моменты, и для пуска их в ход применяют специальные меры, что усложняет конструкцию. А применение в этих машинах распределенной обмотки якоря снижает надежность по сравнению с катушечной сосредоточенной обмоткой якоря.
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.И., 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, каждый из которых имеет свою многофазную обмотку якоря, низкая ремонтопригодность при пробое какой-либо из обмоток из-за расположения всех обмоток (якоря и возбуждения) только на статоре.
Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции при оптимальном соотношении зубцов якоря и индуктора за счет применения одного пакета якоря и соответственно одной многофазной сосредоточенной катушечной обмотки якоря, за счет применения двухпакетного индуктора и обмотки возбуждения, выполненной в форме кольца, или постоянного магнита, аксиально намагниченного и выполненного в форме кольца, или группы составных постоянных магнитов, аксиально намагниченных в одном направлении и образующих фигуру в виде разрезного кольца, расположенных между пакетами индуктора, улучшение ремонтопригодности при пробое какой-либо из обмоток, так как они разнесены на вращающуюся и стационарную части машины, улучшение виброакустических показателей за счет применения только одного пакета якоря (по технологическим соображениям).
Кроме того, настоящее изобретение от прототипа отличается наличием щеточно-контактного узла, позволяющего питать вращающуюся часть электрической машины с двухпакетным индуктором значительным током и, таким образом, повысить удельную мощность, а также плавно регулировать выходными параметрами электрической машины.
Следует отметить, что в настоящем изобретении, как и в большинстве электрических машин, магнитный поток возбуждения создается обмоткой (вариант 1) или постоянным магнитом (группой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов) (вариант 2) индуктора, а обмотка якоря размещена на сердечнике якоря. Чаще всего индуктор является ротором, а якорь - статором. Однако для ряда применений возможно использование якоря в качестве ротора, а индуктора - в качестве статора, или якоря и индуктора - в качестве роторов, вращающихся друг относительно друга.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид электрической машины с двухпакетным индуктором (вариант 1), т.е. якорь с обмоткой расположен снаружи, индуктор с обмоткой возбуждения - внутри, обмотка якоря подключена непосредственно к m-фазному источнику переменного напряжения, обмотка возбуждения соединена непосредственно с контактными кольцами и через скользящие контакты при помощи щеток подключена к источнику постоянного напряжения, количество контактных колец равно двум, количество щеток, прилегающих к каждому контактному кольцу, соответствует, т.е. две, якорь с обмоткой и щетки - неподвижны, индуктор с обмоткой возбуждения и контактные кольца - вращаются;
фиг.2 - общий вид электрической машины с двухпакетным индуктором (вариант 1), т.е. якорь с обмоткой расположен внутри, индуктор с обмоткой возбуждения - снаружи, обмотка якоря подключена непосредственно к m-фазному источнику переменного напряжения, обмотка возбуждения соединена непосредственно со щетками и через скользящие контакты при помощи контактных колец подключена к источнику постоянного напряжения, количество контактных колец равно двум, количество щеток, прилегающих к каждому контактному кольцу,  - тоже две, якорь с обмоткой и контактные кольца - неподвижны, индуктор с обмоткой возбуждения и щетки - вращаются;
фиг.3 - общий вид электрической машины с двухпакетным индуктором (вариант 2), т.е. якорь с обмоткой якоря расположен внутри, индуктор с постоянным магнитом, аксиально намагниченным и выполненным в форме кольца, или группой составных постоянных магнитов, аксиально намагниченных в одном направлении и образующих фигуру в виде разрезного кольца, - снаружи, обмотка якоря соединена непосредственно с контактными кольцами и через скользящие контакты при помощи щеток подключена к m-фазному источнику переменного напряжения, количество контактных колец равно числу фаз m, количество щеток, прилегающих к каждому контактному кольцу, такое же, якорь с обмоткой и контактные кольца - вращаются, индуктор с постоянным магнитом, аксиально намагниченным и выполненным в форме кольца, или группой составных постоянных магнитов, аксиально намагниченных в одном направлении и образующих фигуру в виде разрезного кольца, и щетки - неподвижны;
фиг.4 - общий вид электрической машины с двухпакетным индуктором (вариант 1), т.е. якорь с обмоткой расположен внутри, индуктор с обмоткой возбуждения - снаружи, обмотка якоря соединена непосредственно с контактными кольцами и через скользящие контакты при помощи щеток подключена к m-фазному источнику переменного напряжения, количество контактных колец равно числу фаз m, количество щеток, прилегающих к каждому контактному кольцу, такое же, якорь с обмоткой и контактные кольца - вращаются, индуктор с обмоткой возбуждения и щетки - неподвижны;
фиг.5-16 - примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений, схем обмоток и диаграмм токов (МДС) - по любому из вариантов 1 и 2.
1
1m
2S
2N
В соответствии с настоящим изобретением число зубцов якоря Z, число фаз m=2, 3, 4, 5, 6…, число модулей с=1, 2, 3, 4…, число зубцов якоря, приходящихся на один модуль, Z=1, 2, 3, 4…, на которых расположены катушки обмотки фазы якоря, число зубцов первого сердечника индуктора Z и число зубцов второго сердечника индуктора Zэлектрической машины с двухпакетным индуктором связаны соотношениями (1) и (2):
Z
1m
1m
1
2N
Z
Модулем бесконтактной электрической машины с двухпакетным индуктором является соотношение зубцов якоря и зубцов одного пакета индуктора «элементарной машины» в составе электрической машины с двухпакетным индуктором, число модулей может быть не менее одного. Модуль определяется соотношением: M=m·Z/(m·Z±1). Обозначать модуль удобно следующим образом, например для фиг.13 при соотношении числа зубцов якоря и числа зубцов первого сердечника индуктора Z/Z=8/6, модуль М=4/3, число модулей с=2.
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 машины.
Катушки обмотки фазы якоря разных модулей могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, а при с=4, 6, 8, 10… - последовательно-параллельно, т.е. смешанно.
На фиг.5-16 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1) и (2) в виде поперечных сечений якоря и первого и второго сердечников индуктора электрической машины с двухпакетным индуктором и схем обмоток якоря. Соответствие фигур чертежей поперечных сечений и фигур схем обмоток якоря поясняется в таблице 1. Положение сердечников индуктора относительно сердечника якоря на фигуре соответствует моменту времени, при котором показано положение векторов токов на соответствующей фигуре схемы соединений обмотки якоря (таблица 1).
Таблица 1Соответствие фигур чертежей поперечных сечений якоря, первого и второго сердечников индуктора, а также фигур схем соединений обмоток якоря
Фигура
m
Z<sub>1m</sub>
с
Знак «+» или «-» в формуле (2)
Z1
Z<sub>2N</sub>=Z<sub>2S</sub>
Примечание
чертежа поперечн. сечения
схемы обмотки и диаграмма токов (МДС)
5
6
2
2
2
-
8
6
7
8
3
2
1
-
6
5
9
10
3
1
3
-
9
6
полузакрытый паз якоря
11
12
4
1
1
+
4
5
13
14
4
1
2
-
8
6
15
16
5
1
1
-
5
4
Рассмотрим конструкцию электрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором в соответствии с вариантом 1 настоящего изобретения (фиг.1). Сердечник 1 якоря, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, электрической машины размещен в магнитопроводе 2, также выполненном из материала с высокой магнитной проницаемостью. На каждом из зубцов якоря размещена катушечная обмотка 3 якоря. 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 на нем закреплен магнитопровод индуктора 7, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью. Если вал 5 магнитный, то между ним и магнитопроводом индуктора 7 устанавливается немагнитная втулка или применяются подшипниковые щиты 6 из немагнитного материала (например, из сплавов алюминия). Активная часть индуктора состоит из первого сердечника 8, второго сердечника 9, обмотки возбуждения 10, изоляционной неэлектропроводной втулки 11, контактных колец 12 и щеточно-пружинного узла 13. Первый 8 и второй 9 сердечники выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью. Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 7 якоря должен быть выполнен шихтованным из электротехнической стали. Сердечники 8 и 9 могут быть выполнены шихтованными из электротехнической стали. С целью удешевления конструкции сердечники 8 и 9 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. Обмотка возбуждения 10 выполнена в форме кольца. Первый 8 и второй 9 сердечники индуктора расположены друг относительно друга таким образом, что ось каждого зубца первого сердечника 8 совпадает с осью каждого паза второго сердечника 9 индуктора. Таким образом, для направления намотки обмотки возбуждения (фиг.1) и соответствующего ему направления тока зубцы первого сердечника 8 индуктора намагничены как южные «S» полюса, а зубцы второго сердечника 9 индуктора намагничены как северные «N» полюса. Магнитный поток индуктора, вызванный протекающим по обмотке возбуждения 10 постоянным электрическим током, проходит через магнитную втулку 7, второй сердечник 9 индуктора, воздушный зазор между якорем и индуктором, сердечник 1 якоря, магнитопровод 2 якоря в аксиальном направлении, сердечник 1 якоря, воздушный зазор между якорем и индуктором, первый сердечник 8 индуктора и замыкается в магнитной втулке 7.
В изобретении по варианту 2 (фиг.3) основной магнитный поток возбуждения создается постоянным магнитом 14, аксиально намагниченным и выполненным в форме кольца. Для магнитоэлектрических машин с большими диаметрами индукторов целесообразно применение группы составных постоянных магнитов, аксиально намагниченных в одном направлении и собранных в виде разрезного кольца (разрезного постоянного магнита в форме кольца) таким образом, чтобы с одной стороны индуктора образовывались только южные «S» полюса, а с другой стороны - только северные «N» полюса. Принцип работы электрической машины с двухпакетным индуктором по второму варианту идентичен принципу работы по первому варианту. Для того чтобы магнитный поток возбуждения, созданный постоянным магнитом 14 или группой постоянных магнитов, не замыкался сам на себя, втулка 15 выполняется из немагнитного материала.
2N
2S
2N
2S
Число пар полюсов р индуктора определяется р=Z=Z, где Z=Z - число зубцов на любом («северном» или «южном») сердечнике индуктора.
Электрическая машина с двухпакетным индуктором работает в двигательном и генераторном режимах. Питание обмотки якоря электрической машины в двигательном режиме осуществляется от источника переменного напряжения постоянной или регулируемой частоты, а также от источника постоянного напряжения посредством инвертора, включающего фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора с целью достижения максимального вращающего момента (режим вентильного двигателя). Питание обмотки индуктора осуществляется от источника постоянного напряжения.
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1). На фазы обмотки 3 якоря из внешней цепи - цепи питания непосредственно подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменную во времени МДС якоря. На фигурах 6, 8, 10, 12, 14, 16 представлены векторные диаграммы токов 16 для соответствующих многофазных обмоток, представленных на этих же фигурах. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени, и вектора токов 16 поворачиваются в осях координат ху. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 3 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер зубца сердечника 1 якоря. Например, катушка С3 - катушка фазы С, расположенная на третьем зубце сердечника 1 якоря. На фиг.6, 8, 10, 12, 14, 16 обозначены направления токов в катушках в соответствии с проекцией векторов токов на ось у. При этом зубцы якоря, на которых расположены катушки обмотки якоря, образуют южные полюса «S» и северные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменной МДС якоря с постоянной МДС индуктора, созданной протекающим по обмотке возбуждения постоянным током или постоянным магнитом 14 или группой постоянных магнитов, к ротору приложен 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/p (об/мин).
Техническим результатом настоящего изобретения является получение большого удельного вращающего момента при низких частотах вращения в двигательном режиме и больших удельных мощностей при высоких частотах в генераторном режиме, простота конструкции, высокая ремонтопригодность, улучшенные виброакустические показатели.
При работе в двигательном режиме при соответствующем выборе числа витков обмотки возбуждения (вариант 1), размеров постоянного магнита (вариант 2) и числа витков обмотки якоря электрическая машина с двухпакетным индуктором может являться синхронным компенсатором реактивной мощности. Питание обмотки якоря в двигательном режиме может осуществляться от источника переменного напряжения постоянной частоты, от источника переменного напряжения регулируемой частоты, а также от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1). При вращении возбужденного индуктора сторонним источником момента с частотой вращения n в направлении, указанном стрелкой, поток индуктора пересекает витки катушек обмотки 3 якоря, в которых наводится ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по обмотке якоря протекает ток, электрическая мощность отдается потребителю. Связь обмотки возбуждения индуктора с внешней цепью осуществляется посредством щеток и контактных колец.
Фазы обмотки якоря могут быть соединены в звезду, а также в многоугольник (при m>2). Катушки обмотки фазы якоря разных модулей могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, а при с=4, 6, 8, 10… - последовательно-параллельно, т.е. смешанно.