МАШИНА АСИНХРОННАЯ ВРАЩАЮЩАЯСЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
ASYNCHRONOUS ROTATING MACHINE WITH PHASE ROTOR

Изобретение относится к области электротехники, машиностроения, электротранспорта и касается особенностей конструктивного исполнения энергоэффективных асинхронных машин вращающихся с фазным ротором.
Известны асинхронные машины вращающиеся с короткозамкнутым ротором и совмещенными обмотками (СО), отличающиеся повышенными надежностью, энергоэффективностью и другими улучшенными электромеханическими и эксплуатационными характеристиками [1-5] - аналоги. Недостатками аналогов являются: сложность регулирования скорости и момента на валу, особенно при малых частотах вращения; высокая кратность пускового тока; низкая кратность пускового момента.
Известна трехфазная асинхронная машина вращающаяся с фазным ротором, отличающаяся хорошими регулировочными свойствами, низкой кратностью пускового тока и высокой кратностью пускового момента. Обмотки трехфазной асинхронной машины вращающейся с фазным ротором выполнены из изолированного провода по стандартным технологиям [6] - прототип. Выводы фаз обмотки статора прототипа соединены в «звезду» или в «треугольник», концы фаз обмотки ротора соединены в «звезду», а начала подключены к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через токосъемные щетки и контактные кольца к обмотке ротора присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат.
Недостатками прототипа являются низкая надежность и необходимость обслуживания щеточного узла, вызванные искрением, пылеобразованием, износом щеток и др. Также недостатками прототипа являются относительно низкая эффективность машины, обусловленная диссипацией электрической энергии на реостате, а также применением т.н. классической обмотки статора, соединенной в «звезду» или «треугольник». К недостаткам прототипа следует отнести также сложность «реостатного» управления, высокие стоимостные и массогабаритные показатели такой системы управления.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
- повышение энергоэффективности машины с фазным ротором за счет применения СО статора;
- достижение высоких значений КПД в широких диапазонах нагрузки [7];
- повышение надежности машины с фазным ротором;
- упрощение управления машиной с фазным ротором;
- улучшение управления в диапазоне малых частот вращения ротора;
- уменьшение потерь на рассеяние энергии;
- уменьшение габаритов системы управления.
Указанный технический результат достигается тем, что машина асинхронная вращающаяся включает в себя статор с совмещенной обмоткой с параллельным соединением «звезды» и «треугольника», фазный ротор с интегрированным в него трехфазным широтно-импульсным регулятором (ШИР), питающимся от обмотки ротора, и не содержит в своей конструкции щеточного механизма, а управление ШИР осуществляется через вращающийся трансформатор/трансформаторы или оптическую развязку.
Существует вариант машины, в котором фазный ротор содержит дополнительную обмотку для обеспечения питания ШИР.
Также существует вариант машины, в котором питание ШИР происходит посредством вращающегося трансформатора, интегрированного в машину.
Техническая применимость и использование изобретения
Машина асинхронная вращающаяся с фазным ротором и совмещенной обмоткой статора может применяться в регулируемых приводах транспортных средств; приводах грузоподъемных механизмов - кранов, лифтов и др.; приводах, запускаемых под нагрузкой; приводах, требующих достижения высоких пусковых моментов и ограничения пусковых токов. Результаты компьютерного моделирования указывают на существенный потенциал возможностей достижения высоких пусковых моментов при использовании СО статора и фазного ротора, а также снижения кратности пусковых токов при использовании ШИР.
Фиг. 1 и фиг. 2 иллюстрируют результаты компьютерного моделирования характеристик асинхронной машины с СО статора и фазным ротором (далее -машины) мотор-колеса габарита 318 с батарейным питанием 48 В, предназначенного для привода транспортного средства.
На фиг. 1 представлены результаты компьютерного моделирования механических характеристик машины - вариант для «реостатного» управления при разных сопротивлениях реостата. Ось абсцисс - частота вращения ротора, об/мин, ось ординат - вращающий момент, Н⋅м. Результаты моделирования указывают на существенный потенциал возможностей повышения пускового момента (пересечения графиков с осью ординат), а также возможности достижения высоких значений максимального вращающего момента для таких машин.
На фиг. 2 представлены результаты компьютерного моделирования механических характеристик асинхронной машины с СО статора и фазным ротором и интегрированным в него ШИР при разных значениях длительности импульса широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Ось абсцисс - частота вращения ротора, об/мин, ось ординат - вращающий момент, Н⋅м. Упрощение процесса управления машиной достигается за счет использования ШИР при сохранении преимуществ как асинхронной машины с фазным ротором, так и СО статора.
Источники информации
1. Малошумный асинхронный двигатель [Текст]: пат.2507664 Рос.Федерация: МПК7 Η02K 3/28, Η02K 17/12 / Агриков Ю.М., Дуюнов Д.А., Блинов В.Л., Яковлев И.Н.; заявитель и патентообладатель ООО «АС и ПП». 2011151274/07. Заявл. 14.12.2011. Опубл. 20.02.2014. Бюл. №5.
2. Малошумный энергоэффективный электропривод [Текст]: пат.2568672 Рос.Федерация: МПК Н02K 17/14, Н02K 3/28 / Агриков Ю.М., Дуюнов Д.А., Дуюнов Е.Д., Блинов В.Л. Яковлев И.Н.; заявитель и патентообладатель ООО «АС и ПП». Заявл. 11.08.2014. Опубл. 20.11.2015. Бюл. №32.
3. Машина асинхронная вращающаяся [Текст]: пат.109934 Рос.Федерация: МПК Н02K 17/12, Н02K 3/12 / Агриков Ю.М., Дуюнов Д.А., Блинов В.Л., Иванов С.А., Яковлев И.Н.; заявитель и патентообладатель ООО «АС и ПП». Заявл. 23.05.2011. Опубл. 27.10.2011. Бюл. №30.
4. Высокомоментная асинхронная электромашина [Текст]: пат.132272 Рос.Федерация: МПК Н02K 17/16 / Агриков Ю.М., Дуюнов Д.А., Дуюнов Е.Д., Блинов В.Л., Яковлев И.Н., Иванов С.А.; заявитель и патентообладатель ООО «АС и ПП». Заявл. 16.04.2012. Опубл. 10.09.2013. Бюл. №25.
5. Малошумный асинхронный двигатель [Текст]: пат.150824 Рос.Федерация: МПК В06K 17/00 / Агриков Ю.М., Дуюнов Д.А., Блинов В.Л., Яковлев И.Н., Дуюнов Е.Д.; заявитель и патентообладатель ООО «АС и ПП». Заявл. 27.03.2014. Опубл. 27.02.2015. Бюл. №6.
6. Забудский, Е.И. Электрические машины. В 4-х частях: Учебное пособие для вузов [Текст]: Часть 2. Асинхронные машины / Е.И. Забудский - Москва: ООО «Мегаполис», 2017. - 304 с.
7. Дуюнов Е.Д., Дуюнов Д.А. Совмещенные обмотки электрических машин. Справочник. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2018. - 246 С.