БЕСКОНТАКТНАЯ РЕДУКТОРНАЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
CONTACTLESS REDUCER ELECTROMAGNETIC MACHINE

Изобретение относится к электротехнике и касается конструктивного исполнения бесконтактных магнитоэлектрических машин с электромагнитной редукцией, предназначенных для использования в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, прямых приводов в бытовой технике (электромясорубки, электросоковыжималки, стиральные машины и пр.), электроприводов бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами вращения вала, а также в качестве высокочастотных электрических генераторов.
Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами (Патент RU 2303849 С1, МПК Н02К 21/18, H02K 21/14, автор Шкондин В.В.), содержащий, по крайней мере, одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора и количество полюсов в одном ряду n удовлетворяет соотношению n=10+4·k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Недостатками аналога являются сложность и значительная стоимость конструкции, определяемая большим числом постоянных магнитов, и невысокие энергетические показатели, обусловленные нерациональным использованием полезного объема машины.
0
0
Известна индукторная электрическая машина (Патент RU 2009599 С1, МПК 5 Н02К 19/06, Н02К 19/24, авторы: Жуловян В.В., Новокрещенов О.И., Шаншуров Г.А.), содержащая явнополюсный с числом полюсов Z зубчатый статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой размещена на одном полюсе статора, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор и преобразователь, к которому подключена обмотка статора, статор и ротор выполнены с четными и не равными друг другу числами зубцов и каждая фаза обмотки выполнена из р встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2·τ, где 2·τ=Z/p, р - число четное.
p
s
r
s
Наиболее близкой по технической сущности к настоящему изобретению (его прототипом) является синхронный редукторный двигатель (Патент RU 2054220 С1, МПК 6 Н02К 37/00, Н02К 19/06, авторы: Шевченко А.Ф., Калужский Д.Л.), содержащий ротор с Z зубцами и статор с 4·р полюсами (р=1, 2, 3, …,), на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы по Z зубцов на каждом полюсе, причем Z=4·p·(Z+К)±р (где К=0, 1, 2, … - целое число), в большие пазы между полюсами уложены катушки однофазной обмотки по одной на каждом полюсе, катушки, расположенные на одноименных полюсах с номерами, различающимися на 4, соединены последовательно "конец" с "началом" и образуют четыре ветви, "конец" первой ветви, образованной 1, 5, …, 1+4·(р-1) катушками, соединен с "началом" третьей ветви, образованной 3, 7, …, 3+4·(р-1) катушками, и точка соединения этих ветвей подключена к первому выводу обмотки, "конец" второй ветви, образованной 2, 6, …, 2+4·(р-1) катушками, соединен с "началом" четвертой ветви, образованной 4, 8, …, 4+4·(р-1) катушками, и точка соединения этих ветвей через последовательно включенный конденсатор также подключена к первому выводу, а ко второму выводу подключены два диода таким образом, что с анодом первого из них соединены первая и четвертая ветви, а с катодом второго диода - вторая и третья ветви.
Недостатком описанной индукторной электрической машины и синхронного редукторного двигателя являются невысокие энергетические показатели. Кроме того, указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.
Целью настоящего изобретения является создание достаточно простой, надежной и технологичной конструкции бесконтактной магнитоэлектрической машины с высокими энергетическими показателями при большом удельном вращающем моменте на валу и высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя и при большой удельной мощности и высокой электромагнитной редукции частоты ЭДС в режиме электрического генератора.
Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа полюсов якоря, общего числа зубцов якоря и числа зубцов индуктора при выполнении сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высоких эксплуатационных характеристик бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины. С этой целью статор содержит явно выраженные полюса, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, m-фазную катушечную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем полюсе якоря, безобмоточный ферромагнитный зубчатый ротор с двумя сердечниками индуктора, смещенными относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления индуктора, между сердечниками индуктора установлен тороидальный постоянный магнит, намагниченный в аксиальном направлении, для создания магнитного потока возбуждения. Для машин большой мощности возможно применение вместо одного цельного тороидального постоянного магнита ряда сегментарных постоянных магнитов, намагниченных в аксиальном направлении и собранных в виде тора.
При применении бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется:
- от источника трехфазного переменного напряжения,
- от источника однофазного переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,
- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,
- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,
- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.
При применении бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины в качестве двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.
Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной формы без постоянной составляющей.
В настоящем изобретении индуктор является ротором, а якорь - статором. Возможны исполнения бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с внутренним индуктором и внешним якорем,
фиг.2 - общий вид бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с электромагнитной редукцией с внешним индуктором и внутренним якорем,
фиг.3÷14 - примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений сердечников якоря и индуктора, схем соединения катушек обмоток якоря и включение обмоток якоря на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов (МДС).
1p
1s
1m
1
2
В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины число полюсов якоря Z, число элементарных зубцов на полюсе якоря Z=1, 2, 3, 4…, число фаз обмотки якоря m=3, 4, 5, 6…, число полюсов якоря в фазе Z=1, 2, 3, 4…, общее число зубцов якоря Z, число зубцов на каждом сердечнике индуктора Z связаны равенствами (1), (2), (3):
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 бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины.
ист
На фиг.3÷14 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3) в виде поперечных сечений сердечников якоря и индуктора бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины, схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря при включении обмоток якоря в двигательном режиме на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов (МДС). Соответствие фигур чертежей поперечных сечений сердечников якоря и индуктора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице. Буква m в таблице обозначает количество фаз обмотки якоря бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины, а m - количество фаз источника напряжения. Положение сердечников индуктора относительно сердечника якоря на фигуре в двигательном режиме соответствует моменту времени, при котором показано положение векторов токов на соответствующей фигуре схемы соединения катушек m-фазной обмотки якоря (таблица).
На фиг.4 представлена схема соединений катушек 3-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.
На фиг.6 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря с подключением на 4-фазный источник напряжения.
На фиг.8 представлена схема соединений катушек 5-фазной обмотки якоря с подключением на 5-фазный источник напряжения.
На фиг.10 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 6-фазный источник напряжения.
AN
CN
тр
CN
AN
На фиг.12 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря с подключением в однофазную сеть переменного тока промышленной частоты. Сдвиг фаз, необходимый для работоспособности машины, обеспечивается при помощи фазосдвигающего элемента, в данном случае при помощи емкости С. При этом w - это числа витков катушек обмотки якоря, подключенных непосредственно к фазе «А» и нулю, w - это числа витков катушек обмотки якоря, подключенных к фазе «A» и нулю через фазосдвигающую емкость С. Коэффициент трансформации обмоток фаз якоря лежит в пределах k=w/w=1-2.
На фиг.14 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.
Z2
Рассмотрим конструкцию бесконтактной редукторной магнитоэлектрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, 3, 5, 7, 9, 11 и 13). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 1 якоря выполнен шихтованным из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в корпусе 2, выполненном из стали с высокой магнитной проницаемостью. На каждом явно выраженном полюсе 13 якоря выполнены элементарные зубцы 14. На полюсах 13 якоря размещена катушечная обмотка 3 якоря. Катушки обмотки 3 якоря выполняются из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины. Индуктор при помощи подшипников 4, вала 5 и подшипниковых щитов 6 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из магнитной или немагнитной стали. Если вал магнитный, то на нем закреплена немагнитная втулка 7, толщина которой в радиальном направлении значительно превышает воздушный зазор между якорем и индуктором. Активная часть индуктора состоит из первого сердечника 8, первой магнитной втулки 9, постоянного магнита 10, второго сердечника 11 и второй магнитной втулки 12. Первый 8 и второй 11 сердечники, а также втулки 9 и 12 выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью. Сердечники 8 и 11 выполнены шихтованными из электротехнической стали и имеют равномерно распределенные по окружности зубцы 15. С целью удешевления конструкции сердечники 8 и 11 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. В этом случае они крепятся непосредственно к втулке 7, т.е. втулки 9 и 12 не устанавливаются. Постоянный магнит 10 выполнен в виде тора и намагничен в аксиальном направлении. Для машин малой мощности постоянный магнит выполняют цельным, для машин большой мощности - составным из сегментарных постоянных магнитов, намагниченных в аксиальном направлении и собранных в виде тора. Первый 8 и второй 11 шихтованные сердечники индуктора напрессовываются соответственно на магнитные втулки 9 и 12, а постоянный магнит 10 крепится к немагнитной втулке 7 между магнитными втулками 9 и 12. Если вал 5 выполнен из немагнитной стали (преимущественно для машин малой мощности), то магнитные втулки 9 и 12, а также постоянный магнит 10 крепятся непосредственно к валу 5. Первый 8 и второй 11 сердечники индуктора смещены относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления t индуктора. Таким образом, при показанной на фиг.1 намагниченности постоянного магнита 10 «S-N», зубцы первого сердечника 8 индуктора намагничены как южные полюса «S», а зубцы второго сердечника 11 индуктора намагничены как северные полюса «N». Магнитный поток индуктора, вызванный постоянным магнитом 10, проходит через вторую втулку 12, второй сердечник 11 индуктора, воздушный зазор между якорем и индуктором, полюса 13 и сердечник 1 якоря, магнитный корпус 2 в аксиальном направлении, сердечник 1 и полюса 13 якоря, воздушный зазор между якорем и индуктором и замыкается через первый сердечник 8 индуктора и первую втулку 9.
Немагнитная втулка 7 необходима в случае магнитного вала и служит для того, чтобы магнитный поток постоянного магнита 10 не замыкался через втулки 9 и 12 и вал 5, а также через вал 5, подшипники 4, подшипниковые щиты 6 и корпус 2.
В случае конструкции с внешним индуктором (фиг.2) роль корпуса играет немагнитная втулка 7.
Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина работает в двигательном и генераторном режимах.
2
1
2
1
2
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1). На фазы обмотки 3 якоря из внешней цепи - цепи питания подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменную во времени МДС якоря. На фиг.4, 6, 8, 10, 12 и 14 представлены векторные диаграммы токов 16 для соответствующих многофазных обмоток якоря, представленных на этих же фигурах. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени, и векторы токов 16 поворачиваются в осях координат ху против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 3 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер полюса 13 сердечника 1 якоря. Например, катушка В2 - катушка фазы В, расположенная на втором полюсе 13 сердечника 7 якоря. На фиг.4, 6, 8, 10, 12 и 14 обозначены направления токов в катушках в соответствии с проекцией векторов токов на ось у. При этом элементарные зубцы 14, расположенные на соответствующих полюсах 13 якоря, на которых сосредоточены катушки обмотки 3 якоря, образуют южные полюса «S» и северные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменной МДС якоря с постоянной МДС индуктора, созданной постоянным магнитом 10, 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/Z (об/мин). Направление вращения ротора на фигурах показано стрелкой с буквой «n». При Z<Z ротор вращается согласно с магнитным полем якоря, а при Z>Z ротор вращается против вращения магнитного поля якоря.
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n магнитный поток индуктора, пронизывая воздушный зазор и полюса 13 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в полюсах 13 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках обмотки 3 якоря переменную ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по обмотке 3 якоря протекает переменный ток, электрическая мощность отдается потребителю.
Фазы обмотки якоря могут быть соединены в звезду, а также в многоугольник.