РЕДУКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОЛЮСНЫМ ЗУБЧАТЫМ ИНДУКТОРОМ
ELECTRIC REDUCER MACHINE WITH POLAR GEAR INDUCER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения синхронных электрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в прямых приводах, в системах автоматики, в качестве тяговых электрических двигателей, в механизмах с высокими моментами на валу и низкими частотами вращения вала, а также в качестве высокочастотных электрических генераторов и синхронных преобразователей частоты.
Известны конструкции синхронных машин с трехфазной обмоткой якоря и обмоткой возбуждения индуктора (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. Стр. 490÷513). 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. Применение в этих машинах распределенной обмотки якоря снижает их надежность по сравнению с катушечной сосредоточенной обмоткой якоря. Кроме этого, синхронные машины данного класса в режиме двигателя имеют малые пусковые моменты, и для пуска их в ход применяют специальные меры.
0
0
Известна индукторная электрическая машина (патент RU, 2009599 С1, МПК 5 H02K 19/06, H02K 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 p встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2·τ, где p - число четное, 2·τ=Z/p.
p
s
r
s
Известен синхронный редукторный двигатель (патент RU, 2054220 С1, МПК 6 H02K 37/00, H02K 19/06, авторы: Шевченко А.Ф.; Калужский Д.Л.), содержащий ротор с Z зубцами и статор с 4·p полюсами (р=1, 2, 3, …), на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы по Z зубцов на каждом полюсе, причем Z=4·p·(Z+K)±p (где K=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·(p-1) катушками, соединен с "началом" третьей ветви, образованной 3, 7, …, 3+4·(p-1) катушками, и точка соединения этих ветвей подключена к первому выводу обмотки, "конец" второй ветви, образованной 2, 6, …, 2+4·(p-1) катушками, соединен с "началом" четвертой ветви, образованной 4, 8, …, 4+4·(p-1) катушками и точка соединения этих ветвей через последовательно включенный конденсатор также подключена к первому выводу, а к 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 этого, указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.
Известен принятый за прототип синхронный электродвигатель (патент RU, 2059994 С1, МПК 6 H02K 19/12, автор: Шевченко А.Ф.), содержащий статор с явно выраженными полюсами, на которых расположена m-фазная обмотка, выполненная в виде катушек, расположенных в 2·m·k равных чередующихся зонах по одной катушке на полюс, где k=1, 2, 3, …, а в каждой фазной зоне размещены n катушек, где n=2, 3, 4, …, принадлежащих одной фазе, катушки в фазных зонах, расположенные на соседних полюсах, соединены встречно, катушки в фазных зонах, расположенные через 180°/k при n - нечетном, соединены согласно, при n - четном, соединены встречно, а числа полюсов статора и ротора отличаются на 2·k, и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов. Недостатком описанного синхронного электродвигателя является отличие числа полюсов статора и ротора только на 2·k, что уменьшает возможные применения данного устройства. Кроме того, прототип имеет меньший по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу.
Целью настоящего изобретения является создание новой, технологичной, надежной в эксплуатации, высокоремонтопригодной конструкции редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором.
Задачей настоящего изобретения является установление связи, необходимой для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей, между числом явно выраженных зубчатых полюсов якоря, числом явно выраженных зубчатых полюсов индуктора, общим числом зубцов якоря, общим числом зубцов индуктора, числом элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря и числом элементарных зубцов на явно выраженном зубчатом полюсе индуктора при выполнении сосредоточенной на явно выраженных полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря и индуктора с электромагнитным возбуждением, осуществляемым от источника постоянного (выпрямленного) напряжения через щетки и контактные кольца щеточно-контактного узла редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высоких энергетических показателей и большого удельного вращающего момента на валу при высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя и при большой удельной мощности и высокой электромагнитной редукции частоты ЭДС в режиме электрического генератора, а также высоких эксплуатационных характеристик редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором.
Отличительной особенностью данного изобретения от большинства используемых синхронных индукторных электрических машин с высокой электромагнитной редукцией является конструктивное исполнение активной части индуктора, так как он имеет полюсную систему, содержащую зубчатую структуру полюсов, на которых сосредоточена катушечная обмотка индуктора, питаемая постоянным (выпрямленным) электрическим током от источника питания через щетки и контактные кольца щеточно-контактного узла, т.е. полюса индуктора так же, как и полюса якоря, имеют элементарные зубцы на поверхности, обращенной к рабочему воздушному зазору.
С целью достижения задачи и технического результата изобретения статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, катушечную m-фазную обмотку якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем полюсе якоря по одной на полюсе, ротор содержит индуктор с симметрично расположенными по цилиндрической поверхности явно выраженными зубчатыми полюсами с одинаковым числом элементарных зубцов на каждом полюсе, на полюсах индуктора сосредоточена катушечная обмотка возбуждения индуктора, каждая катушка которой размещена на соответствующем полюсе индуктора по одной на полюсе, катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой согласно в магнитном отношении, и при протекании по ним постоянного (выпрямленного) электрического тока полюса индуктора образуют чередующуюся полярность магнитных полюсов, при этом все элементарные зубцы, расположенные на соответствующем полюсе индуктора, образуют в радиальном направлении в сторону воздушного зазора элементарные магнитные полюса с той же полярностью, что и соответствующий полюс индуктора. Электрическая связь обмотки возбуждения индуктора с источником напряжения осуществляется через щетки и контактные кольца щеточно-контактного узла.
При применении редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря может осуществляться:
- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,
- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,
- от однофазного источника переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,
- 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 редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором в качестве двигателя постоянного тока 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.
Обмотка возбуждения индуктора редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором может подключаться через контактные кольца и щетки к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения или к выходу m-фазного диодного моста, входные концы которого соединены с выходными концами фаз m-фазной обмотки якоря.
Редукторная электрическая машина с полюсным зубчатым индуктором может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидального напряжения.
1P
1m
1S
1
2P
2S
2
В соответствии с настоящим изобретением для работоспособности редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу между числом явно выраженных зубчатых полюсов якоря Z, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, числом явно выраженных зубчатых полюсов якоря в фазе Z, числом элементарных зубцов на явно выраженном зубчатом полюсе якоря Z, общим числом зубцов якоря Z, числом явно выраженных зубчатых полюсов индуктора Z, числом элементарных зубцов на явно выраженном зубчатом полюсе индуктора Z, общим числом зубцов индуктора Z установлена связь, которая выражается равенствами (1), (2), (3), (4), (5):
1S
1S
Z2
Z2
Z2
Z2
2
1m
Z1
Z1
Z1
Z1
1
причем число элементарных зубцов на явно выраженном зубчатом полюсе якоря равно четному натуральному числу, т.е. Z=2, 4, 6, 8, …, при m - нечетном, т.е. при m=3, 5, 7, 9, …, число элементарных зубцов на явно выраженном зубчатом полюсе якоря равно натуральному числу, т.е. Z=1, 2, 3, 4, …, при m - четном, т.е. при m=4, 6, 8, 10, …, ширина коронок элементарных зубцов явно выраженных зубчатых полюсов индуктора определяется выражением b≤0,5·t, где t представляет собой зубцовое деление явно выраженного зубчатого полюса индуктора в угловом измерении и определяется равенством t=360°/(Z+Z), ширина коронок элементарных зубцов явно выраженных зубчатых полюсов якоря определяется выражением b≤0,5·t, где t представляет собой зубцовое деление явно выраженного зубчатого полюса якоря в угловом измерении и определяется равенством t=360/Z.
Согласно изобретению за один период изменения магнитного поля якоря ротор перемещается в угловом измерении на одно зубцовое деление зубчатого полюса индуктора. Этим и достигается большая электромагнитная редукция.
Алгоритм построения схемы соединений обмотки якоря прост: катушки в фазе могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, либо смешанно, но в магнитном отношении должны быть соединены встречно по порядку, начиная с той катушки фазы, которой принадлежит начало фазы, начала фаз обмотки якоря могут принадлежать любым катушкам в соответствующей фазе, фазы обмотки якоря могут быть соединены между собой «в звезду», либо «в многоугольник».
Катушки обмотки возбуждения могут соединяться между собой последовательно, параллельно или смешанно, но всегда должны быть соединены согласно в магнитном отношении.
В настоящем изобретении возможны различные исполнения редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором:
- с внешним статором и внутренним ротором;
- с внутренним статором и внешним ротором.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1 и 3 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором;
фиг.2 - пример реализации схемы соединений катушек 4-фазной обмотки якоря редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором, фазы которой соединены «в многоугольник»;
фиг.4 - пример реализации схемы соединений катушек 5-фазной обмотки якоря редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором, фазы которой соединены «в звезду»;
фиг.5 - общий вид с продольным разрезом редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором с внешним якорем и внутренним индуктором.
На фиг.1-4 буквой и цифрой обозначены катушки многофазной обмотки якоря, расположенные на соответствующих явно выраженных полюсах якоря. Например, С3 - это катушка фазы «С», расположенная на третьем полюсе якоря. Нумерация полюсов якоря на фиг.1 и 3 осуществлена в направлении движения против часовой стрелки.
Рассмотрим конструкцию редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, 3 и 5). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 2 якоря выполнен шихтованным пакетом из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в корпусе 1, материалом которого служит сталь или сплав алюминия. На каждом явно выраженном полюсе 3 якоря выполнены элементарные зубцы 4. На явно выраженных полюсах 3 якоря размещена катушечная m-фазная обмотка якоря, состоящая из катушек 5, сосредоточенных на соответствующих полюсах якоря по одной на каждом полюсе. Катушки m-фазной обмотки якоря выполняются из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины. Катушки 5 в фазе могут быть соединены последовательно, если их количество не менее двух, параллельно, если их количество четное, и смешанно, если их количество четное и не менее четырех. Фазы m-фазной обмотки якоря могут быть соединены «в звезду», а также «в многоугольник». Индуктор при помощи подшипников 72, вала 6 и подшипниковых щитов 11 позиционирован относительно якоря. Вал 6 выполнен из стали. На вал 6 напрессован сердечник 7 индуктора с симметрично расположенными по цилиндрической поверхности явно выраженными зубчатыми полюсами 8 индуктора, который может быть выполнен шихтованным из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и может быть выполнен из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью с отъемными полюсами или с отъемными зубчатыми наконечниками полюсов. На каждом полюсе 8 индуктора выполнены элементарные зубцы 9 с одинаковым числом элементарных зубцов на каждом полюсе. На полюсах индуктора сосредоточена катушечная обмотка возбуждения индуктора, каждая катушка 10 которой размещена на соответствующем полюсе 8 индуктора по одной на полюсе, катушки 10 обмотки возбуждения индуктора могут быть соединены между собой последовательно, параллельно и при наличии четырех и более четных катушек - смешанно, но всегда согласно в магнитном отношении. Электрическая связь обмотки возбуждения индуктора с источником напряжения осуществляется через щетки 14 и контактные кольца 13 щеточно-контактного узла. Контактные кольца 13 электрически изолированы от вала 6.
Редукторная электрическая машина с полюсным зубчатым индуктором работает в двигательном и генераторном режимах.
2
1m
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, 3 и 5). На обмотку возбуждения индуктора через щетки и контактные кольца подают постоянное (выпрямленное) напряжение, по обмотке возбуждения индуктора протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток, создающий постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным магнитным потоком индуктора. Так как катушки 10 обмотки возбуждения индуктора соединены между собой согласно в магнитном отношении, то при протекании по ним постоянного (выпрямленного) электрического тока полюса 8 индуктора образуют чередующуюся полярность магнитных полюсов, при этом все элементарные зубцы 9, расположенные на соответствующем полюсе 8 индуктора, образуют в радиальном направлении в сторону воздушного зазора элементарные магнитные полюса с той же полярностью, что и соответствующий полюс 8 индуктора. Постоянный магнитный поток выходит из северных «N» полюсов 8 индуктора, проходит через элементарные зубцы 9 полюсов 8 индуктора в радиальном направлении, воздушный зазор между индуктором и якорем, элементарные зубцы 4 полюсов 3 якоря и полюса 3 якоря, расположенные напротив северных «N» полюсов 8 индуктора, сердечник 2 якоря в тангенциальном направлении, полюса 3 якоря, расположенные напротив южных «S» полюсов 8 индуктора, и элементарные зубцы 4 полюсов 3 якоря в радиальном направлении, воздушный зазор между якорем и индуктором, элементарные зубцы 9 южных «S» полюсов 8 индуктора и южные «S» полюса 8 индуктора, замыкаясь через сердечник 7 индуктора. На фазы m-фазной обмотки якоря подают переменное напряжение, по обмотке якоря протекает переменный электрический ток, создающий переменное вращающееся магнитное поле якоря. При этом образуется переменная во времени МДС якоря и переменный во времени магнитный поток якоря. Элементарные зубцы 4 соответствующих явно выраженных полюсов 3 якоря, на которых расположены катушки 5 обмотки якоря, намагничиваются и образуют южные «S» элементарные магнитные полюса и северные «N» элементарные магнитные полюса, которые меняют свою магнитную полярность в зависимости от направления фазных токов, протекающих по катушкам 5. Вследствие взаимодействия переменного магнитного поля якоря с постоянным магнитным полем индуктора к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент. Так как согласно изобретению одному периоду изменения магнитного поля якоря соответствует перемещение ротора на одно зубцовое деление зубчатого полюса индуктора, то при изменении питающих m-фазных напряжений, поданных на m-фазную обмотку якоря с частотой f (Гц), ротор вращается с синхронной частотой вращения n=60·f/(Z+Z) об/мин.
Направление вращения ротора на фигурах показано стрелкой с буквой «n». Ротор вращается в сторону, противоположную вращению магнитного поля якоря. Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить направление чередования фаз обмотки якоря в противоположную сторону относительно какой-либо из фаз.
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, 3 и 5). От источника питания на обмотку возбуждения индуктора через щетки и контактные кольца подают постоянное (выпрямленное) напряжение, по обмотке возбуждения индуктора протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток, создающий постоянное магнитное поле индуктора с постоянной во времени МДС индуктора и постоянным магнитным потоком индуктора. При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора пронизывает воздушный зазор и явно выраженные полюса 3 якоря. При этом за счет того, что полюса 8 индуктора и полюса 3 якоря выполнены зубчатыми, в полюсах 3 якоря происходит пульсация магнитного потока от его максимального значения до минимального. Пульсирующий с высокой частотой в полюсах 3 якоря магнитный поток является переменным, он наводит в катушках m-фазной обмотки якоря переменную во времени ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то под действием этой ЭДС по m-фазной обмотке якоря будет протекать переменный электрический ток, электрическая мощность будет отдаваться потребителю.
Следует отметить, что чем выше глубина пульсации магнитного потока в полюсах якоря при прочих равных условиях, тем выше энергетические показатели электрической машины. Глубина пульсации магнитного потока зависит от отношения ширины элементарных зубцов полюсов индуктора и якоря к величине рабочего воздушного зазора. Чем выше эти показатели, тем выше глубина пульсации проводимости рабочего воздушного зазора, а следовательно, и магнитного потока.
За счет того, что явно выраженные полюса якоря и полюса индуктора выполнены зубчатыми, можно получать переменную ЭДС высокой частоты при сравнительно небольших частотах вращения ротора в генераторном режиме и очень низкие частоты вращения ротора (до нескольких оборотов в минуту и ниже) с очень высокими показателями вращающего момента в двигательном режиме редукторной электрической машины с полюсным зубчатым индуктором.