Синхронная машина
SYNCHRONOUS MACHINE

Изобретение относится к области электрических машин и может быть использовано в электромеханических преобразователях синхронного типа с постоянными магнитами на роторе.
Известны синхронные машины, содержащие многофазную обмотку на статоре, образующую по окружности полюса чередующейся полярности и ротор с постоянными магнитами (Бут, Д.А. Бесконтактные электрические машины – М.: Высшая школа, 1985, 255с., с. 62, рис. 2.22). Однако в такой машине сложно регулировать напряжение при работе её в генераторном режиме и электромагнитный момент при работе в двигательном режиме из-за невозможности изменения потока постоянных магнитов.
Для обеспечения возможности регулирования потока применяют машины с двойным (комбинированным) возбуждением: как от постоянных магнитов на роторе, так и от дополнительной обмотки – обмотки возбуждения на статоре (там же, с. 120, рис. 4.1). Путём изменения тока обмотки возбуждения в этой машине можно стабилизировать напряжение на обмотке якоря и изменять электромагнитный момент. Однако, она сложна по конструкции и технологии изготовления и сборки, так как имеет большое число сопрягаемых деталей, требует дополнительного расхода меди на обмотку возбуждения, и имеет низкие массогабаритные показатели из-за того, что часть активной длины пакета ротора отводится под магнитопровод для потока дополнительной обмотки.
Известны синхронные машины с постоянными магнитами, для регулирования потока возбуждения которых применяется подмагничивание магнитной цепи статора посредством отдельной обмотки (там же, с. 69. рис.2.30).
Недостатками известного решения являются сложность конструкции, дополнительный расход меди и конструктивных материалов на отдельную обмотку возбуждения, крайне сложная технология изготовления и сборки, и увеличенные габариты в радиальном осевом направлениях.
m
p
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является синхронная машина, которая содержит кольцеобразный магнитопровод статора с катушками, одна сторона которых проходит через отверстие кольцеобразного магнитопровода, образующими электрическую цепь многофазной обмотки якоря с числом фаз , подключенных к фазным зажимам, образующую по окружности магнитопровода 2 пар полюсов чередующейся полярности и цепь подмагничивания магнитопровода, и ротор с постоянными магнитами (Балагуров, В.А и др. Электрические машины с постоянными магнитами – М.-Л.: Энергия, 1964, 480 с., с.346, рис. 7-40 и рис. 7-41).
Однако наличие обмотки подмагничивания в этой машине усложняет её конструкцию и требует дополнительного расхода меди.
Целью изобретения является упрощение конструкции синхронной машины и снижение расхода обмоточной меди, за счёт исключения отдельной обмотки подмагничивания.
m
p
q
q
Поставленная цель в одноимённо-полюсной индукторной машине, содержащей кольцеобразный магнитопровод статора с катушками, одна сторона которых проходит через отверстие кольцеобразного магнитопровода, соединёнными в электрическую цепь многофазной обмотки якоря с числом фаз , подключенных к фазным зажимам, образующую по окружности магнитопровода 2 пар полюсов чередующейся полярности, и цепь подмагничивания магнитопровода, и ротор с постоянными магнитами достигается тем, что катушки соединены в катушечные группы из 2 рядом расположенных катушек, где  – число катушек на полюс и фазу, включенные в фазах согласно, собранные в звезду с выведенной нулевой точкой, к которой подключены начала катушечных групп, а к фазным зажимам подключены аноды диодов, по одному в каждой фазе, катоды которых замкнуты на дополнительную нулевую точку, снабжённую зажимом.
Исходя из изложенной сущности изобретения, его отличительными признаками являются:
q
q
1) соединение рядом расположенных 2 катушек в катушечные группы – число катушек на полюс и фазу;
2) согласное включение катушечных групп в фазах и соединение фаз в звезду с подключением к нулевой точке начал катушечных групп;
3) подключение диодов к выводам фаз, по одному к каждой фазе, и формирование их одноимёнными выводами – всеми катодами или всеми анодами, дополнительной нулевой точки.
Первый и второй признаки позволяют создавать в кольцеобразном магнитопроводе статора одновременно два поля: многополюсного переменного, с ответвлением его в зазор между статором и ротором, и постоянного, замыкающегося вдоль окружности кольцеобразного магнитопровода.
Третий признак обеспечивает возможность одновременного подключения обмотки к двум источникам напряжения: переменного многофазного, предназначенного для создания вращающегося поля якоря, и постоянного однофазного, предназначенного для подмагничивания магнитопровода статора.
q
По первому и второму признакам известны двухслойные петлевые обмотки с переключением числа пар полюсов (Жерве, Г.К. Обмотки электрических машин – Л.: Энергоатомиздат, 1989, 400 с., с. 294, рис. 7.9). Катушки катушечных групп такой обмотки распределены в зонах 120 электрических градусов по 2 катушек в группе и соединены в фазах согласно.
Однако электромагнитные связи между катушечными сторонами в катушках предлагаемого устройства иные, в силу другой конструкции магнитопровода статора и другой цели применения катушечных групп с расширенными фазными зонами. В предлагаемом устройстве они обеспечивают создание поля подмагничивания магнитопровода статора, тогда как в упомянутом аналоге они предназначены для создания поля большей полюсности.
По третьему признаку известны совмещённые трёхфазно-однофазные обмотки с соотношением чисел пар полюсов создаваемых полей 1:3 (Смирнов, А.Ю. Электромеханика. Основы теории и вычислительный анализ электрических машин – Нижний Новгород.: изд-во НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2014, 288с., с.83, рис. 3.17). При питании фаз этой обмотки, сопряжённых в звезду, постоянным напряжением через нулевую точку и дополнительную нулевую точку, образованную анодами диодов, катоды которых подключены к фазам звезды, по одному в каждой фазе, создаётся неподвижное поле. Число его полюсов в три раза превышает число полюсов основного (вращающегося) поля, создаваемого этой обмоткой.
Однако вследствие распределения катушек по фазным зонам в 120 электрических градусов (в трёхфазной обмотке) питание нулевых точек, основной и дополнительной, постоянным напряжением в предложенном устройстве создаёт иной эффект. А именно: поток, созданный постоянным током, протекающий через основную и дополнительную (образованную диодами) нулевые точки, не ответвляется в зазор, а замыкается внутри магнитопровода статора.
Таким образом, установлено, что заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена схема конструкции и соединений обмотки предлагаемой синхронной машины, в исполнении с гладким магнитопроводом статора (двухполюсный вариант обмотки якоря).
На фиг. 2 – то же, с зубчатым магнитопроводом статора.
На фиг. 3 изображена схема конструкции и электрических соединений предлагаемой синхронной машины в варианте с четырёхполюсной обмоткой якоря.
На фиг. 4 – схема конструкции предлагаемой синхронной машины (генератора), обеспечивающего однофазное линейной напряжение, в варианте с зубчатым кольцевым магнитопроводом статора.
1
2
1
3
q
q
4
5
S
Устройство содержит (фиг. 1 и фиг. 2) кольцевой магнитопровод статора : гладкий (фиг. 1) или зубчатый (фиг. 2). На магнитопровод намотаны катушки , одна сторона которых пропущена через отверстие магнитопровода , а противоположная размещается на его наружной цилиндрической поверхности. Катушки объединены в катушечные группы  по 2 рядом расположенных катушек, где  – число катушек на полюс и фазу, таким образом, что они занимают фазную зону  градусов, что в представленных на фиг. 1 и фиг. 2 вариантах трёхфазной двухполюсной машины составляет 120 градусов. Катушки одной катушечной группы на фиг. 2 выделены штриховкой. Внутри кольцевого магнитопровода статора 1 установлен ротор с постоянными магнитами, образующими полюс  «южной»  и полюс  «северной» полярности.
3
m
p
Все катушечные группы  намотаны в одном направлении (либо все по часовой стрелке, либо все против часовой стрелки) и соединены в многофазную (трёхфазную, =3) обмотку. Общее число катушечных групп в каждой фазе равно числу пар полюсов 2. Катушечные группы разных фаз последовательно чередуются между собой при обходе вдоль окружности кольцеобразного магнитопровода.
3
При числе пар полюсов, превышающем одну (фиг. 3), катушечные группы  соединяются в фазах согласно, т.е. конец катушечной группы, условно принятой за первую, имеет последовательное соединение с началом второй катушечной группы этой же фазы.
A
B
C
Ветви с катушечными группами каждой фазы соединены в звезду, подключенными к зажимам фаз ,  и концами катушечных групп, а к выводу нулевой точки 01 началами катушечных групп.
6
8
A
B
C
6
8
С зажимами фаз соединены также аноды диодов  – , в фазах ,  и , соответственно, по одному в каждой фазе. Катоды диодов  – , собраны в дополнительную нулевую точку, снабжённую зажимом 02.
A
B
C
Синхронная машина работает следующим образом (фиг.1). При вращении ротора полем его магнитов в фазах обмотки якоря полем магнитов наводится переменная ЭДС. При подключении нагрузки через зажимы фаз , ,  (на фигурах не показана) ей будет передаваться электрическая мощность, пропорциональная напряжению на этих зажимах и потребляемому току.
9
2
4
5
0
Величину напряжения можно регулировать (стабилизировать) путём подмагничивания кольцеобразного магнитопровода статора. Для этого нулевая точка звезды обмотки якоря 01 и дополнительная нулевая точка 02, образованная катодами диодов, подключаются к регулируемому источнику постоянного напряжения  (фиг.1), а именно к его положительной и отрицательной клеммам, «+» и «-», соответственно. Это напряжение вызывает ток I, равномерно распределяющийся по всем фазам обмотки якоря. Он создаёт магнитный поток, который замыкается внутри кольцеобразного магнитопровода  статора и подмагничивает его, т.е. увеличивает магнитное сопротивление. Вследствие возрастания магнитного сопротивления кольцеобразного магнитопровода статора величина ЭДС, наводимой постоянными магнитами  и  ротора при его вращении уменьшается, в соответствии с чем уменьшается и мощность, отдаваемая синхронной машиной нагрузке. Максимальная мощность будет генерироваться при нулевом токе подмагничивания, т.е. при отключенном источнике постоянного напряжения 9.
6
8
A
B
C
Диоды - блокируют замыкание тока через источник постоянного напряжения, обусловленного переменным напряжением на зажимах фаз , , .
m
m
m
m
Предлагаемая синхронная машина может быть выполнена с числом фаз многофазной обмотки якоря , большим, чем три. В этом случае в вариантах с чётным числом фаз , например при =4, будет обеспечена полная симметрия полуволн кривой распределения МДС вдоль окружности зазора между статором и ротором. Минимальное число фаз, с которым может быть выполнена предлагаемая синхронная машина, составляет две, =2 (фиг.4). При работе в генераторном режиме такая машина формирует однофазное линейное напряжение, равное удвоенному фазному напряжению, в результате действия двух фазных ЭДС, встречных по отношению друг к другу.
По сравнению с ближайшим аналогом (прототип, он же базовый образец) в предлагаемой машине не требуется наматывать дополнительную обмотку – обмотку подмагничивания. Её функции выполняет обмотка якоря, за счёт чего достигаются экономия обмоточной меди и упрощение технологии изготовления.
Предполагается использовать предложенную машину в электроприводе управления и защиты регулирующих органов ядерных реакторов, для обеспечения заданной скорости опускания регулирующих органов ядерных реакторов в режиме аварийной защиты.