ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электротехнике и машиностроению, в частности к электрическим машинам переменного тока и однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды.
Из уровня техники известны статоры для электрических двигателей асинхронных и синхронных электродвигателей однофазного и многофазного переменного или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды.
Так, известно решение по патенту РФ на изобретение RU 2719685 С1, 21.04.2020, которое может быть положено в основу предлагаемого изобретения.
В указанном известном решении статор содержит магнитопровод в виде контура с четным количеством зубьев (внутренних или внешних), между которыми вокруг магнитопровода намотаны обмотки, расположенные по разные стороны относительно каждого зуба обмотки соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков. В результате магнитного взаимодействия магнитных потоков, направлены навстречу друг другу, на корнях зубьев магнитопровода статора, происходит сцепление этих магнитных потоков с коэффициент магнитного сцепления М, который учитывается со знаком плюс, а значит, их магнитное поле усиливается. Таким образом, на корне зуба магнитопровода генерируется переменное магнитное поле, меняющее свою полярность по синусоиде переменного электричества.
Недостатком статора известного решения при применении его в асинхронном или синхронном двигателе переменного тока или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды с внутренним короткозамкнутым ротором, является малый коэффициент преобразования электрической мощности в механическую мощность. Это обусловлено тем, что большую часть мощности магнитного поля, получаемой на корне зубьев статора с наружной стороны, приходится замыкать через специальные металлические контуры.
Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является повышение экономичности электрической машины.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении коэффициента преобразования электрической мощности электрической машины в механическую мощность и электрическую мощность.
Технический результат в заявленном изобретении достигается за счет сочетания внутреннего электродвигателя двигателя с короткозамкнутым или фазным ротором расположенными внутри магнитных полюсов статора-индуктора и наружного электрического статора-генератора с обмотками электромагнитных катушек расположенными на внутренних зубьях магнитопровода статора-генератора, на которых возникает генераторная ЭДС, и с внешними магнитными полюсами статора-индуктора.
Статор-индуктор содержит магнитопровод в виде контура с зубьями, имеющими короткозамкнутый виток, между которыми вокруг магнитопровода намотаны обмотки, подключенные к источнику переменного тока. Магнитопровод имеет четное количество зубьев, при этом расположенные по разные стороны относительно каждого зуба обмотки соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков.
Указанные части электрической машины работают независимо друг от друга, а между ними расположен общий для них статор-индуктор переменного магнитного поля, обмотки которого подключаются к источнику электричества однофазного и многофазного переменного или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды.
Для достижения указанного технического результата предложена электрическая машина переменного тока, содержащая коаксиально расположенные ротор, внутренний и внешний статоры, отличающаяся тем, что внутренний статор представляет собой статор-индуктор, содержащий магнитопровод в виде контура с четным количество пар совмещенных друг с другом направленных внутрь контура зубьев и направленных наружу контура оснований зубьев и расположенные на магнитопроводе по разные стороны относительно каждого зуба обмотки, подключенные к источнику переменного тока и выполненные с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков, а внешний статор представляет собой статор-генератор, на внутренних зубьях которого расположены обмотки, подключенные к нагрузке, причем число внутренних зубьев статора-генератора соответствует числу оснований зубьев статора-индуктора и они расположены друг напротив друга через изолированный зазор.
Данный вариант является предпочтительным вариантом осуществления изобретения. В следующем разделе описания представлены также иные возможные варианты осуществления, не предназначенные для ограничения объема испрашиваемой правовой охраны.
Для осуществления изобретения предложено применение статора-индуктора с внутренней и внешней генерацией переменного магнитного поля на основаниях корней зубьев магнитопровода, меняющего свою полярность по синусоиде переменного электричества, подводимого к обмоткам электромагнитных катушек, которые расположены по разные стороны этих оснований зубьев, намотаны вокруг сердечника магнитопровода и соединены встречно, с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков.
Контур магнитопровода может иметь разную форму, содержит четное количество пар зубьев, расположенных на внутренней поверхности корней зубьев магнитопровода, и четное количество пар оснований зубьев, расположенных на внешней поверхности корней зубьев магнитопровода, с возможность расположения ротора внутри статора-индуктора и статора-генератора снаружи статора индуктора при соосном расположении всех элементов электрической машины.
Форма магнитопровода статора-индуктора могут быть круглой, квадратной, прямоугольной, многоугольной, эллипсной.
Внутренние зубья с короткозамкнутыми витками или без них и внешние основания зубьев статора-индуктора, расположенные на одном корне магнитопровода, имеют одну и ту же магнитную полярность полюса S или N. Между краями полюсных наконечников в виде металлических пластин могут располагаться магнитные шунты или их может не быть.
Внутри статора-индуктора находится ротор асинхронного или синхронного электрического двигателя однофазного и многофазного переменного или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды. Ротор электродвигателя может быть короткозамкнутым (беличья клетка) или фазным.
Взаимодействие статора-индуктора и внутреннего ротора соответствует работе традиционных асинхронных двигателей однофазного и многофазного переменного или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды. Вал двухполюсного двигателя вращается с частотой 3000 об./мин., а вал четырехполюсного двигателя вращается с частотой 1500 об./мин и т.д.
С внешней стороны статора-индуктора располагается статор-генератор с электромагнитными катушками, в которых генерируется ЭДС и которые расположены на внутренних зубьях магнитопровода, причем количество зубьев статора-генератора соответствует количеству оснований зубьев на статоре генератора, поскольку они расположены друг напротив друга через изолированный зазор (например, через полиимидную пленку). Для специалиста понятно, что при осуществлении изобретения форма магнитопровода статора-генератора также может быть круглой, квадратной, прямоугольной, многоугольной, эллипсной, П-образной или иной (Ш-образной, зубчато-гребенчатой сегментной и т.п.).
Магнитопровод статора-индуктора, как и магнитопровод статора-генератора, изготавливается из изолированных листов шихтованной стали, они могут быть изготовлены также и с применением технологии порошковой металлургии (например, феррита).
Обмотки статора-генератора могут быть соединены последовательно или параллельно и соединяться отдельно или группами в зависимости от подсоединяемой к ним нагрузки, так как каждая обмотка может быть выполнена медным или алюминиевым проводом и иметь на выходе разное переменное напряжение, при этом электромагнитные катушки по электрической мощности должны быть равными между собой.
В одном из вариантов осуществления электрическая машина может быть одноконтурной, когда под контуром понимают один статор-индуктор с расположенным внутри ротором, и имеет один расположенный снаружи статор-индуктор. В то же время, в других вариантах осуществления электрическая машина может быть многоконтурной, когда несколько статоров-индукторов располагаются на одной оси (последовательно друг за другом) или на параллельных осях (параллельно друг с другом), а расположенные внутри каждого статора-индуктора роторы располагаются на одном валу или могут быть отдельными. В таком случае этом статоры-генераторы располагаются таким образом, что являются общими для всех статоров-индукторов с их внутренними роторами, т.е. для всех контуров электрической машины.
Электрическая машина трехфазного переменного тока может быть выполнена как в варианте с трехфазным статором-индуктором и находящимся внутри него ротором и расположенным с внешней стороны статора-индуктора трехфазным статором-генератором, так и представлять собой 3n (где n=1, 2, 3, и т.д.) однофазных электрических машин, расположенных соосно, при этом их роторы могут располагаться на одном валу или это могут быть отдельные однофазные электрические машины, включенные в трехфазную электрическую цепь (три одноконтурные машины, включенные в трехфазную электрическую сеть).
Такая электрическая машина может иметь один вал с одним или двумя рабочими концами или несколько независимых друг от друга валов.
Трехфазная электрическая машина может быть также трехконтурной, когда три статора-индуктора располагаются соосно, а расположенные внутри каждого статора-индуктора роторы располагаются на одном валу или могут быть отдельными (т.е. электрическая машина может иметь несколько независимых друг от друга валов). Расположенные снаружи Ш-образные магнитопроводы статоров-генераторов располагаются таким образом, что являются общими для всех статоров-индукторов с их внутренними роторами. При этом обмотки статоров-индукторов электрической машины, подключенные к трехфазной электрической сети переменного тока имеют соединение «звезда» Y. Обмотки статоров-генераторов также имеют соединение «звезда» Y.
В качестве иллюстративного примера, на фиг. 1 изображена электрическая машина в четырехполюсном исполнении.
Согласно фиг. 1 статор-индуктор четырехполюсной электрической машины содержит магнитопровод 1, в виде контура 2 с внутренними зубьями 3 и внешними основаниями зубьев 4, между которыми вокруг контура 2 магнитопровода 1 намотаны обмотки 5 и 6, подключенные к источнику переменного тока. Обмотки, 5 и 6, расположенные по разные стороны относительно зуба 3, соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков 7 и 8. В данном случае контур 2 магнитопровода 1 имеет форму окружности, магнитопровод 1 имеет четное количество пар совмещенных друг с другом зубьев 3 и оснований зубьев 4, каждая пара 3 и 4 состоит из зуба 3, направленного внутрь контура 2 магнитопровода 1, и основания зуба 4, направленного наружу контура 2 магнитопровода 1, с обеспечением возможности одновременного расположения ротора 9 внутри статора-индуктора, и внешнего статора-генератора 10, с расположенными на его магнитопроводе на внутренних зубьях 11 обмотками 12, на которых генерируется ЭДС и к которым подключается нагрузка потребителей переменного электричества, при этом число зубьев 11 магнитопровода 10 должно соответствовать числу оснований зубьев 4 магнитопровода 2, и они должны располагаться друг напротив друга через изолированный зазор.
В предпочтительном варианте осуществления корпус электрической машины металлический и выполнен по барабанному типу.
С обеих сторон в корпус двигателя вставляются боковые крышки-подшипниковые щиты с посадочным подшипниковым гнездом. Они соединяются с корпусом с помощью винтового соединения.
На вал электродвигателя жестко крепится внутренний короткозамкнутый или фазный ротор.
Вал электродвигателя в зависимости от конструкции может иметь одну или две рабочие части, выходящие за корпус электродвигателя. С двух сторон вала посажены подшипники, обеспечивающие центровку вала по его оси и свободное вращение вала с роторами во время работы двигателя.
В корпусе электромагнитного двигателя вставлен и закреплен по центральной оси своей длины с помощью винтового соединения кольцевой магнитопровод статора-генератора с четырьмя внутренними зубьями, с короткозамкнутыми витками (медными или алюминиевыми) без полюсных наконечников (полюсных дуг) и внешние основания зубьев без короткозамкнутых витков. Вокруг зубьев намотаны концентрические электромагнитные катушки.
На боковых крышках-подшипниковых щитах расположены направляющие, на которые крепится статор-индуктор с внешними основаниями зубьев и внутренними зубьями с короткозамкнутыми витками и расположенными на магнитопроводе электромагнитными катушками. Расположение внутреннего ротора, статора-индуктора и статора-генератора относительно оси вала двигателя и соответственно друг друга строго симметрично.
Между поверхностями внутренним ротором и статором-индуктором находится воздушный зазор с равной величиной по всей длине окружностей этих изделий.
Внутренние зубья статора генератора находится напротив наружных оснований зубьев статора-индуктора между его электромагнитными катушками.
При ином выполнении, между поверхностями зубьев без короткозамкнутого витка статора-генератора и основаниями зубьев без короткозамкнутого витка статора-индуктора находится минимальный и равномерный воздушный зазор, в котором находится изоляционный диэлектрический материал (например, полиимидная пленка).
После сборки двигателя подшипники с внешней стороны двигателя закрываются подшипниковыми крышками. Установка корпуса двигателя на монтажные лапы, как и вывод проводников электрических катушек статора-индуктора и соединение их в соединительной коробке и ее расположение на корпусе двигателя или боковых крышках не является принципиальным и не рассматривается в рамках данной заявки из-за многовариантности их конструкций.
В случае трехфазной двухполюсной электрической машины статоры-индукторы содержат три круглых по форме магнитопровода, расположенных по оси последовательно друг за другом в виде контуров с двумя внутренними зубьями с короткозамкнутыми витками и внешними основаниями зубьев, между которыми вокруг контура магнитопровода намотаны обмотки, подключенные к источнику трехфазного переменного тока.
Обмотки, расположенные по разные стороны относительно корней зубьев магнитопровода, соединены встречно с возможностью создания магнитных потоков, направленных навстречу друг другу и имеют магнитное сцепление одной полярности на корнях зубьев. Внутри статоров-индукторов расположены роторы, жестко посаженные на вал машины, а с внешней стороны статоров-индукторов расположены на Ш-образном магнитопроводе два статора-генератора, на внутренних зубьях которых находятся обмотки, на которых возникает генераторная ЭДС трехфазного переменного электричества. Зубья Ш-образных магнитопроводов располагаются напротив внешних оснований статоров-генераторов через изолированный зазор (например, полиимидной пленки).
В случае двухполюсной электрической машины на прямоугольное основание корпуса устройства с помощью винтов крепится П-образный магнитопровод статора-генератора электрической машины с расположенными на его зубьях электромагнитными катушками. На основание корпуса устройства с помощью винтов крепятся боковые крышки-подшипниковые щиты, в которых имеются посадочные отверстия для подшипников ротора.
На вал двигателя с тугой посадкой надеваются короткозамкнутый или фазный ротор с таким расчетом, чтобы он находился строго по центру внутренних зубьев с короткозамкнутыми витками статора-индуктора.
На вал с двух сторон надеты подшипники, обеспечивающие свободное вращение закрепленного на валу ротора во время работы двигателя электрической машины. Вал электродвигателя в зависимости от конструкции может иметь один или две рабочие части, выходящие за корпус электродвигателя. После сборки машины подшипники в боковых крышках закрываются крышками подшипников (одной глухой, а второй - имеющей отверстие для вала - вариант одного рабочего конца вала или двумя с отверстиями для вала - вариант двух рабочих концов вала).
Сначала на основании корпуса устанавливается одна боковая крышка и только после установки подшипника вместе с валом в свое посадочное подшипниковое место в этой боковой крышке с обратной стороны устанавливается на второй подшипник вторая боковая крышка и после этого она крепится к основанию корпуса устройства.
Между зубьями П-образного магнитопровода статора-генератора с электромагнитными катушками, через зазор с изоляционным диэлектрическим материалом, на внешние основания зубьев устанавливается внутренний статор-индуктор с его электромагнитными катушками.
Для дополнительной фиксации и центровки круглого магнитопровода статора-индуктора, он устанавливаются на направляющих, которые крепятся винтами к боковым крышкам и на которых имеются регулирующие втулки.
Таким образом, обеспечивается полная центровка внутренних зубьев с короткозамкнутыми витками статора-индуктора относительно ротора и свободное вращение ротора в воздушном зазорах между этими деталями двигательной части электрической машины.
Сверху на основание П-образного магнитопровода с помощью винтов крепится верхняя крышка электрической машины, которая с помощью винтового соединения также соединяется с боковыми крышками-подшипниковыми щитами электрической машин.
Установка основания корпуса генератора на монтажные лапы, как и вывод проводников электрических катушек статора-индуктора, статора-генератора и соединение их в соединительной коробке и ее расположение боковых сторонах или верхней крышке не является принципиальным и в рамках данной заявки не рассматривается из-за многовариантности их конструкций, как и возможное применение дополнительного защитного кожуха всей электрической машины.
Предложенное изобретение работает следующим образом.
Известно, что два магнитных полюса взаимодействуют с силой, пропорциональной произведению их количеств магнетизма и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. С учетом того, что электромагниты статора-индуктора и ротора электрического двигателя электрической машины относительно друг друга располагаются по окружности, одна из которых неподвижна (статор), а вторая совершает вращательные движения (ротор), одноименные полюса выталкивают ротор, а разноименные втягивают. Одновременно с этим магнитное поле, генерируемое по синусоиде переменного тока статором-индуктором на внешних основаниях зубьев, вызывает изменение магнитного потока в зубьях статора генератора и в соответствии с законами электромагнитной индукции на обмотках катушек статора-генератора, расположенных на них возникнет генераторная ЭДС, меняющаяся в соответствии с изменением магнитного поля статора-индуктора. Частота генерируемой ЭДС / (выходного напряжения) на обмотках статора-генератора электрической машины напрямую зависит от частоты / подводимого переменного напряжения к обмоткам статора-индуктора
В случае наличия короткозамкнутого витка на внутренних зубьях статора-индуктора, при подаче переменного тока на обмотки статора-индуктора, в двигателе электрической машины возникает пусковой момент, и ротор двигателя приходит во вращение. Поскольку асинхронный двигатель с короткозамкнутым витком на полюсах нереверсивные - ротор всегда вращается в направлении от неэкранированной части полюса к экранированной. В случае не подключения нагрузки к обмоткам статора-генератора, он фактически выполняет роль магнитного экрана, и вся электрическая машина работает в режиме асинхронного двигателя.
Подключение генераторных обмоток статора-индуктора к нагрузке не влияет на работу асинхронного двигателя электрической машины. В случае с механической перегрузки вызывающей остановку вала, двигатель переходит в режим «заторможенного вала», т.е. магнитный поток статора-индуктора будет протекать от одного магнитного полюса к другому, через ротор, который в этом случае становится просто магнитным шунтом (металлическим проводником). При снижении механической нагрузки ротор возобновит свое вращение, под воздействием магнитных сил короткозамкнутого витка.
В случае отсутствия короткозамкнутого витка на внутренних зубьях статора-индуктора, при подаче переменного тока на обмотки статора-индуктора в двигателе электрической машины пусковой момент отсутствует, и ротор двигателя не вращается. Как и в случае с превышенной механической нагрузкой, вызывающей остановку вращения вала.
В этом случае двигатель находится в режиме «заторможенного вала». Запуск при этом осуществляют вручную или с помощью различных механических устройств. Причем вращение вала с ротором может быть двухсторонним, т.е. как по часовой стрелке, так и против нее, обмотки статора-индуктора потребляют подведенную переменную электрическую мощность, на корне зубьев магнитопровода возникает пульсирующее магнитное поле.
В случае если к обмоткам статора-генератора подключена нагрузка потребителя, генератор работает в обычном режиме т.к. его работа полностью зависит от наличия электрической мощности на обмотках статора-индуктора. А в случае не подключения обмоток статора-генератора к нагрузке потребителя и вал асинхронного двигателя не вращается - находится режиме «заторможенного вала» электрическая машина работает в режиме «холостого хода» - на выходе машины нет ни электрической, ни механической выходных мощностей, но при этом обмотки статора-индуктора потребляют подведенную переменную электрическую мощность.
Питание статора-индуктора электрической машины переменного тока осуществляется от сети переменного тока через блоки питания (понижающие трансформаторы) или аккумуляторы с дальнейшим применением преобразователей постоянного напряжения в переменное AC/DC. Питание статора-индуктора электрической машины однонаправленным импульсным током с аппроксимацией синусоиды осуществляется от сети постоянного тока или аккумулятора, или через устройства импульсного управления двигателем.
В предлагаемой электрической машине максимально используется магнитное поле статора-индуктора, короткозамкнутого ротора и статора-генератора, а в обмотках статора-индуктора значительно уменьшена возникающая в его обмотках противоЭДС (генераторная ЭДС двигателя) и уменьшена его реактивная мощность, вследствие чего обеспечивается увеличение коэффициента преобразования электрической мощности электрической машины в механическую мощность и электрическую мощность. Кроме того, обеспечено упрощение конструкции вследствие неподвижности относительно друг друга внутреннего и внешнего статоров, как это показано выше.
Представленные выше сведения содержат достаточное количество примеров осуществления изобретения, подтверждающих его осуществимость, возможность реализации назначения и достижения указанного технического результата.
Эффективность изобретения подтверждена испытанием опытных образцов электрических машин одно и многофазного переменного тока, и однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды с уменьшенной генераторной ЭДС.
В уровне техники не выявлены все включенные в независимый пункт признаки изобретения, следовательно, оно является новым.
Предложенное изобретение может найти свое применение во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и жилищно-коммунальном хозяйстве.