ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РЕДУКТОРНАЯ МАШИНА С ЯВНОПОЛЮСНЫМ ЯКОРЕМ
ELECTRIC REDUCTION MACHINE WITH SALIENT-POLE ARMATURE

Описание изобретения
Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения синхронных электрических машин с контактными кольцами с возможностью глубокой электромагнитной редукции и может быть использовано в системах автоматики, в бытовой технике, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, электроприводов большой и средней мощности судов, троллейбусов, трамваев метро, бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами его вращения, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и синхронных генераторов преобразователей частоты.
р
р
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 -периодную обмотку, индуктор выполняется явнополюсным или неявнополюсным, несущим разноименнополюсную -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 них распределенной обмотки якоря снижает надежность по сравнению с катушечной сосредоточенной обмоткой. Кроме этого, синхронные машины данного класса в режиме двигателя имеют малые пусковые моменты, и для пуска их в ход применяют специальные меры.
0
0
р
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  встречно включенных катушек, размещенных со сдвигом на двойное полюсное деление 2·τ, где 2·τ=Z/p, при этом р - число четное.
p
s
r
s
р
Известен 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· 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 этого, указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.
Известна принятая за прототип сверхпроводниковая вентильная индукторная машина (Патент RU 2178942 С1, МПК 7 Н02К 55/00, Н02К 55/02, авторы Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А.), содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический ротор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами, снабженная вторым статором с шихтованным сердечником, на полюсных выступах которого расположена многофазная катушечная обмотка, и вторым ротором, расположенным на одном валу с первым ротором, на валу между двумя роторами размещена цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала с «вмороженным» магнитным потоком, представляющая собой криомагнит, намагниченный в осевом направлении и обеспечивающий однополярность полюсных выступов первого и второго роторов, на статорах установлен соленоид, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку для «вмораживания» в нее магнитного потока, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом, а их многофазные катушечные обмотки снабжены коммутатором, обеспечивающим однополярность намагничивания полюсов каждого статора, разнополярность полюсов первого и второго статоров, совпадение направления магнитного потока в полюсах статоров с направлением магнитного потока вышеуказанной вставки, а также поочередность включения катушечных обмоток каждой фазы в заданной последовательности. Недостатком прототипа является сложность конструкции ротора, наличие двух статоров с соленоидом между ними, каждый статор имеет свою многофазную обмотку якоря, низкая ремонтопригодность при пробое какой-либо из обмоток из-за расположения всех обмоток (якоря и возбуждения) только на статоре, небольшой по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу.
Целью настоящего изобретения является создание при выполнении достаточно простой, надежной в эксплуатации, более технологичной и высокоремонтопригодной с расширенными возможностями конструктивного исполнения и использования электрической редукторной машины с явнополюсным якорем при обеспечении 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.
Существенным признаком, отличающим настоящее изобретение от прототипа, является наличие щеточно-контактного узла, позволяющего питать обмотку возбуждения электрической редукторной машины с явнополюсным якорем значительным постоянным (выпрямленным) электрическим током и, таким образом, повысить удельную мощность, а также плавно регулировать выходными параметрами электрической машины.
Задачей настоящего изобретения является установление связи между числом полюсов якоря, числом фаз сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря, общим числом зубцов якоря и числом зубцов каждого сердечника индуктора, а также разработка алгоритма построения схемы соединений m-фазной катушечной обмотки якоря и обмотки возбуждения индуктора электрической редукторной машины с явнополюсным якорем.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высокотехнологичных и высокоремонтопригодных конструкций электрических редукторных машин с явнополюсными якорями с применением электромагнитной редукции в широких пределах при обеспечении высоких энергетических показателей и эксплуатационных характеристик с возможностью плавного и глубокого регулирования выходными параметрами.
Z2
Z2
Z1
Z1
Z1
Z2
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 с возможностью применения каркасных катушек, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, безобмоточный ферромагнитный ротор, содержащий индуктор с нечетными и четными зубчатыми сердечниками с одинаковым числом зубцов на каждом сердечнике, сердечники индуктора могут быть выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, при наличии сердечников индуктора более двух, активная длина сердечников в аксиальном направлении, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше активной длины крайних сердечников, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных в тангенциальном направлении на половину своего зубцового деления, сердечники индуктора, выполненные в виде шихтованных пакетов, напрессованы на втулку, изготовленную из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью, магнитомягкая втулка насажена на немагнитный вал, явно выраженные зубчатые полюса якоря и зубчатые сердечники индуктора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, между сердечниками индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде кольцеобразных катушек, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора, возбуждение индуктора осуществляется при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) током через контактные кольца и щетки, создающим униполярное постоянное магнитное поле возбуждения индуктора в рабочем воздушном зазоре, зубцово-пазовая зона якоря выполнена «гребенчатой» распределенной, ширина коронок зубцов каждого сердечника индуктора определяется равенством b=k·t, ширина коронок элементарных зубцов, расположенных на явно выраженных полюсах якоря, определяется равенством b=k·t, при этом t и t представляют собой зубцовые деления явно выраженных полюсов якоря и сердечников индуктора соответственно, коэффициент k=0,38÷0,5 и его значение выбирается в зависимости от формы переменного тока источника питания при работе машины в режиме электрического двигателя и от формы переменной ЭДС якоря при работе машины в режиме электрического генератора.
Электрическая редукторная машина с явнополюсным якорем может работать в режиме неуправляемой и управляемой синхронной машины, в режиме управляемого шагового двигателя и в режиме управляемого двигателя постоянного тока с независимым и последовательным возбуждением.
Обмотка возбуждения индуктора электрической редукторной машины с явнополюсным якорем может подключаться через контактные кольца и щетки к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения или через контактные кольца и щетки к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.
При применении электрической редукторной машины с явнополюсным якорем в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря может осуществляться:
- 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 этом обмотка возбуждения индуктора может быть подключена через контактные кольца и щетки как к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения, так и к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.
При применении электрической редукторной машины с явнополюсным якорем в качестве шагового двигателя питание обмотки якоря осуществляется от источника питания, подающего на обмотку якоря импульсы напряжения по определенному алгоритму в определенный момент времени. При этом для удержания ротора в необходимом положении может быть применен механизм пофазного электромагнитного арретирования.
При применении электрической редукторной машины с явнополюсным якорем 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. При этом обмотка возбуждения индуктора подключается через контактные кольца и щетки к независимому источнику постоянного напряжения.
При применении электрической редукторной машины с явнополюсным якорем в качестве двигателя постоянного тока с последовательным 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. При этом обмотка возбуждения индуктора подключается через контактные кольца и щетки через m-фазный диодный мост к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.
Электрическая редукторная машина с явнополюсным якорем может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной или трапецеидальной формы без постоянной составляющей.
В настоящем изобретении индуктор является ротором, а якорь - статором. Возможны исполнения электрической редукторной машины с явнополюсным якорем с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
m
фиг.1÷4 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов сердечников якоря и индуктора, схем соединений катушек -фазных обмоток якоря и векторных диаграмм токов, протекающих по обмоткам якоря,
фиг.5 - общий вид электрической редукторной машины с явнополюсным якорем с внешним якорем и внутренним индуктором с тремя сердечниками индуктора.
1P
1
2
В соответствии с настоящим изобретением между числом явно выраженных полюсов якоря Z, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, общим числом зубцов якоря Z и числом зубцов каждого сердечника индуктора Z электрической редукторной машины с явнополюсным якорем установлена предельная связь, необходимая для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу, которая выражается равенствами (1), (2), (3):
1m
1S
Z1
1P
1S
Z2
2
где Z=1, 2, 3, 4, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе, Z=1, 2, 3, 4, … - число зубцов на явно выраженном полюсе якоря, К=0, 1, 2, 3, … - целое положительное число, включая ноль, t=360°/(Z·(Z+К)) и t=360°/Z определяются в угловом измерении.
m
Катушки -фазной обмотки якоря в фазе соединены между собой встречно в магнитном отношении. Начало фазы обмотки может принадлежать любой катушке в фазе. Фазы обмотки якоря могут быть соединены «в звезду», либо «в многоугольник».
Кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора, если их число более одной, должны быть соединены между собой таким образом, чтобы при протекании по ним постоянного (выпрямленного) электрического тока создавалось униполярное постоянное магнитное поле возбуждения индуктора в рабочем воздушном зазоре и зубцы нечетных сердечников индуктора образовывали полюса одной магнитной полярности, например, южные полюса «S», а зубцы четных сердечников индуктора образовывали полюса другой магнитной полярности, например, северные полюса «N».
m
На фиг.1÷4 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3) в виде поперечных разрезов сердечника якоря и нечетных и четного пакетов индуктора электрической редукторной машины с явнополюсным якорем, схем соединений катушек -фазных обмоток якоря при их включении на источники напряжений в двигательном режиме и векторных диаграмм токов, протекающих по обмотке якоря. На фиг.2, кроме этого, показано подключение обмотки возбуждения индуктора через контактные кольца, щетки и 4-фазный диодный мост к выходным концам фаз 4-фазной обмотки якоря. Соответствие чертежей поперечных разрезов сердечников якоря и индуктора и схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице. Положение сердечников индуктора относительно сердечника якоря на чертеже в двигательном режиме, положение векторов токов на векторной диаграмме и направления токов, протекающих по катушкам обмотки якоря, на соответствующей схеме соединений катушек m-фазной обмотки якоря электрической редукторной машины с явнополюсным якорем показаны в один и тот же момент времени.
Таблица
Соответствие чертежей поперечных разрезов сердечника якоря, нечетных и четного сердечников индуктора и схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря
поперечный разрез
схема соединений катушек обмотки
m
Z<sub>1m</sub>
Z<sub>1P</sub>
Z<sub>1S</sub>
К
Z<sub>1</sub>
Z<sub>2</sub>
фиг.1
фиг.2
4
2
8
4
2
32
46
фиг.3
фиг.4
5
2
10
4
1
40
48
m
Рассмотрим конструкцию электрической редукторной машины с явнополюсным якорем с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 1 якоря выполнен шихтованным пакетом из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в магнитопроводе 2, изготовленном из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью. На каждом явно выраженном полюсе 13 якоря размещены элементарные зубцы 14. На полюсах 13 сосредоточена катушечная -фазная обмотка 3 якоря, катушки которой выполнены из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. При изготовлении якоря с открытыми пазами катушки обмотки могут быть намотаны на станках на неэлектропроводящие каркасы и, затем, вместе с каркасами закреплены на полюсах якоря. Индуктор при помощи подшипников 4, вала 5 и подшипниковых щитов 6 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из немагнитной стали или из титана. На валу 5 закреплен магнитопровод 10 индуктора, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью. На магнитопроводе 10 индуктора напрессованы нечетные 7 и 9 и четный 8 сердечники индуктора. Активная длина двух крайних сердечников 7 и 9 индуктора в аксиальном направлении одинакова, активная длина находящегося между ними сердечника 8 индуктора в два раза больше активной длины крайних сердечников 7 и 9. Сердечники 7, 8 и 9 индуктора выполнены шихтованными из электротехнической стали и имеют одинаковое число на каждом сердечнике равномерно распределенных по окружности зубцов 15. С целью удешевления конструкции сердечники 7, 8 и 9 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. Четный 8 сердечник индуктора смещен относительно нечетных 7 и 9 сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину своего зубцового деления. Между сердечниками индуктора расположены кольцеобразные катушки 11 и 12 обмотки возбуждения индуктора, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора. Катушки 11 и 12 выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины и могут быть соединены между собой последовательно или параллельно. Концы обмотки возбуждения индуктора соединены с контактными кольцами 17, расположенными на изоляционной неэлектропроводной втулке 16, которая, в свою очередь, насажена на вал 5. К контактным кольцам 17 при помощи пружинного механизма плотно прижаты щетки 18 для электрической связи обмотки возбуждения индуктора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения.
Электрическая редукторная машина с явнополюсным якорем работает в двигательном и генераторном режимах.
m
Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). На обмотку возбуждения индуктора через щетки и контактные кольца подают постоянное (выпрямленное) напряжение, по обмотке протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток, создавая постоянный магнитный поток индуктора, униполярно замыкающийся через сердечники индуктора 7, 8 и 9, который образует постоянную во времени МДС индуктора. При этом зубцы 15 нечетных сердечников 7 и 9 индуктора образуют полюса одной магнитной полярности, например южные полюса «S», а зубцы 15 четного сердечника 8 индуктора образуют полюса другой магнитной полярности, например северные полюса «N». На фазы m-фазной обмотки 3 якоря подают переменное напряжение, по m-фазной обмотке 3 якоря протекает переменный ток, создающий переменное вращающееся магнитное поле якоря. При этом образуется переменная во времени МДС якоря и переменный во времени магнитный поток якоря. На фиг.2 и фиг.4 представлены векторные диаграммы токов, протекающих по соответствующим m-фазным обмоткам 3 якоря, схемы соединений которых представлены на этих же фигурах. Векторы токов во времени поворачиваются в осях координат ху против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. В соответствии с этими проекциями на фиг.2 и фиг.4 обозначены направления токов в катушках m-фазных обмоток якоря. При этом элементарные зубцы 14, выполненные на соответствующих явно выраженных полюсах 13 якоря, на которых расположены катушки -фазной обмотки 3 якоря, образуют южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменного магнитного поля якоря с постоянным магнитным полем индуктора к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент. Согласно изобретению, за один период изменения магнитного поля якоря ротор перемещается на одно зубцовое деление сердечника индуктора. Отсюда следует, что при изменении питающих m-фазных напряжений, поданных на m-фазную обмотку якоря с частотой f(Гц), ротор вращается с синхронной частотой  (об/мин). Этим и достигается глубокая электромагнитная редукция частоты вращения ротора, направление движения которого на чертежах показано стрелкой с буквой «n». Нетрудно заметить, что в данной конструкции ротор вращается против направления вращения магнитного поля якоря.
Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный протекающим от источника постоянного (выпрямленного) напряжения через щетки и контактные кольца по обмотке возбуждения постоянным (выпрямленным) электрическим током, пронизывая воздушный зазор и явно выраженные полюса 13 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в явно выраженных полюсах 13 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках m-фазной обмотки 3 якоря переменную во времени ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по m-фазной обмотке 3 якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.