ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H02K47/00 

Изобретение относится к регулируемым преобразователям для питания дуговых печей и гальванических установок, применяемых в металлургической промышленности, а также для объектов с источниками переменного и постоянного токов.

Известны электромашинные преобразователи, представляющие двигатель - генераторную установку машины переменного тока и униполярной машины, например электромашинный преобразователь по авт.свид. СССР N 315251, кл. H 02 K 31/00, 1971. Такие преобразователи имеют большие массогабаритные показатели и низкий КПД. Вышеуказанный преобразователь может служить аналогом.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения принят электромашинный преобразователь, состоящий из синхронной машины и униполярной машины. Обе машины содержат внешние и внутренние статоры, установленные коаксиально, герметичную кольцевую камеру с индуктором синхронной машины и якорем униполярной машины, снабженным жидкометаллическими контактами. Статоры синхронной машины содержат обмотки якорей переменного тока, а статоры униполярной машины - кольцевые обмотки возбуждения.

Недостатком электромашинного преобразователя является низкое напряжение постоянного тока, характерное для униполярных машин. Это связано с тем, что частота вращения преобразователя не может быть выше 3000 об/мин при частоте сети переменного тока 50 Гц, а следовательно, и значение униполярной ЭДС невелико. Выполнение электромашинного преобразователя на повышенное напряжение (стандартные значения напряжения постоянного тока) приводит к резкому увеличению массы и габаритов. Увеличение габаритов и массы происходит также из-за наличия лобовых частей у обмотки статора синхронной машины. Особенно большой вылет лобовых частей у высокоскоростных двухполюсных синхронных машин.

Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов и повышение напряжения постоянного тока.

Цель достигается тем, что внешний статор синхронной машины выполнен в виде полого цилиндра с установленными по торцам дисками, снабженными с внутренних сторон радиальными пазами с установленными в них пластинами клинообразного поперечного сечения из прессованного ферромагнитного порошка, обмотка якоря выполнена в виде плоских катушек, размещенных между пластинами и соединенных между собой по типу многофазных якорных обмоток, внутреннее пространство катушек заполнено другими прессованными ферромагнитными пластинами, кроме того, внутренний статор выполнен в виде цилиндра с установленными двумя торцовыми дисками, снабженными на внутренних торцах пазами с установленными в них прессованными ферромагнитными пластинами клинообразного сечения и другой обмоткой якоря, выполненной из плоских катушек, размещенных между пластинами, соединенных по типу многофазных якорных обмоток, внутреннее пространство катушек заполнено другими прессованными ферромагнитными пластинами, кроме того, преобразователь снабжен вольт-добавкой, выполненной в виде низковольтной и высоковольтной униполярных машин с внешними и внутренними статорами с кольцевыми обмотками возбуждения, размещенными коаксиально, и торцовыми крышками, образующими совместно со статорами кольцевую герметичную камеру, якоря униполярных машин выполнены в виде полых проводящих цилиндров, жестко механически соединенных между собой, размещены в кольцевой камере и снабжены жидкометаллическими контактами, жидкометаллические контакты низковольтной машины и преобразователи соединены между собой, а жидкометаллические контакты высоковольтной машины соединены последовательно с жидкометаллическими контактами преобразователя, кроме того, во внутренних статорах преобразователя выполнена кольцевая полость, вольт-добавка установлена внутри этой полости.

Отличительные признаки предлагаемого изобретения следующие: составные внешний и внутренний статоры синхронной машины, состоящие из плоских клинообразных и прямоугольных прессованных ферромагнитных пластин; плоские катушки обмоток якорей синхронной машины, установленные радиально между плоскими клинообразными пластинами и соединенные между собой по типу многофазных обмоток; вольт-добавка в виде низковольтной и высоковольтной униполярных машин с внешними и внутренними статорами, размещенными коаксиально, образующими кольцевую герметичную камеру с установленными в ней якорями униполярных машин, снабженных жидкометаллическими контактами, жидкометаллические контакты низковольтной машины и преобразователя соединены между собой, а жидкометаллические контакты высоковольтной машины соединены последовательно с контактами преобразователя; во внутренних статорах преобразователя выполнена кольцевая полость, вольт-добавка установлена внутри этой полости.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия", так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п.2 Правил составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг. 1 изображено устройство электромашинного преобразователя, продольное сечение; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - торцовые диски; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - схема соединения вольт-добавки (ВД) и электромашинного преобразователя (ЭМП).

Электромашинный преобразователь содержит внешний статор 1 синхронной машины, включающий полый цилиндр 2, торцовые диски 3 и 3' с пазами 4 с ферромагнитными прессованными пластинами 5 клинообразного сечения, плоские катушки 6 обмотки внешнего якоря, другие (прямоугольные) ферромагнитные пластины 7, выводные клеммы 8, торцовые крышки 9 и 9', внешний статор 10 униполярной машины с кольцевыми обмотками 11,11' возбуждения, кольцевую герметичную камеру 12 с установленными в ней индуктором 13 синхронной машины и якорем 14 униполярной машины с жидкометаллическими контактами 15; внутренний статор 16 синхронной машины, включающий цилиндр 17 с установленными на нем дисками 18 и 18' с пазами, аналогичными дискам 3 внешнего статора 1, и установленными в них ферромагнитными прессованными пластинами клинообразного сечения.

Плоские катушки 20 обмотки внутреннего якоря размещены между клинообразными пластинами 19. Внутреннее пространство катушек 20 заполнено другими (прямоугольными) ферромагнитными пластинами 21. Во внутреннем статоре 22 униполярной машины выполнена кольцевая полость (она может быть продлена и на длину синхронной машины), в которой установлена вольт-добавка 23. Вольт-добавка включает внешний статор 24 с жидкометаллическими контактами 25 низковольтной униполярной машины и с жидкометаллическими контактами 26 высоковольтной униполярной машины, внутренний статор 27 с кольцевой обмоткой 28 возбуждения низковольтной униполярной машины и с кольцевой обмоткой 29 возбуждения высоковольтной униполярной машины. Внешний 24 и внутренний 27 статоры вольт-добавки совместно с торцовой крышкой 30 образуют герметичную кольцевую камеру, в которой установлены якоря 31 низковольтной и высоковольтной униполярных машин. Якоря 31 выполняются в виде полых проводящих цилиндров, жестко механически связанных между собой. Они могут быть также выполнены в виде одного полого цилиндра (общий цилиндр на обе машины). Принципиально вольт-добавка 23 может быть вынесена из электромашинного преобразователя и установлена на его внешнем корпусе, что может улучшить технологичность сборки преобразователя, но приведет к увеличению габаритов.

Ферромагнитные пластины 5,7 и 19,21 синхронной машины выполняются методом прессования из ферромагнитного порошка, зерна которого снабжены поверхностным слоем изоляции (оксидная пленка) для уменьшения потерь в переменном магнитном поле. Катушки 6 внешнего статора и 20 внутреннего статора синхронной машины соединяются между собой по типу многофазных якорных обмоток машин переменного тока. Жидкометаллические контакты низковольтной униполярной машины 25 и преобразователя 15 соединены между собой. Жидкометаллические контакты высоковольтной униполярной машины 26 соединены последовательно с жидкометаллическими контактами преобразователя и снабжены выводными клеммами 32. Принципиальная схема соединения электромашинного преобразователя (ЭМП) и низковольтной машины Н вольт-добавки и ее высоковольтной униполярной машины В приведена на фиг.5.

Устройство работает следующим образом.

При включении в сеть переменного тока обмоток якорей 6 и 20 индуктор 13 синхронной машины будет вращаться с частотой, близкой к частоте вращения электромагнитного поля. При подаче возбуждения в кольцевую катушку 11 униполярной машины, примыкающую к синхронной машине, на жидкометаллических контактах униполярной машины наведется ЭДС постоянного тока. По цепи, образованной параллельной ветвью якоря 14 униполярной машины, индуктором 13 синхронной машины и якорем с жидкометаллическими контактами 25 вольт-добавки 23, потечет ток. Этот ток создает в индукторе 13 синхронной машины магнитный поток с числом полюсов, равным числу полюсов обмоток 6 и 20, и индуктор 13 втянется в синхронизм с электромагнитным полем якорей синхронной машины. Вращающее поле индуктора 13 замыкается через полый цилиндр индуктора 13 по магнитному пути, образованному клинообразными пластинами 5, прямоугольными пластинами 7, клинообразными пластинами 19 и прямоугольными пластинами 21. При этом активной частью катушек 6 и 20 могут быть не только стороны катушек, расположенные на поверхности расточек статоров 1 и 16, но и их торцовые части, поскольку магнитный поток индуктора 13 входит с расточек статоров по всей длине клинообразных пластин 5 и 19.

Это позволяет резко уменьшить длину статоров 1 и 16. Величина магнитного потока индуктора 13 соответствует ЭДС холостого хода синхронной машины, что регулируется величиной тока возбуждения в кольцевой обмотке 11 униполярной машины. При подаче возбуждения в кольцевую обмотку 28 низковольтной части вольт-добавки 23 якоря 31 вольт-добавки придут во вращение с частотой, определяемой величиной напряжения на низковольтной машине и величиной магнитного потока, регулируемого током возбуждения в катушке 28. При подаче возбуждения в катушку 29 высоковольтной части вольт-добавки 23 на выходных клеммах 32 наведется униполярная ЭДС, величина которой пропорциональна частоте вращения якорей 31 вольт-добавки 23 и величине магнитного потока, создаваемого катушкой 29. Электромашинный преобразователь с вольт-добавкой работает на холостом ходу. При подключении нагрузки постоянного тока одновременно подается возбуждение во вторую кольцевую обмотку 11' и увеличивается ток возбуждения в остальных кольцевых обмотках 11,28,29 в соответствии с величиной нагрузки. Суммарное напряжение преобразователя складывается из напряжения собственно электромашинного преобразователя и вольт-добавки. Величина напряжения вольт-добавки может значительно превосходить напряжение униполярной машины преобразователя, при этом ее масса и габариты значительно меньше, чем эти показатели у униполярной машины преобразователя.

Это объясняется тем, что частота вращения якорей 31 вольт-добавки может многократно превосходить частоту вращения якоря 14 униполярной машины и ограничивается только механической прочностью полого цилиндра 31.

Это позволяет при заданной величине выходного напряжения постоянного тока резко уменьшить массу и габариты электромашинного преобразователя с учетом вольт-добавки или при заданных габаритах резко повысить напряжение постоянного тока.

Преимущество предлагаемого электромашинного преобразователя по сравнению с прототипом заключается в том, что он выполнен с составным магнитопроводом и плоскими катушками обмоток якорей синхронной машины, исключившими вылет лобовых частей, снабжен вольт-добавкой, частота вращения которой многократно превосходит частоту вращения индуктора синхронной машины и якоря униполярной машины, в результате чего уменьшаются масса и габариты, а также повышается напряжение постоянного тока преобразователя.

Использование: электротехника, металлургия, источник питания. Сущность изобретения: электромашинный преобразователь содержит две электрические машины, торцовые крышки, выводные клеммы. Одна машина - синхронная, другая - униполярная. Синхронная машина имеет внешний и внутренний статоры с обмотками и индуктор. Униполярная машина имеет внешний и внутренний статоры с униполярными обмотками возбуждения, якорь с жидкометаллическими контактами. Внешние и внутренние статоры машин расположены концентрично друг относительно друга. Якорь и индуктор жестко механически соединены друг с другом и расположены в кольцевой герметичной камере. Возможно размещение вольт-добавки в кольцевую полость внутреннего статора униполярной машины. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий униполярную машину, включающую статор с кольцевыми обмотками возбуждения и жидкометаллическими контактами, машину переменного тока со статором, несущим обмотку переменного тока и ротор, состоящий из двух частей, одна из которых является якорем униполярной машины, а другая - индуктором машины переменного тока, отличающийся тем, что машина переменного тока является синхронной, обе машины снабжены дополнительными внутренними статорами, размещенными концентрично основным статорам, а по торцам преобразователя имеются крышки, образующие совместно со статорами кольцевую герметичную камеру, якорь ротора выполнен в виде одного полого проводящего цилиндра, индуктор - в виде другого полого проводящего цилиндра, жестко механически сочлененного с первым, цилиндры установлены в кольцевой герметичной камере с возможностью свободного вращения. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что внешний статор синхронной машины выполнен в виде полого цилиндра с установленными по торцам дисками, снабженными с внутренних сторон радиальными пазами с установленными в них пластинами клинообразного поперечного сечения из немассивного ферромагнитного материала, обмотка переменного тока выполнена в виде плоских катушек, размещенных между клинообразными пластинами и соединенных между собой по типу многофазных обмоток, внутреннее пространство катушек заполнено другими немассивными ферромагнитными пластинами. 3. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что внутренний статор выполнен в виде цилиндра с установленными на нем двумя торцевыми дисками, снабженными на внутренних торцах пазами с установленными в них массивными ферромагнитными пластинами клинообразного сечения и другой обмоткой переменного тока, выполненной из плоских катушек, размещенных между пластинами, соединенных по типу многофазных обмоток, внутреннее пространство катушек заполнено другими ферромагнитными пластинами. 4. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что преобразователь снабжен вольтдобавкой, выполненной в виде низковольтной и высоковольтной униполярных машин с внешними и внутренними статорами с кольцевыми обмотками возбуждения, размещенными коаксиально, и торцевыми крышками, образующими совместно с статорами кольцевую герметичную камеру, якори униполярных машин выполнены в виде полых проводящих цилиндров, жестко механически соединенных между собой, размещены в кольцевой камере и снабжены жидкометаллическими контактами, жидкометаллические контакты низковольтной машины и преобразователя соединены между собой, а жидкометаллические контакты высоковольтной машины соединены последовательно с жидкометаллическими контактами преобразователя. 5. Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что во внутренних статорах преобразователя выполнена кольцевая полость, вольтдобавка установлена внутри этой полости.