ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1995 года по МПК H02K51/00 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к электромашинным агрегатам (ЭМА), содержащим несколько взаимосвязанных машин, и может быть использовано в регулируемом электроприводе, генераторных агрегатах переменного тока с произвольной частотой вращения приводного вала.

Известна конструкция ЭМА, состоящего из машин переменного тока. Недостатком этой конструкции является узкий диапазон регулирования частоты вращения и наличие значительных потерь скольжения при регулировании.

Известна конструкция ЭМА, состоящего из асинхронной машины с фазным ротором, в обмотку которого посредством выпрямительного устройства включена машина постоянного тока. Недостатком этой конструкции является узкий диапазон регулирования, пониженная надежность, обусловленная наличием скользящих контактов и коллектора, большие габариты и масса.

Наиболее близким техническим решением из известных к предлагаемому является конструкция ЭМА, включающего машину переменного тока и две униполярных машины, содержащего статор с магнитопроводом и обмоткой якоря машины переменного тока, с магнитопроводами и обмотками возбуждения первой и второй униполярных машин, герметичную кольцевую камеру с индуктором машины переменного тока, якоря первой униполярной машины и ферромагнитным зубчатым якорем с короткозамыкающими кольцами второй униполярной машины, с жидкометаллическими контактами и подшипниковыми опорами, ротор в виде зубчатого ферромагнитного цилиндра с валом и подшипниковыми опорами, принятое за прототип.

Прототипу присущи следующие недостатки:
низкий коэффициент мощности, так как машина переменного тока работает в асинхронном режиме, а следовательно, и повышенная расчетная габаритная мощность;
значительные потери при регулировании частоты вращения из-за принципиального наличия потерь скольжения в зубчатом ферромагнитном цилиндре выходного вала;
низкие энергетические характеристики (коэффициенты полезного действия и мощности) и повышенные габариты;
совмещение переменного поля в воздушном зазоре с постоянным униполярным полем приводит к магнитной несимметрии полюсов машины переменного тока, вызывающей электромагнитную вибрацию.

Цель изобретения расширение диапазона регулирования, улучшение энергетических характеристик и уменьшение габаритов.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа первая униполярная машина и машина переменного тока снабжены дополнительными коаксиально размещенными внутренними магнитопроводами и торцевыми крышками, образующими совместно с магнитопроводами машины переменного тока и первой униполярной машины герметичную кольцевую камеру, машина переменного тока выполнена синхронной, индуктор которой выполнен в виде первого полого проводящего цилиндра, жестко механически связанного с якорем первой униполярной машины, выполненным в виде второго полого проводящего цилиндра, размещены в кольцевой камере с возможностью свободного вращения, магнитопровод с обмоткой возбуждения второй униполярной машины размещен коаксиально с внутренним дополнительным магнитопроводом первой униполярной машины и снабжен на его цилиндрической поверхности другой герметичной кольцевой камерой с жидкометаллическими контактами и якорем второй униполярной машины, установленным с возможностью свободного вращения, выполненным в виде третьего полого ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными высокопроводящими немагнитными стержнями, соединенными с короткозамыкающими кольцами, обращенными высокопроводящими стержнями к ротору с числом зубцов, равным числу пазов третьего ферромагнитного цилиндра, первый полый цилиндр со стороны торца, прилегающего к якорю первой униполярной машины, на длине магнитопровода машины переменного тока разделен вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу полюсов машины переменного тока, эти части электрически соединены одной полярностью со вторым проводящим цилиндром, другой полярностью с жидкометаллическим контактом соответствующей полярности якоря первой униполярной машины, жидкометаллические контакты первой и второй униполярных машин соответственно соединены между собой, обмотки возбуждения униполярных машин выполнены независимыми, кроме того, первый и второй полые цилиндры выполнены из ферромагнитного материала и снабжены высокопроводящими немагнитными стержнями и короткозамыкающими кольцами, ферромагнитный цилиндр индуктора синхронной машины разделен вдоль образующей немагнитными вставками через двойное полюсное деление, снабжен пазами, заполненными высокопроводящими немагнитными стержнями, расположенными на равном расстоянии от вставок и снабжен жидкометаллическим контактом, установленным на его свободном торце, дополнительный внутренний магнитопровод синхронной машины снабжен второй обмоткой якоря, каждая из униполярных машин снабжена не менее, чем двумя независимыми параллельными ветвями якорей, по крайней мере одна из униполярных машин снабжена, по крайней мере, двумя независимыми обмотками возбуждения, а индуктор синхронной машины подключен к одной из параллельных ветвей якорей, кроме того, герметичные камеры заполнены инертным газом.

Отличительными признаками изобретения являются дополнительные внутренние магнитопроводы первой униполярной машины и машины переменного тока; машина переменного тока синхронная с индуктором в виде первого полого проводящего цилиндра, разделенного вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу полюсов; якорь первой униполярной машины выполнен в виде второго полого проводящего цилиндра; якорь второй униполярной машины выполнен в виде третьего ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными высокопроводящими немагнитными стержнями; магнитопровод второй униполярной машины размещен коаксиально с внутренними магнитопроводами и снабжен другой кольцевой герметичной камерой, ферромагнитный цилиндр индуктора синхронной машины разделен вдоль образующей немагнитными вставками через двойной полюсное деление, снабжен пазами с высокопроводящими немагнитными стержнями через одно полюсное деление; обмотки возбуждения униполярных машин выполнены независимыми; первый и второй полые цилиндры выполнены из ферромагнитного материала с высокопроводящими немагнитными стержнями; дополнительный внутренний магнитопровод синхронной машины снабжен второй обмоткой якоря; каждая из униполярных машин снабжена не менее, чем двумя независимыми параллельными ветвями якорей, униполярная машина снабжена двумя независимыми обмотками возбуждения.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия" так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом, технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг. 1 изображено устройство электромашинного агрегата, продольное сечение; на фиг. 2 индуктор синхронной машины, поперечное сечение по п.1 формулы; на фиг. 3 индуктор синхронной машины, поперечное сечение по п. 3 формулы; на фиг. 4 сечение А-А на фиг. 1.

Электромашинный агрегат состоит из синхронной машины и двух униполярных машин и включает статор 1 с магнитопроводом 2 и обмоткой якоря 3 синхронной машины с магнитопроводом индуктора 4 и обмоткой возбуждения 5 первой униполярной машины, с дополнительными внутренними магнитопроводами 6 и 7 синхронной и первой униполярной машин, со второй обмоткой якоря 8 синхронной машины, с торцевыми крышками 9, с первой кольцевой герметичной камерой 10, с магнитопроводом 11, обмоткой возбуждения 12, второй герметичной кольцевой камерой 13 второй униполярной машины, индуктор синхронной машины в виде полого проводящего цилиндра 14, разделенного на изолированные части (см. фиг. 2), якорь первой униполярной машины в виде второго полого проводящего цилиндра 15 с жидкометаллическими контактами 16, якорь второй униполярной машины в виде третьего полого ферромагнитного цилиндра 17 (см. фиг. 4) с пазами 18, заполненными высокопроводящими немагнитными стержнями 19, короткозамыкающими кольцами 20 и жидкометаллическими контактами 21, ротор 22 с зубцами 23 и валом.

Для варианта по п. 3 формулы изобретения полый проводящий цилиндр 14 выполнен из ферромагнитного материала, разделен немагнитными вставками 24 (см. фиг. 3) через двойное полюсное деление, снабжен пазами 25, заполненными высокопроводящими немагнитными стержнями, расположенными на равном расстоянии от вставок 24 и снабжен жидкометаллическим контактом 26, установленным на свободном торце полого цилиндра 14. Жидкометаллические контакты полых цилиндров 14, 15 и 17 одновременно выполняют роль опор скольжения. Жидкометаллические контакты первой (16) и второй (21) униполярных машин электрически соединены между собой.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения на катушки возбуждения 12 второй униполярной машины магнитный поток замыкается по путям наименьшего магнитного сопротивления, тем самым третий ферромагнитный цилиндр 17 поворачивается относительно ротора 22 таким образом, что его пазы 23 располагаются под высокопроводящими немагнитными стержнями 19. Магнитные силы удерживают ферромагнитный цилиндр 17 неподвижным относительно ротора 22. При вращении ротора 22 происходит вращение и ферромагнитного цилиндра 17, при этом на жидкометаллических контактах 21 появляется униполярная ЭДС. Поскольку жидкометаллические контакты 21 второй униполярной машины соединены с жидкометаллическими контактами 16 первой униполярной машины, то по замкнутой цепи, образованной полыми цилиндрами 14, 15 и 17, потечет постоянный ток.

При подаче напряжения на обмотку возбуждения 5 первой униполярной машины вокруг катушки возникает униполярный магнитный поток, который, взаимодействуя с постоянным током, протекающим по полому цилиндру 15, создает вращающий момент, приводящий во вращение полые цилиндры 15 и 14. Частота вращения цилиндров 15 и 14 определяется величиной униполярной ЭДС на жидкометаллических контактах 21, а следовательно, и 16, и величиной магнитного потока регулируемого величиной тока возбуждения в катушке 5.

Величина униполярной ЭДС на жидкометаллических контактах зависит от частоты вращения ротора 22 (цилиндра 17) и величины магнитного потока, возбуждаемого катушкой 12, и может регулироваться в требуемом диапазоне, либо током возбуждения катушек 12, либо этим током возбуждения и частотой вращения цилиндра 17 (ротора 22), т.е. первичного двигателя. Это позволяет при изменении частоты вращения ротора 22 поддерживать неизменной частоту вращения ферромагнитных цилиндров 15 и 14. Постоянный ток, протекающий по высокопроводящему стержню ферромагнитного цилиндра 14, создает на двойном полюсном делении магнитный поток пары полюсов, при этом число пар полюсов ферромагнитного цилиндра 14 равно числу стержней. Немагнитные вставки 24 разделяют отдельные пары полюсов. При вращении ферромагнитного цилиндра 14 вышеупомянутая система полюсов находит переменную ЭДС в обмотке якоря 3 частотой, определяемой частотой вращения цилиндра 14 и его числом пар полюсов. Поскольку частота вращения цилиндра 14 может поддерживаться неизменной при изменении частоты вращения ротора 22 (первичного двигателя), то это позволяет при переменной частоте вращения ротора 22 поддерживать частоту генерируемого тока постоянной в обмотке 3 синхронной машины.

Величина ЭДС (напряжения) переменного тока регулируется величиной униполярного тока в цилиндрах 14 и 15, который в свою очередь регулируется токами в катушках возбуждения 5 и 12. Поскольку соотношение токов в катушках 5 и 12 оказывает влияние и на частоту вращения цилиндра 14, то необходимо поддерживать соответствующие соотношения токов, одновременно удовлетворяющим двумя этим требованиям, что может в определенной степени ограничить диапазон регулирования коэффициента мощности синхронной машины. Расширение этого диапазона достигается в случае создания независимых параллельных ветвей в каждой из униполярных машин, попарно соединенных между собой. В таком случае в параллельной ветви, включающей стержни ферромагнитного цилиндра 14 (индуктора) синхронной машины, подбирается такое соотношение между токами в катушках 5 и 12, чтобы величина протекающего тока в стержнях обеспечивала заданное значение коэффициента мощности (амплитуды ЭДС переменного тока). В другой параллельной ветви создается такое соотношение между токами в катушках 5 и 12, чтобы обеспечить требуемую величину суммарного электромагнитного момента цилиндров 15 и 14 (т.е. нагрузку) при требуемом значении частоты вращения этих цилиндров.

Ток, протекающий по стержням, создает пару полюсов, при этом магнитодвижущая сила на один полюс равна половине величины тока этого стержня (половине витка на один полюс). Величина магнитодвижущей силы на полюс увеличивается в 2 раза, когда в полом цилиндре 14 выполняется полный виток. Это достигается разделением полого цилиндра 14 на изолированные части с числом, равным числу полюсов синхронной машины. При этом разрез цилиндра 14 выполняется только на длине магнитопровода синхронной машины (частичный разрез цилиндра 14). Части торца цилиндра 14 одной полярности электрически соединяются с торцом якоря 15 первой униполярной машины. Части торца цилиндра 14 другой полярности электрически подключены к жидкометаллическому контакту 16, размещенному между якорем 15 первой униполярной машины и торцевой частью цилиндра 14, примыкающей к якорю 15. В этом случае образуется полный виток на каждый полюс индуктора синхронной машины, повышается линейная нагрузка, а следовательно, могут быть уменьшены габариты и масса. Полые цилиндры 14 и 15 могут быть выполнены либо полностью из высокопроводящего немагнитного материала (сплав алюминия), либо могут быть выполнены из феppомагнитного материала с медными круглыми стержнями. В первом случае все поперечное сечение цилиндров 14 и 15 выполняется из материала с малым омическим сопротивлением, следовательно, для прохождения заданной величины тока требуется небольшая толщина стенок цилиндров 14 и 15 снижается их масса. Во втором случае значительно растет масса цилиндров 14 и 15, но уменьшается требуемое значение тока возбуждения катушки 5, так как уменьшается эффективное значение воздушного зазора между магнитопроводами 4 и 11, 2 и 7.

Использование: регулируемый электропривод, генераторные агрегаты переменного тока с переменной частотой вращения. Сущность: электромашинный агрегат содержит синхронную и две униполярные машины. Синхронная машина содержит неподвижный якорь синхронной машины с магнитопроводом и обмоткой и индуктор в виде полого ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными высокопроводящими стержнями и немагнитными вставками. Концентрично якорю синхронной машины установлен второй шихтованный магнитопровод с дополнительной обмоткой якоря. Первая униполярная машина содержит магнитопровод с катушкой возбуждения и якорь в виде полого ферромагнитного цилиндра с короткозамыкающими кольцами и жидкометаллическими контактами. Якорь первой униполярной машины и индуктор синхронной машины совмещены и выполнены в виде первого полого ферромагнитного цилиндра, установленного в первую кольцевую герметичную камеру, заполненную, например, инертным газом. Вторая униполярная машина содержит магнитопровод индуктора с катушками возбуждения, якорь в виде полого ферромагнитного цилиндра со стержнями, короткозамыкающими кольцами жидкометаллическими контактами. Указанный якорь установлен во второй герметичной кольцевой камере. Ферромагнитный ротор выполнен с пазами. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ АГРЕГАТ, включающий машину переменного тока и две униполярные машины, содержащий статор с магнитопроводом и обмоткой якоря машины переменного тока, с магнитопроводами и обмотками возбуждения первой и второй униполярных машин, герметичную кольцевую камеру с индуктором машины переменного тока, якорем первой униполярной машины и ферромагнитным зубчатым якорем с короткозамыкающими кольцами второй униполярной машины, с жидкометаллическими контактами и подшипниковыми опорами, ротор в виде зубчатого ферромагнитного цилиндра с валом и подшипниковыми опорами, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования, улучшения энергетических характеристик и уменьшения габаритов, первая униполярная машина и машина переменного тока снабжены дополнительными коаксиально размещенными внутренними магнитопроводами и торцевыми крышками, образующими совместно с магнитопроводами машины переменного тока и первой униполярной машины герметичную кольцевую камеру, машина переменного тока выполнена синхронной, индуктор которой выполнен в виде первого полого проводящего цилиндра, жестко механически связанного с якорем первой униполярной машины, выполненным в виде второго полого проводящего цилиндра, размещенного в кольцевой камере с возможностью свободного вращения, магнитопровод с обмоткой возбуждения второй униполярной машины размещен коаксиально с внутренним дополнительным магнитопроводом первой униполярной машины и снабжен на его цилиндрической поверхности другой герметичной кольцевой камерой с жидкометаллическими контактами и якорем второй униполярной машины, установленным с возможностью свободного вращения, выполненным в виде третьего полого ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными высокопроводящими немагнитными стержнями, соединенными с короткозамыкающими кольцами, обращенными высокопроводящими стержнями к ротору с числом зубцов, равным числу пазов третьего ферромагнитного цилиндра, первый полый цилиндр со стороны торца, прилегающего к якорю первой униполярной машины, на длине магнитопровода машины переменного тока разделен вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу полюсов машины переменного тока, эти части электрически соединены одной полярностью с вторым проводящим цилиндром, другой полярностью с жидкометаллическим контактом соответствующей полярности якоря первой униполярной машины, жидкометаллические контакты первой и второй униполярных машин соответственно соединены между собой, обмотки возбуждения униполярных машин выполнены независимыми. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что первый и второй полые цилиндры выполнены из ферромагнитного материала и снабжены высокопроводящими немагнитными стержнями и короткозамыкающими кольцами. 3. Агрегат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ферромагнитный цилиндр индуктора синхронной машины разделен вдоль образующей немагнитными вставками через двойное полюсное деление, снабжен пазами, заполненными высокопроводящими немагнитными стержнями, расположенными на равном расстоянии от вставок, и снабжен жидкометаллическим контактом, установленным на его свободном торце. 4. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что дополнительный внутренний магнитопровод синхронной машины снабжен второй обмоткой якоря. 5. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что каждая из униполярных машин снабжена не менее чем двумя независимыми параллельными ветками якорей, вторая униполярная машина снабжена по крайней мере двумя независимыми обмотками возбуждения, а индуктор синхронной машины подключен к одной из параллельных ветвей якорей. 6. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что герметичные камеры заполнены инертным газом.