МНОГОФАЗНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК H02K19/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бесконтактных электроприводах.

Известна многофазная машина с раздельными фазами индукторного типа (авт. свид. N 1580492).

Техническое решение, защищенное в указанном изобретении, имеет значительное преимущество перед традиционными электрическими машинами оно надежнее, проще и технологичнее благодаря отсутствию пазовых обмоток; улучшены массо-габаритные показатели благодаря высокой индукции в рабочем зазоре и позволяет создать низкоскоростные, высокоэффективные безредукторные электроприводы.

Технический результат, достигаемый данным изобретением, состоит в создании полностью бесконтактного электродвигателя с характеристиками машины коллекторного типа "автосинхронного", у которого частота тока равна или кратна частоте вращения собственного ротора. Кроме того, у машины по данному изобретению все обмотки сосредоточенные, наиболее технологичные и надежные.

Для создания автосинхронной машины с характеристиками коллекторной машины с независимым возбуждением и широкими пределами регулирования предлагается: многофазная электрическая машина с раздельными фазами, содержащая статор, снабженный смещенными вдоль оси машины зубчатыми кольцевыми или дуговыми магнитопроводами группами по 4 в каждой фазе. Совпадающие оси зубцов ("пар полюсов") 1-го и 3-го магнитопроводов смещены на одно полюсное деление от оси зубцов 2-го и 4-го магнитопроводов, с кольцевыми или дуговыми обмотками, размещенными между указанными магнитопроводами. Ротор выполнен зубчатым, с числом зубцов ("пар полюсов") на единицу дуги, равным числу зубцов на магнитопроводах статора. В каждой фазе статора установлена дополнительно группа зубчатых магнитопроводов с обмотками, с 4-мя магнитопроводами при дуговом выполнении и 4-мя или 2-мя при кольцевом выполнении статора, причем средняя обмотка первой трансформаторной группы подключена к внешней части однофазного переменного тока, а крайние его обмотки к выпрямителям, выход которых встречно подключен к катушкам средней обмотки двигательной группы и при дуговом исполнении группы фаз статора смещены по дуге общего зубчатого ротора друг относительно друга на угол 2π/m (где m число фаз; при двухфазной машине m=4), а при кольцевом выполнении группы смещены друг относительно друга вдоль оси машины. Роторы каждой из групп отдельные и механически связаны друг с другом. При 4-х магнитопроводах у двигательной группы ротор аналогичен ротору 1-ой группы (трансформаторной) и состоит из продольных магнитопроводящих брусков, а при 2-х магнитопроводах двигательной группы из расположенных вдоль оси машины брусков постоянных магнитов, смещенных друг относительно друга по дуге ротора на одно полюсное деление. Все нечетные бруски в этом случае имеют одну полярность, а все четные - противоположную. Питание всей многофазной системы: от однофазной сети (для всех первичных обмоток трансформаторных модулей) и от сети постоянного тока (при электромагнитном возбуждении двигательных модулей).

Изобретение иллюстрируется фиг.1-4 и графиком наведенных и выпрямленных токов фиг.5.

На фиг. 1 изображена принципиальная конструкция двухфазной машины в дуговом исполнении два дуговых модуля трансформаторных и два двигательных с общим ротором с продольными зубцами и полюсами ("шестеренка").

На фиг.2 принципиальная конструкция двухфазной машины с двумя кольцевыми модулями на внутреннем статоре и двумя дуговыми модулями на наружном статоре для конкретности основные размеры (масштаб 1:10) приведены для магистрального электровоза двигателя, устанавливаемого непосредственно на оси колес; роторные бруски "спицы" намечено при этом закрепить во внутреннем ободе колес.

На фиг.3 показан разрез А-А модуля; на фиг.4 электрическая схема включения обмоток с элементами регулирования, соответствующими обычным элементам регулирования коллекторного двигателя постоянного тока, например, тягового. На фиг.5 показаны:
а) график потокосцепления ψ₂₁ одной из вторичных обмоток, например, левой трансформаторного модуля первой фазы, и соответственно, ток, поступающий на вход выпрямительного мостика этой обмотки при повороте ротора на дугу, равную расстоянию между осями соседних зубцов;
б) i₂₁ выпрямленный ток этого мостика;
в) i₂₂ выпрямленный ток, например, левой вторичной обмотки соответствующего мостика 2-ой фазы;
г) i₂₃ выпрямленный ток другой (например, правой) вторичной обмотки первой фазы;
д) i₂₄ выпрямленный ток мостика правой вторичной обмотки второй фазы;
е) i_ф1 результирующий ток (i_ф1=i₂₁-i₂₃ якорной обмотки первой фазы двигательного модуля;
ж) i_ф2 результирующий ток (i_ф2=i₂₂-i₂₄ якорной обмотки второй фазы двигательного модуля.

На рис. 1-4: 1 опорная плита машины; 2 зубец полюс ротора (при наличии внутреннего статора продольный ферромагнитный брусок "спица" ротора); 3 зубец-полюс магнитопровода наружного статора; 4 магнитопровод наружного статора; 5 обмотка наружного статора; 6 продольный замыкающий магнитопровод наружного статора; 7 корпус машины; 8 рельс; 9 колесо; 10 зубец полюс внутреннего статора; 11 кольцевая обмотка внутреннего статора; 12 кольцевой магнитопровод внутреннего статора; 13 вал машины; 14 подшипник; 15 крышка машины; 16 выпрямительный мостик; 17 - регулировочные элементы в цепи возбуждения машины; 18 регулировочные элементы якорной цепи машины.

Работа машины ясна из рассмотрения фиг.5 в якорных обмотках двигателя действуют результирующие тока частоты вращения ротора машины, смещенные по фазе вращения ротора и по размещению на статоре. При их взаимодействии с потоками возбуждения, соответственно смещенными, создается знакопостоянный вращающий момент, и частота вращения ротора установится в зависимости от величины потока возбуждения, создающего соответствующую противоЭДС в якорных обмотках двигателя и величины преодолеваемого момента совершенно аналогично тем же процессам, происходящим в коллекторной машине постоянного тока, но при этом предлагаемая машина полностью бесконтактна, имеет только высоконадежные и технологичные, малотрудоемкие сосредоточенные обмотки, ротора "шестеренку" или "спицы", хорошее использование объемов благодаря высоким значениям индукции в зазорах особенно при электромагнитном возбуждении в двигательной части.

Рассчитанные конкретные машины (данные одной из них приведены на фиг.2) показывают на значительные преимущества предлагаемой машины перед обычными, в том числе по использованию объема. Возникают и дополнительные возможности использования предлагаемой машины для многодвигательного электропривода с трансформаторными модулями только у ведущей машины. Регулирование работы машины обычным воздействием на цепи возбуждения и якоря и при введении вместо механической связи следящей системы между роторами и трансформаторной и двигательной групп воздействием на угол поворота роторов друг относительно друга.

Использование: бесконтактные электроприводы. Сущность изобретения: многофазная электрическая машина содержит статор, состоящий из 2-х групп аксиально размещенных, кольцевых или 4-х дуговых зубчатых магнитопроводов. 1-й и 3-й магнитопроводы размещены без смещения друг относительно друга и образуют трансформаторную группу. Смещенные относительно них на полюсное деление 2-ой и 4-й магнитопроводы, образующие двигательную группу статора также размещены без смещения друг относительно друга. На магнитопроводах размещены кольцевые или дуговые обмотки. В каждой группе статора установлены дополнительно зубчатые магнитопроводы с обмотками. Число магнитопроводов в группе равно 4-м, при выполнении их дуговыми, и 4-м или 2-м, при выполнении их кольцевыми. Обмотка, размещенная на средней части трансформаторной группы предназначена для подключения к однофазной сети переменного тока, две обмотки той же группы, размещенные на крайних магнитопроводах группы подключены через выпрямители к выполненной из 2-х параллельных ветвей обмотке средней части двигательной группы. При выполнении магнитопроводов дуговыми группы смещены друг относительно друга на 2π/m рад., где m - число фаз. При выполнении магнитопроводов кольцевыми группы смещены друг относительно друга аксиально. Ротор выполнен безобмоточным зубчатым. Зубцовое деление ротора равно зубцовому делению статора. Ротор состоит из двух составных частей каждой группы. При выполнении двигательной группы из 4-х магнитопроводов роторы групп одинаковы и выполнены из продольных магнитопроводящих брусков. При выполнении двигательной группы из 2-х магнитопроводов роторы выполнены из брусков постоянных магнитов, размещенных с чередованием полярности по окружности ротора. 5 ил.

1. Многофазная электрическая машина, содержащая статор, состоящий из двух групп аксиально размещенных, кольцевых или четырех дуговых зубчатых магнитопроводов, причем первый и третий магнитопроводы, размещенные без смещения друг относительно друга и образующие трансформаторную группу, смещены на полюсное деление относительно второго и четвертого магнитопроводов, также размещенных без смещения друг относительно друга и образующих двигательную группу с размещенными на магнитопроводах кольцевыми или дуговыми обмотками и безобмоточный зубчатый ротор, зубцовое деление которого равно зубцовому делению статора, отличающаяся тем, что в каждой группе статора установлены дополнительно зубчатые магнитопроводы с обмотками, причем число магнитопроводов в группе равно 4, при выполнении их дуговыми и 4 или 2, при выполнении их кольцевыми, обмотка, размещенная на средней части трансформаторной группы, предназначена для подключения к однофазной сети переменного тока, две обмотки той же группы, размещенные на крайних магнитопроводах группы, подключены через выпрямители к выполненной из двух параллельных ветвей обмотке средней части двигательной группы, при выполнении магнитопроводов дуговыми группы смещены друг относительно друга на 2π/m рад. где m число фаз, при выполнении магнитопроводов кольцевыми группы смещены друг относительно друга аксиально, ротор выполнен из двух составных частей каждой группы, при выполнении двигательной части из четырех магнитопроводов роторы групп одинаковы и выполнены из продольных магнитопроводящих брусков, при выполнении двигательной группы из двух магнитопроводов выполнены из брусков постоянных магнитов, размещенных с чередованием полярности по окружности ротора. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что группы магнитопроводов выполнены в виде двух коаксиально размещенных статоров, между которыми размещен ротор. 3. Машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она выполнена с одной трансформаторной и несколькими двигательными группами, обмотки которых параллельно подключены к выходам выпрямителей. 4. Машина по пп.1 3, отличающаяся тем, что обмотка трансформаторной группы подключена к однофазной сети, а обмотка двигательной группы к выходам выпрямителей через регулирующие устройства. 5. Машина по пп. 1 4, отличающаяся тем, что связь между составными частями ротора обеспечена регулируемой по углу следящей системой.