ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1996 года по МПК H02K31/00 

Предлагаемый электромашинный агрегат (ЭМА) относится к области электромашиностроения, в частности, к электромашинным агрегатам, содержащим несколько взаимосвязанных машин, и может быть использован в регулируемом электроприводе, а также генераторных агрегатах переменного тока с произвольной частотой вращения приводного вала.

Известна конструкция ЭМА, состоящая из машины переменного тока и двух униполярных машин, авт.свид. СССР 1064386, бюлл. изобр. 48, 1983 г. которая может быть принята в качестве аналога и прототипа. Прототип содержит машину переменного тока (асинхронный двигатель), имеющую статор с магнитопроводом и обмоткой переменного тока, индуктор (ротор) с короткозамкнутой обмоткой и магнитопроводом, две униполярные машин со статорами с магнитопроводами и кольцевыми катушками возбуждения, якорями магнитопроводами и обмотками, герметичную кольцевую камеру с жидкометаллическими контактами, приводной вал с магнитной муфтой в виде полого цилиндра, имеющий связь только с якорем второй униполярной машины, подшипниковые опоры.

Недостатками прототипа являются: большие масса и габариты, так как в передаче вращающего момента на приводной вал участвует только одна (вторая) униполярная машина, низкие энергетические характеристики (соs cosΦ, КПД), так как машина переменного тока асинхронная, узкий диапазон регулирования, так как одна катушка возбуждения на две униполярные машины не позволяет изменять в них соотношение магнитных потоков.

Цель изобретения уменьшение массогабаритов, повышение диапазона регулирования и энергетических характеристик. Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа, обмотка и магнитопровод индуктора машины переменного тока, обмотки и магнитопроводы якорей униполярных машин установлены с возможностью свободного вращения на приводном валу, причем вал снабжен торцевыми кольцами, разделительным кольцом и защитным цилиндром, совместно образующими две кольцевые герметичные камеры, обмотка индуктора машины переменного тока и обмотка якоря первой униполярной машины выполнены в виде первого и второго полых проводящих цилиндров, жестко механически соединенных между собой и установлены с соответствующими им магнитопроводами в первой герметичной кольцевой камере с жидкометаллическими контактами, обмотка якоря второй униполярной машины выполнена в виде третьего полого ферромагнитного, проводящего цилиндра и установлена с магнитопроводом во второй герметичной кольцевой камере с жидкометаллическими контактами, магнитопровод статора второй униполярной машины со стороны его внутренней цилиндрической поверхности снабжен пазами, жидкометаллические контакты якорей униполярных машин жестко механически связаны с валом и соединены между собой, кроме того обмотка якоря первой униполярной машины выполнена в виде полого ферромагнитного цилиндра, снабженного немагнитными проводящими стержнями, разделенного по осям симметрии кольцевых катушек возбуждения немагнитными кольцами, третий полый ферромагнитный цилиндр разделен по осям симметрии кольцевых катушек возбуждения немагнитными кольцами, снабжен пазами, заполненными немагнитным проводящим материалом, обращенным к соответствующим пазам магнитопровода статора второй униполярной машины, кроме того, первый полый проводящий цилиндр со стороны второго полого цилиндра разделен вдоль образующей на части изоляционными промежутками на длине магнитопровода машины переменного тока, числом равным числу полюсов обмотки переменного тока, эти части соединены одной полярностью с ближайшим торцом второго полого цилиндра, другой полярностью с жидкометаллическим контактом соответствующей полярности якоря первой униполярной машины, кроме того, магнитопровод индуктора машины переменного тока и магнитопроводы якорей униполярных машин механически отделены от соответствующих им обмоток и жестко закреплены на валу, кроме того, защитный цилиндр выполнен из чередующихся по окружности ферромагнитных и немагнитных пластин и разделен по осям симметрии катушек возбуждения кольцевыми немагнитными вставками, кроме того, немагнитные пластины выполнены из высокопроводящего материала, снабжены изоляцией и разделены на две группы, одна группа электрически соединена с жидкометаллическими контактами одной полярности, другая группа с жидкометаллическими контактами другой полярности, кроме того, внешние цилиндрические поверхности полых цилиндров снабжены антифрикационным слоем, кроме того, магнитопровод статора первой униполярной машины снабжен дополнительной катушкой возбуждения, а ее якорь снабжен дополнительным скользящим контактом, установленным примерно по магнитной оси симметрии дополнительной катушки, причем дополнительный контакт электрически соединен с ближайшим скользящим контактом первой униполярной машины, кроме того статор машины переменного тока 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, кроме того, магнитопровод индуктора машины переменного тока выполнен из немассивного ферромагнитного материала.

Отличительными признаками изобретения являются:
-магнитопровод индуктора машины переменного тока и магнитопроводы якорей униполярных машин установлены на приводном валу, а жидкометаллические контакты жестко связаны с валом;
машина переменного тока выполнена синхронной, ее током возбуждения является ток якоря первой униполярной машины;
индуктор синхронной машины выполнен в виде полого проводящего цилиндра, разделенного на части изоляционными промежутками, числом равным числу полюсов;
обмотки якорей униполярных машин выполнены в виде второго и третьего ферромагнитных проводящих цилиндров;
защитные цилиндры выполнены из чередующихся магнитных и немагнитных проводящих пластин;
немагнитные проводящие пластины разделены на две группы и соединены с соответствующими полярностями жидкометаллических контактов;
второй и третий полые проводящие цилиндры снабжены по периферийным поверхностям антифрикционным слоем;
статор машины промежуточного тока выполнен в виде полого цилиндра, собранного из клинообразных ферромагнитных пластин, между которыми размещены плоские обмотки переменного тока и соединены по типу многофазных обмоток переменного тока;
магнитопровод индикатора выполнен из немассивного ферромагнитного материала.

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

На фиг. 1 изображено устройство электромашинного агрегата, продольное сечение, фиг.2 сечение А-А, фиг.3 сечение В-В, фиг.4 защитный цилиндр, продольное сечение.

Электромашинный агрегат, фиг. 1, включает машину переменного тока 1, первую униполярную машину 2 и вторую униполярную машину 3. Машина переменного тока (синхронная или асинхронная), фиг.1, фиг.2, содержит статор, выполненный в виде полого цилиндра 4 с торцевыми дисками 5, с установленными в них ферромагнитными пластинами 6, фиг.2, клинообразного поперечного сечения из немассивного ферромагнитного материала, с обмоткой переменного тока, выполненной в виде плоских катушек 7, размещенных между клинообразными пластинами 6, и соединенных между собой по типу многофазных обмоток, внутреннее пространство катушек 7 заполнено другими ферромагнитными пластинами 8; магнитопровод 9 индуктора и обмотку 10 индуктора. Первая униполярная машина 2, фиг. 1, содержит статор с магнитопроводом 11 и кольцевыми обмотками возбуждения 12, обмотку 13 якоря и его магнитопровод 14. Вторая униполярная машина 3, фиг.1, содержит статор с магнитопроводом 15, кольцевыми обмотками возбуждения 12 и 16, торцевым магнитопроводом 17, обмотку якоря 18 и его магнитопровод 19.

Магнитопровод 9 индуктора машины переменного тока и магнитопроводы якорей 11 и 19 униполярных машин установлены на выходном валу 20, фиг.1. На валу 20, фиг.1, установлены торцевые кольца 21, 21', разделительное кольцо 22 и защитный цилиндр 23, совместно образующие первую 24 и вторую 25 герметичные кольцевые камеры. Обмотка 10 индуктора машины переменного тока в асинхронном варианте выполняется в виде ферромагнитного полого цилиндра 10, фиг. 1, с короткозамкнутой беличьей клеткой, в синхронном варианте в виде первого полого проводящего цилиндра 10, разделенного вдоль образующей на части изоляционными промежутками 26, фиг.2, на длине магнитопровода машины переменного тока, числом, равным числу полюсов обмотки переменного тока 7. Обмотка якоря 13 первой униполярной машины 2, фиг.1, выполнена в виде второго полого ферромагнитного цилиндра 13, снабженного немагнитными проводящими стержнями, разделенного по осям симметрии катушек возбуждения 12 немагнитными кольцами 27, и снабжена жидкометаллическими контактами 28. Части первого проводящего цилиндра 10 (индуктора синхронной машины) соединены одной полярностью с ближайшей частью второго проводящего цилиндра 13, другой полярностью с жидкометаллическим контактом соответствующей полярности якоря 13 первой униполярной машины. Полые цилиндры 10 и 13 механически соединены между собой и установлены в первой кольцевой камере 24. Обмотка якоря 18 второй униполярной машины выполнена в виде третьего полого ферромагнитного цилиндра 18, снабженного пазами 29, фиг.3, заполненными немагнитным проводящим материалом и жидкометаллическими контактами 30. Аналогичные пазы 31, фиг.3, выполнены и на статоре второй униполярной машины 3, фиг.1, и обращены к пазам 29 якоря 18. Защитный цилиндр 23, фиг.1 и фиг.3, выполнен из чередующихся по окружности ферромагнитных 32 и немагнитных (медных) пластин 33, снабженных изоляцией. Немагнитные медные пластины 33, фиг.3 и фиг.4, разделены на две группы и соединены с соответствующими полярностями жидкометаллических контактов 28 и 30, фиг.1. Жидкометаллические контакты 28 первой униполярной машины замкнуты на жидкометаллические контакты 30 второй униполярной машины. Выходной вал 20, фиг.1, установлен на подшипниковых опорах 34. Статор первой униполярной машины 2, фиг. 1, снабжен дополнительной обмоткой возбуждения 35 и дополнительным скользящим контактом 36, соединенным с ближайшим скользящим контактом 28. Полые цилиндры 13 и 18, фиг.1, первой и второй униполярных машин снабжены антифрикционным покрытием 37.

Устройство работает следующим образом в варианте с синхронной машиной переменного тока. При подаче напряжения в обмотку переменного тока 7, фиг.1 и фиг. 2, синхронной машины 1 ее индуктор 10 придет во вращение с частотой, близкой к частоте вращения электромагнитного поля обмотки 7. Одновременно придет во вращение и якорь 13 первой униполярной машины 2. При подаче возбуждения в кольцевую обмотку возбуждения 35 в якоре 13, фиг.1, в частности, на участке между жидкометаллическими контактами 36 и 38 (примыкающими к синхронной машине) наведется униполярная ЭДС, а поскольку эти контакты замкнуты друг на друга, то по замкнутой цепи, образованной обмоткой индуктора 10, частью якоря 13 между замкнутыми жидкометаллическими контактами 36 и 28, прилегающему к синхронной машине, потечет постоянный ток. Этот ток создаст в индукторе 10 магнитный поток с числом полюсов, равным числу изоляционных промежутков 26, фиг.2, и числу полюсов обмотки переменного тока 7, и индуктор 10 втянется в синхронизм с вращающимся электромагнитным полем обмотки переменного тока 7 синхронной машины. Синхронная машина 1 окажется работающей на холостом ходу. При подаче возбуждения в кольцевую катушку 12 в магнитной системе, образованной магнитопроводами 11 и 15 статоров униполярынх машин 2 и 3, фиг.1, защитным цилиндром 23, обмотками якорей 13 и 18 и их магнитопроводами 14 и 19 униполярных машин возбудится магнитный поток. Этот поток наведет униполярную ЭДС во вращающемся якоре 13, фиг.1, первой униполярной машины и по замкнутой цепи якорей 13 и 18 и жидкометаллическим контактам 36, 28, 30 и медным пластинам 33, фиг.1 фиг.4, потечет постоянный ток. Этот ток, протекающий по обмотке якоря 18, второй униполярной машины 3, фиг. 1, взаимодействуя с магнитным потоком катушки 12, создаст вращающий момент, действующий на якорь 18. Такой же равный момент, но обратного знака будет приложен и к скользящим контактам 30. Магнитный поток замыкается по участкам магнитопроводов статора 15, фиг. 3 и фиг.1, и ферромагнитного цилиндра 18 обмотки якоря второй униполярной машины лишь свободным от пазов 31 и 29 (заполненных немагнитным материалом), что создает силу, удерживающую цилиндр 18 неподвижным относительно статора 15. Скользящие контакты 30, фиг.1, жестко механически закреплены на валу 20 посредством защитного цилиндра 23 и торцевых колец 21 и 21'. Вращающий момент, действующий на скользящие контакты 30, передается на вал 20 и он придет во вращение. Первая униполярная машина 2, фиг.1, работает в режиме униполярного генератора и ее обмотка якоря 13 создает тормозной момент, равный моменту вращения индуктора 10 синхронной машины 1. Аналогичный по величине, но обратный по знаку приложен момент и к скользящим контактам 28, которые жестко связаны с валом 20, фиг.1, через защитный цилиндр 23. Согласование по направлению вращающего момента скользящих контактов 28 защитного цилиндра 23, первой униполярной машины с вращающим моментом скользящих контактов 30 второй униполярной машины достигается направлением магнитного потока второй униполярной машины 3, которое регулируется направлением токов в катушках возбуждения 12 и 16. При наличии одной совмещенной катушки 12 на две униполярные машины необходимо устанавливать вторую независимую катушку 16 с торцевым магнитопроводом 17 (или без него при смещении катушки 16 внутрь статора 15), что позволяет регулировать магнитный поток во второй униполярной машине 3 независимо от магнитного потока первой униполярной машины 2, а следовательно, и частоту вращения вала в заданном диапазоне. Таким образом, на вал 20, фиг.1, действуют два вращающих момента двух униполярных машин 2 и 3 и он придет во вращение. При увеличении частоты вращения вала 20 происходит уменьшение униполярной ЭДС первой униполярной машины 2, поскольку при постоянной частоте вращения якоря 13, фиг.1, определяемой частотой вращения электромагнитного поля синхронной машины 1, происходит уменьшение относительной частоты вращения между якорем 13 и скользящими контактами 28, а, следовательно, происходит снижение нарастания относительной частоты вращения скользящих контактов 30 и якоря 18 второй униполярной машины. Увеличение частоты вращения вала 20 происходит до тех пор, пока не выполнится соотношение

где Е ЭДС якоря первой униполярной машины,
F магнитный поток второй униполярной машины.

Для дальнейшего повышения частоты вращения вала 20 необходимо увеличить магнитный поток, а, следовательно, и ЭДС первой униполярной машины. Дополнительная катушка 35, фиг.1, позволяет регулировать ток в индукторе 10 синхронной машины независимо от тока в якоре 13 первой униполярной машины. Машина 1, фиг.1, переменного тока может выполняться с асинхронным индуктором 10, но это значительно ухудшает энергетические характеристики электромашинного агрегата (cosΦ, КПД). В тихоходных электромашинных агрегатах целесообразно заполнять жидким металлом весь верхний слой зазора между защитным цилиндром 23 и якорями 13 и 18, фиг.1. Это позволяет при наличии антифрикционного слоя 17 между трущимися поверхностями получить опоры скольжения якорей 13, 18 и индуктора 10. В крупных электромашинных агрегатах для снижения массы вращающихся якорей 13, 18 и индуктора 10 целесообразно отделить обмотки индуктора 10 машины переменного тока и обмотки якорей 13 и 18 униполярных машин от их магнитопроводов, при этом эти магнитопроводы жестко устанавливаются на валу 20. В этом случае магнитопровод индуктора 9 синхронной машины должен выполняться из немассивного ферромагнитного материала.

Для уменьшения массы и габаритов статор машины переменного тока 1, фиг.1 и 2, выполняется составным из собранных отдельно зубцов 6 (ферромагнитных клинообразных пластин), установленным между дисками 5 и размещенных между ними плоскими катушками 7, заполненными внутри прямоугольными ферромагнитными пластинами 8. Катушки 7 между собой соединяются по принципу традиционных многофазных обмоток и круговое вращающееся поле в статоре полностью аналогично статорам традиционных машин переменного тока. Отличие состоит в отсутствии лобовых частей обмотки статора, что резко уменьшает габариты машины.

Защитный цилиндр 23, фиг.1, фиг.3, фиг.4, выполнен из чередующихся ферромагнитных 32 и медных 33 пластин. Медные (немагнитные) пластины препятствуют замыканию магнитных потоков машины переменного тока 1, униполярных машин 3 и 2 по окружности, тем самым резко уменьшают потоки рассеяния. С другой стороны это позволяет выполнить защитный цилиндр 23 требуемой толщины и надежности. Использование вместо немагнитных пластин меди позволяет использовать конструкцию защитного цилиндра по второму назначению - в качестве системы тоководов и скользящих контактов.

Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в уменьшении массы и габаритов, улучшении энергетических характеристик, так как обе униполярные машины участвуют в создании вращающего момента, машина переменного тока выполнена синхронной.

Использование: в качестве регулируемого электропривода машин и механизмов, а также генераторов переменного тока стабильной частоты с приводом от первичного двигателя с произвольной частотой вращения. Сущность изобретения: электромашинный агрегат включает синхронную машину 1 и две униполярные машины 2 и 3, содержит внешний статор с магнитопроводами, обмоткой 7 переменного тока и кольцевыми обмотками возбуждения 12 и 16 униполярных машин 2 и ротор с двумя герметичными кольцевыми камерами 25, 26 на его периферии и валом 20, установленным на подшипниковых опорах. Индуктор синхронной машины выполнен в виде полого электропроводящего цилиндра 10, жестко сочленен с якорем первой униполярной машины 2, также выполненной в виде полого электропроводящего цилиндра 13, снабжен жидкометаллическими контактами 28 и установлен с возможностью свободного вращения в первой герметичной камере 25 ротора. Якорь второй униполярной машины 3 выполнен в виде третьего полого ферромагнитного цилиндра 18 с пазами, заполненными немагнитным проводящим материалом, обращенным к расточке статора, причем магнитопровод статора этой униполярной машины также снабжен пазами. Якорь второй униполярной машины 3 размещен во второй герметичной камере 26 и снабжен жидкометаллическими контактами. Жидкометаллические контакты двух униполярных машин замкнуты друг на друга. Током возбуждения индуктора синхронной машины 1 является рабочий ток якоря первой униполярной машины 2. Вращающий момент на вал ротора электромашинного агрегата передается от якорей обеих униполярных машин 2 и 3. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Электромашинный агрегат, содержащий машину переменного тока с магнитопроводом и обмоткой переменного тока, индуктор с обмоткой и магнитопроводом, две униполярные машины со статорами с магнитопроводами и кольцевыми катушками возбуждения, с якорями, магнитопроводами и обмотками, герметичную кольцевую камеру с жидкометаллическими контактами, приводной вал с подшипниковыми опорами, отличающийся тем, что обмотка и магнитопровод индуктора машины переменного тока, обмотки и магнитопроводы якорей униполярных машин установлены с возможностью свободного вращения на приводном валу, причем вал снабжен торцевыми кольцами, разделительным кольцом и защитным цилиндром, совместно образующими две кольцевые герметичные камеры, обмотка индуктора машины переменного тока и обмотка якоря первой униполярной машины выполнены в виде первого и второго полых электропроводных цилиндров, жестко механически соединенных между собой, и установлены с соответствующими магнитопроводами в первой герметичной кольцевой камере с жидкометаллическими контактами, обмотка якоря второй униполярной машины выполнена в виде третьего полого ферромагнитного электропроводного цилиндра и установлена с магнитопроводом во второй герметичной кольцевой камере с жидкометаллическими контактами, магнитопровод статора второй униполярной машины со стороны его внутренней цилиндрической поверхности выполнен с пазами, жидкометаллические контакты якорей униполярных машин жестко механически связаны с валом и соединены между собой.