АСИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК H02K17/30 

Изобретение относится к регулируемым асинхронным электрическим машинам и может быть использовано в качестве регулируемого электропривода или генератора общепромышленного назначения.

Известны регулируемые асинхронные двигатели с магнитными шунтами [1] Недостатком таких двигателей является узкий диапазон регулирования, большие потери скольжения при регулировании. Это техническое решение принято за аналог. Техническое решение наиболее близко соотносящееся к предполагаемому изобретению описано в патенте СССР "Асинхронный регулируемый двигатель" [2] и принято за прототип.

Асинхронный регулируемый двигатель содержит статор, включающий основной магнитопровод, несущий обмотку переменного тока, дополнительный магнитопровод с немагнитным кольцом, две униполярные обмотки возбуждения, первый и второй полые ферромагнитные цилиндры с замкнутыми друг на друга скользящими контактами, обеспечивающими цилиндрам возможность свободного вращения, и снабженные проводящими немагнитными стержнями и короткозамкнутыми кольцами, ротор с основным магнитопроводом несущим обмотку, первым дополнительным магнитопроводом с обмоткой и вторым дополнительным зубчатым магнитопроводом. Прототипу присущи следующие недостатки:
1. Униполярный магнитный поток замыкается поперек шихтовки первого дополнительного магнитопровода ротора, что приводит к резкому увеличению эффективного воздушного зазора и требует весьма большой мощности возбуждения униполярной обмотки и снижает кпд электродвигателя.

2. Переменный магнитный поток первого дополнительного магнитопровода ротора каждой пары полюсов замыкается по магнитопроводу первого полого ферромагнитного цилиндра вокруг высокопроводящего стержня, поэтому толщина ферромагнитного цилиндра определяется индукцией насыщения в поперечном сечении этого цилиндра и требует значительных размеров. В связи с чем, масса и поперечные размеры первого цилиндра становятся весьма значительными. Кроме того, немагнитные вставки также уменьшают полезное использование первого цилиндра.

3. Скользящие контакты открыты, что не позволяет использовать жидкометаллический контакт с сохранением высокой надежности.

Цель изобретения улучшение энергетических характеристик машины и повышение надежности. Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа ротор снабжен третьим дополнительным магнитопроводом, установленным между первым и вторым дополнительными магнитопроводами, дополнительный магнитопровод статора по длине первого полого ферромагнитного цилиндра выполнен из шихтованного ферромагнитного материала, разделен от остальной его части вторым немагнитным кольцом, а концентрично двум ферромагнитным цилиндрам установлен полый внутренний цилиндр, образующий совместно с дополнительным магнитопроводом статора две кольцевые герметичные камеры, внутри одной из которых находится второй ферромагнитный цилиндр, причем, внутри другой герметичной камеры установлен третий ферромагнитный цилиндр, жестко связанный с первым, скользящие контакты выполнены жидкометаллическими, а первый полый ферромагнитный цилиндр разделен вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу полюсов обмотки ротора первого дополнительного магнитопровода, эти части замкнуты с одного торца короткозамыкающими кольцами, с другого торца одной полярности электрически соединены с проводящими стержнями третьего полого ферромагнитного цилиндра, другой полярностью cоединены с жидкометаллическим контактом соответствующей полярности первого цилиндра, кроме того, герметичные кольцевые камеры заполнены инертным газом.

Отличительными признаками предполагаемого изобретения являются: разделение путей магнитных потоков, возбуждаемых переменным и постоянным потоками, путем введения третьего дополнительного магнитопровода на роторе, разделением магнитопровода статора вторым немагнитным кольцом; изменение пути замыкания магнитного потока первого дополнительного магнитопровода ротора за счет создания полного витка на каждый полюс индуктора (в прототипе 1/2 витка на полюс) путем разделения первого полого ферромагнитного цилиндра с высокопроводящими стержнями на изолированные части, числом равным числу полюсов обмотки ротора первого дополнительного магнитопровода, а также выполнением части дополнительного магнитопровода статора шихтованным; в таком случае магнитный поток первого дополнительного магнитопровода ротора замыкается не по поперечному сечению первого дополнительного цилиндра, а по шихтованной части статора, при этом отпадает необходимость в немагнитных вставках первого ферромагнитного цилиндра. Резко повышается коэффициент заполнения ферромагнитного цилиндра медью (высокопроводящими стержнями), а следовательно, снижаются потери, повышается кпд; уменьшение массы первого полого вращающего цилиндра, поскольку магнитный поток не замыкается по поперечному сечению первого ферромагнитного цилиндра; это приводит к уменьшению потерь трения; дополнительный магнитопровод статора снабжен двумя герметичными кольцевыми камерами с установленными ферромагнитными цилиндрами и жидкометаллическими контактами, что повышает надежность асинхронной машины.

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 изображена конструктивная схема асинхронной электрической машины; на фиг. 2 сечение АА, на фиг. 3 сечение ВВ. Асинхронная электрическая машина включает статор с основным магнитопроводом 1 и обмоткой переменного тока 2, дополнительным магнитопроводом 3 с первым немагнитным кольцом 4, первой 5 и второй 6 униполярными катушками возбуждения, с первым 7 и вторым 8 полыми ферромагнитными цилиндрами с высокопроводящими немагнитными стержнями 9 (фиг. 2) и 10 (фиг. 3), с короткозамыкающими кольцами 11, установленными с возможностью свободного вращения, ротор с основным магнитопроводом 12 и обмоткой 13, первым дополнительным магнитопроводом 14 с обмоткой 15, вторым дополнительным магнитопроводом 16 с пазами 17 (фиг. 3) и третьим дополнительным магнитопроводом 18.

Дополнительный магнитопровод статора 3 (фиг. 1) на длине первого ферромагнитного цилиндра 7 выполнен из шихтованного (немассивного) ферромагнитного материала 19 и разделен от основной части дополнительного магнитопровода вторым немагнитным кольцом 20. Дополнительный магнитопровод статора 3 снабжен двумя герметичными кольцевыми камерами 21 и 22 с установленными в них полыми ферромагнитными цилиндрами 7 и 8 и жидкометаллическими контактами 23.

Первый полый ферромагнитный цилиндр 78 с высокопроводящими немагнитными стержнями 9 (фиг. 2) разделен вдоль образующей изоляционными прокладками 24 (фиг. 2) с числом равным числу полюсов обмотки 15 ротора первого дополнительного магнитопровода 14. Первый полый ферромагнитный цилиндр 7 механически жестко сочленен с третьим полым ферромагнитным цилиндром 25, заполненным аналогично первому цилиндру высокопроводящими немагнитными (медными) стержнями (изоляционные прокладки 24 (фиг. 2) в третьем цилиндре 25 могут отсутствовать). Первая униполярная обмотка возбуждения 5 размещена в поперечном сечении дополнительного магнитопровода 3, между первой 21 и второй 22 герметичными камерами. Жидкометаллические контакты 23 третьего 25 и второго 8 полых ферромагнитных цилиндров замкнуты друг на друга, при этом высокопроводящие стержни третьего ферромагнитного цилиндра 25 соединены с одной полярностью (например, +) высокопроводящих стержней 9 первого ферромагнитного цилиндра 7 (фиг. 2). Вторая полярность этих высокопроводящих стержней 9 (соответственно -) соединена с жидкометаллическим контактом 23.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения в обмотку переменного тока 2 (фиг. 1), ротор 12 может прийти во вращение с какой-либо частотой. В обмотке ротора 13 наведется эдс частоты скольжения. Под действием этой эдс по обмотке 15 ротора дополнительного магнитопровода 14 потечет ток, который создаст в дополнительном магнитопроводе вращающее поле с числом полюсов равным числу полюсов обмотки 15 дополнительного магнитопровода 14. При этом придет во вращение первый ферромагнитный цилиндр 7 и сочлененный с ним третий ферромагнитный цилиндр 25. При достижении ферромагнитным цилиндром 7 подсинхронной частоты вращения в униполярную обмотку возбуждения 5 подается постоянный ток, возбуждающий униполярный магнитный поток. Под действием униполярного магнитного потока в третьем ферромагнитном цилиндре 25 наведется униполярная эдс, в результате чего по замкнутой цепи, образованной третьим, первым и вторым ферромагнитными цилиндрами и замкнутыми друг на друга жидкометаллическими контактами 23, потечет постоянный ток. Этот ток создает в первом ферромагнитном цилиндре 7 (фиг. 2) систему пар полюсов с числом полюсов равным числу изоляционных прокладок 24. При этом первый ферромагнитный цилиндр 7 втянется в синхронизм с вращающимся электромагнитным полем, возбуждаемым обмоткой 15 ротора первого дополнительного магнитопровода 14. Одновременно униполярный магнитный поток возбуждаемый обмоткой 5 (фиг. 1), будет замыкаться и по второму ферромагнитному цилиндру 8 (фиг. 1 и 3). Второй ферромагнитный цилиндр 8 придет во вращение с частотой, определяемой соотношением между униполярной эдс и величиной магнитного потока, пересекающего поверхность цилиндра 8 (Е=спф). При этом частота вращения ферромагнитного цилиндра 8 может не совпадать с частотой вращения основного ротора 12. Совпадение частот вращения ферромагнитного цилиндра 8 и ротора 12 достигается подачей тока во вторую униполярную обмотку возбуждения 6. В этом случае второй ферромагнитный цилиндр 8 (фиг. 1) и (фиг. 3) совместно со вторым дополнительным магнитопроводом 16 ротора будет работать в режиме синхронной муфты и передавать вращающий момент на ротор. Величина суммарного магнитного потока, пересекающего второй ферромагнитный цилиндр, может сохраняться неизменной при широком диапазоне регулирования магнитных потоков, создаваемых первой и второй униполярными обмотками. Это позволяет регулировать cosΦ асинхронной машины при неизменных оборотах или регулировать частоту вращения в диапазоне, определяемом от синхронной частоты вращения электромагнитного поля основной асинхронной машины практически до нулевого значения.

Преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются в улучшении энергетических характеристик, так как униполярный магнитный поток первого дополнительного магнитопровода замыкается по массивной магнитной стали, а не поперек шихтовки пакета стали, что значительно уменьшает его магнитное сопротивление, а следовательно, уменьшает потери на возбуждение; переменный магнитный поток первого дополнительного ротора замыкается по дополнительному магнитопроводу шихтованного статора, а не по поперечному сечению первого ферромагнитного цилиндра. Кроме того, отпадает необходимость в немагнитных вставках в первом ферромагнитном цилиндре, что позволяет повысить коэффициент заполнения медью и снизить потери, а также резко уменьшить массу и габариты первого ферромагнитного цилиндра; рабочий ток третьего ферромагнитного цилиндра создает полный виток на полюс, что в 2 раза по сравнению с прототипом повышает мощность индуктора, а следовательно, повышает использование активных материалов.

Герметичные кольцевые камеры с жидкометаллическими контактами позволяют повысить надежность асинхронной электрической машины.

Использование: электротехника, асинхронная электрическая машина. Сущность изобретения: асинхронная электрическая машина содержит статор с основным магнитопроводом 1 и обмоткой переменного тока 2 и ротор с основным магнитопроводом 12 и обмоткой 13. Статор имеет дополнительный магнитопровод 3 с немагнитными кольцами 4 и 20 и униполярные обмотки возбуждения 5 и 6. Ротор включает в себя первый дополнительный магнитопровод 14 с обмоткой 15, второй дополнительный зубчатый магнитопровод 16 и третий дополнительный магнитопровод 18. Третий дополнительный магнитопровод ротора размещен между дополнительными магнитопроводами 14 и 16. Герметичные кольцевые камеры 21 и 22 расположены внутри дополнительного магнитопровода статора. Внутри камер размещены полые ферромагнитные цилиндры 7,8 и 25 и жидкометаллические контакты 23. Ферромагнитные цилигдры 7, 8 и 25 могут свободно вращаться. Возможно заполнение герметичных камер инертным газом. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Асинхронная электрическая машина, содержащая статор, включающий основной магнитопровод, несущий обмотку переменного тока, дополнительный магнитопровод с немагнитным кольцом, две униполярные обмотки возбуждения, первый и второй полые ферромагнитные цилиндры с замкнутыми друг на друга скользящими контактами, обеспечивающими цилиндрам возможность свободного вращения, и снабженные проводящими немагнитными стержнями и короткозамкнутыми кольцами, ротор с основным магнитопроводом, несущим обмотку, первым дополнительным магнитопроводом с обмоткой и вторым дополнительным зубчатым магнитопроводом, отличающаяся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик и повышения надежности, ротор снабжен третьим дополнительным магнитопроводом, установленным между первым и вторым дополнительными магнитопроводами, дополнительный магнитопровод статора по длине первого полого ферромагнитного цилиндра выполнен из шихтованного ферромагнитного материала, разделен от остальной его части вторым немагнитным кольцом, а концентрично двум ферромагнитным цилиндрам герметично установлен полый внутренний цилиндр, образующий совместно с дополнительным магнитопроводом статора две кольцевые герметичные камеры, внутри одной из которых находится второй ферромагнитный цилиндр, причем внутри другой герметичной камеры установлен третий ферромагнитный цилиндр, жестко связанный с первым, скользящие контакты выполнены жидкометаллическими, а первый полый ферромагнитный цилиндр разделен вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу полюсов обмотки ротора первого дополнительного магнитопровода, эти части замкнуты с одного торца короткозамкнутыми кольцами, с другого торца одной полярности электрически соединены с проводящими стержнями третьего полого ферромагнитного цилиндра, другой полярностью соединены с жидкометаллическим контактом соответствующей полярности первого цилиндра.