ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК H02K41/06 

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано, например, при изготовлении асинхронных короткозамкнутых трехфазных электродвигателей различного назначения.

Известны электрические машины с низкой частотой вращения выходного вала дугостаторного типа, у которых статор выполнен в виде сегмента( см. например, Фридкин П. А. Безредукторный дугостаторный электропривод. М. Энергия. 1970). Основным недостатком дугостаторных электродвигателей является их низкие энергетические показатели.

Для получения малых скоростей и поступательного движения элементов электрической машины были предложены так называемые линейные электродвигатели, содержащие статор и подвижную часть, называемую бегуном (см. например, Радин В. И. и др. Электрические машины. М.Высшая школа. 1988, с. 221.224). Принципиальное отличие линейных электрических машин от электрических машин с вращательным движением ротора состоит в том, что первичный элемент линейной машины, например двигателя, создает не вращающееся, а бегущее магнитное поле. При этом подвижная часть двигателя с короткозамкнутой обмоткой, называемая также вторичным элементом, перемещается линейно (поступательно) вдоль своей оси. Однако принцип действия такой линейной электрической машины, например асинхронного линейного двигателя, подобен принципу действия асинхронного двигателя нормального исполнения. Основной недостаток линейного электродвигателя состоит в возникновении так называемого краевого эффекта приводящего к появлению тормозных усилий, неравномерному распределению тока в фазах обмотки статора и дополнительным потерям мощности в статоре и вторичном элементе. Эти недостатки объясняются тем, что магнитопровод статора не замкнут в кольцо.

Известна также электрическая машина, например электродвигатель по авт. свид. СССР N 1709472, кл. Н 02К 41/00 с двумя выходными валами. Ротор указанного электродвигателя установлен в расточке статора и состоит из ферромагнитного сердечника, закрепленного на валу, гибкой оболочки, охватывающей ферромагнитный сердечник и образующей полость с внешней поверхностью этого сердечника. Причем указанная полость заполнена подвижным ферромагнитным веществом. Особенностью конструкции электрического двигателя является то, что он снабжен вторым выходным валом, опирающимся на первый выходной вал через подшипник. При этом гибкая оболочка одним торцом жестко соединена с вторым выходным валом через подшипник. Это позволяет расширить функциональные возможности электрической машины, а именно получить, по мнению заявителя, одновременно разные частицы вращения выходных валов. Однако указанное положительное свойство достигается за счет усложнения конструкции узла выходных валов, так как последние входят один в другой. Кроме того, элементы ротора и статора рассматриваемой электрической машины, сосредоточены в относительно небольшом объеме пространства, поэтому в них могут возникать во время работы машины значительные тепловые нагрузки. Это обстоятельство в свою очередь накладывает известные ограничения на возможность увеличения мощности электрической машины из-за перегрева ее частей.

Известна также электрическая машина по патенту США N 4803387 кл. Н 02 К 41/06, которая является наиболее близкой к изобретению. Известная электрическая машина содержит статор, выполненный из множества электромагнитов, имеющих обмотки возбуждения и U-образные магнитопроводы с явновыраженными полюсами, заканчивающимися поверхностями дугообразной формы, и вторичный элемент, или ротор, выполненный в виде бесконечного кинематически гибкого звена, состоящего из отдельных жестких элементов из немагнитного материала и шарнирно соединенных между собой с помощью двух пальцев, одни концы которых вставлены в проушины жестких элементов, а другие выступают с двух сторон элемента и могут входить в углубления двух колес с целью осуществления зацепления с ними. На поверхности каждого жесткого элемента противоположно друг другу приклеены постоянные магниты в виде пластин из сплава самария и кобальта. Причем ширина постоянных магнитов равна ширине звена, а их длина в два раза меньше длины полюсных поверхностей статора. Катушки возбуждения статора питаются электрическим током от специального источника питания, имеющего сложное устройство для формирования электрических импульсов питания и контроля положения постоянных магнитов относительно полюсов статора. Известная электрическая машина работает следующим образом: при подаче в обмотку возбуждения рабочих импульсов тока создаются притягивающие и отталкивающие усилия в постоянных магнитах, которые через кинематические звенья вызывают вращение колес и соответствующих валов.

Известная электрическая машина обладает рядом недостатков, из которых наиболее существенными являются следующие:
1) невозможность питания непосредственно от промышленной электрической сети переменного тока, что требует применения сложного преобразователя, снижает надежность работы и увеличивает удельную металлоемкость электрической машины;
2) необходимость применения дорогостоящих материалов для ее изготовления, например, сплава самария с кобальтом, что увеличивает стоимость электрической машины и снижает область ее применения;
3) необходимость применения дополнительных технологических процессов, связанных с намагничиванием пластин, что усложняет технологию изготовления электрической машины и увеличивает ее стоимость;
4) невысокая удельная мощность, из-за того, что длина постоянных магнитов ротора в два раза меньше длины полюсных поверхностей статора;
5) сложность и ненадежность движущейся части электрической машины из-за необходимости иметь как минимум четыре колеса зацепления;
6) ненадежная работа узла механической передачи с гибким звеном из-за возможности возникновения перекосов в зацеплении в момент входа пальцев в углубления колес по причине возникновения люфтов в шарнирных соединениях звеньев, неточности изготовления пальцев и проушин, их износа и т.д.

7) высокая удельная металлоемкость электрической машины, обусловленная необходимостью иметь четыре колеса зацепления, магнитопровод статора, длина которого превышает длину магнитопровода ротора более чем в два раза, и массивностью шарнирного соединения механических звеньев ротора;
8) ограниченная область применения, например, из-за невозможности иметь несколько выходных валов с различной частотой вращения;
9) неремонтопригодность узла клеевого соединения магнитных пластин с жестким элементом гибкого звена ротора;
10) ограниченные функциональные возможности из-за неиспользования поступательного движения элементов ротора для привода соответствующих рабочих органов установок или машин.

Задачей изобретения является создание электрической машины, обладающей расширенными функциональными возможностями и областью применения за счет соединения электромагнитных элементов ротора с нечетными или четными элементами гибких звеньев зацепления механической передачи и выполнения их, как минимум, с двумя проводниками, замкнутыми по концам и охваченными отдельными магнитопроводами, и выполнение ротора с несколькими выходными валами, имеющими разную частоту вращения, и возможностью использования его поступательного движения.

Для достижения указанного технического результата в известной электрической машине, содержащей корпус, соединенный с ним статор, включающий магнитопровод и обмотки, ротор, включающий механическую передачу, состоящую из валов с опорами вращения, установленными на валах колесами зацепления и связанными с ними гибкими звеньями зацепления, выполненными из соединенных друг с другом жестких элементов, и соединенные с ними электромагнитные элементы, выполненные в виде магнитопроводов и обмоток, электромагнитные элементы ротора соединены с нечетными или четными жесткими элементами гибких звеньев зацепления и каждый из них выполнен, как минимум, с двумя проводниками, замкнутыми по концам и охваченными отдельными магнитопроводами, и магнитопровод статора состоит из участков, длина которых больше расстояния между колесами зацепления.

Соединение электромагнитных элементов ротора с нечетными или четными жесткими элементами гибких звеньев зацепления механической передачи и выполнение каждого из них, как минимум, с двумя проводниками, замкнутыми по концам, и охваченными отдельными магнитопроводами, и выполнение магнитопровода статора в виде участков, длина которых превышает расстояние между колесами зацепления, позволит выполнить магнитную систему статора с бегущим магнитным полем многополюсной без значительного увеличения объема электрической машины и ее массы и, тем самым снизить скорость движения ротора, создать благоприятные условия для охлаждения отдельных ее частей и узлов упростить их конструкцию, технологию изготовления и ремонтируемость, расширить функциональные возможности и область применения, например, за счет использования двух видов движения, поступательного и вращательного, причем вращательный может быть получен с различными частотами вращения выходных валов.

Выполнение гибкого звена зацепления в виде цепи цепной передачи позволит изготовить механическую передачу ротора в виде однорядной или многорядной цепной передачи и использовать, как вращательное, так и поступательное виды движения элементов ротора для привода соответствующих рабочих органов установок или машин, т. е. расширить функциональные возможности электрической машины и область ее применения.

Выполнение колес зацепления механической передачи с разными диаметрами позволит выполнить электрическую машину с разными частотами вращения выходных валов, что также расширяет ее функциональные возможности и область применения.

Соединение электромагнитных элементов ротора с пластинами звеньев двух цепей, обращенных друг к другу, позволит увеличить активные размеры электромагнитных элементов ротора и, тем самым, увеличить тяговое усилие, развиваемое ротором, и крутящий момент на выходных валах.

Расположение электромагнитных элементов ротора в плоскостях, параллельных или перпендикулярных пластинах цепной передачи, позволит изготовить магнитопровод статора из ленты электротехнической стали путем ее навивки, увеличить длину активных проводников ротора и тем самым упростить технологию изготовления магнитопровода статора и увеличить мощность электрической машины.

Размещение электромагнитных элементов ротора в корпусе, выполненном из магнитного материала, причем одна или две грани которого одновременно служат пластинами звеньев цепи зацепления, позволит упростить технологию изготовления элементов ротора, обеспечить их взаимозаменяемость и ремонтопригодность и тем самым удешевить изготовление электрической машины и ее эксплуатацию.

Расположение участков статора с разных сторон цепи зацепления и снабжение ротора дополнительными электромагнитными элементами, установленными симметрично первым, позволит увеличить мощность электрической машины и тем самым улучшить ее технико-экономические показатели.

Выполнение магнитопровода статора в виде плавно переходящего одного прямолинейного участка в другой позволит использовать элементы ротора, огибающие колеса зацепления, в качестве тяговых элементов и тем самым повысить мощность электрической машины и улучшить ее технико-экономические показатели.

Выполнение ротора в виде многозвенной цепной передачи позволит выполнить электрическую машину с числом выходных валов более двух, что расширит ее функциональные возможности и область применения.

На фиг. 1 показан общий вид (продольный разрез) электрической машины, а именно асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, у которого ротор включает две цепные передачи и электромагнитные элементы, соединенные с их пластинами; на фиг.2 то же, вид сверху.

На фиг.3 показан разрез электромагнитного элемента вдоль проводника; на фиг.4 поперечный разрез того же элемента; на фиг.5 вид на этот элемент сверху.

На фиг.6 показана кинематическая схема электрической машины с ограничителями перемещения ротора в направлении статора; на фиг.7 - кинематическая схема электрической машины с устройством натяжения цепи.

На фиг.8 показан поперечный разрез электрической машины, у которой статор содержит дополнительные прямолинейные участки магнитопровода; на фиг.9 ее кинематическая схема.

На фиг. 10 и 11 показаны поперечные разрезы электромагнитных элементов ротора, содержащие проводники, охваченные магнитопроводом, и образующие электрические контуры, плоскость которых перпендикулярна направлению движения ротора (фиг.10) и параллельна (фиг.11).

На фиг. 12 показан поперечный разрез электрической машины, у которой включает одну механическую цепь, а электромагнитные элементы расположены в плоскостях, параллельных пластинам цепи, при этом магнитопровод статора расположен с двух сторон электромагнитного элемента ротора.

На фиг.13 показано колесо зацепления (звездочка), набегающая и сбегающая ветви цепи и электромагнитные элементы ротора, закрепленные на них.

На фиг.14 показана кинематическая схема электрической машины, поперечный разрез которой изображен на фиг.12 и 13.

На фиг. 15 показан разрез общего вида электрической машины, у которой ротор выполнен в виде зубчатой цепи, при этом электромагнитные элементы ротора расположены и закреплены с двух сторон цепи; на фиг.16 ее поперечный разрез.

На фиг. 17 показан вид на статор сверху, у которого магнитопровод навит из ленты; на фиг.18 -поперечный разрез этого статора.

На фиг.19 показан вид на статор сверху, у которого прямолинейные участки магнитопровода плавно переходят один в другой; на фиг.20 ее поперечный разрез.

На фиг.21 показана кинематическая схема электрической машины, содержащая два колеса зацепления с разными диаметрами; на фиг.22 кинематическая схема электрической машины, содержащая многозвенную цепную передачу.

Электрическая машина (фиг. 1) включает корпус 1, крышку 2, статор 3 и ротор 4, состоящий, например, из втулочно-роликовой цепи 5, огибающей звездочки 6, насаженные на валу 7, вращающиеся в опорах 8 (фиг.2), одна из которых может быть выполнена подвижной, с целью регулирования натяжения цепи 5. Электромагнитный элемент 9, состоящий из проводников 11, перемычек 12 и магнитопровода 13, размещен в кожухе 24, который выполнен из магнитного материала, например стали. Кожух имеет несколько граней, две из которых 25 и 26 одновременно служат пластинами цепи, а другие боковые 27 и 26, 28 служат для удержания магнитопровода 13, проводников 11 и перемычек 12 электромагнитного элемента 9 (фиг.23). Электромагнитный элемент 9 может быть размещен также в кожухе 29, у которого пластиной цепи служит одна грань 30, а другие грани служат для удержания электромагнитного элемента 9. Ротор 4 содержит также электромагнитные элементы 9 (фиг.2,3,4,5), жестко соединенные с пластинами 10 цепи 5 (фиг.1). Число электромагнитных элементов 9 ротора 4 может быть различным и определяется назначением электрической машины и условиями работы цепной передачи. Каждый электромагнитный элемент 9 содержит электрические контуры, которые могут быть образованы, например, в асинхронном трехфазном короткозамкнутом электродвигателе, алюминиевыми проводниками 11, оси которых параллельны осям выходных валов 7 (фиг.2), и перемычками 12, соединяющими концы проводников 11 (фиг.3,5). Указанные проводники 11 охвачены магнитопроводом 13 (фиг.3,4,5).

Возможны варианты электрических машин, отличающихся формой и числом проводников 11 и перемычек 12, входящих в электромагнитные элементы 9, их расположением и числом образованных из них электрических контуров. Так, в варианте, изображенном на фиг. 10, шесть проводников 11 размещены на двух уровнях, соединены тремя перемычками 12 и образуют три электрических контура, плоскости которых перпендикулярны направлению движения цепи 5 (фиг. 9,10). В другом варианте, изображенном на фиг.11, те же шесть проводников 11 расположены на тех же двух уровнях, однако их концы соединены двумя дополнительными перемычками 12, расположенными в плоскостях, которые параллельны направлению движения цепи 5 (фиг.9,11).

Ротор состоит, например, из двух втулочно-роликовых цепей и электромагнитных элементов, соединенных с двумя пластинами первой и второй цепи. Электромагнитные элементы 9 установлены симметрично относительно оси проходящей через ролики цепи. Верхний и нижний электромагнитные элементы 9 (фиг.8 состоят из проводников 11, перемычек 12 и охвачены общим магнитопроводом 13. При работе электрической машины верхний электрический элемент 9 взаимодействует с верхним статором, а нижний элемент взаимодействует с нижним статором (фиг.8).

Возможен вариант электрической машины, у которой ротор содержит одну цепную передачу, например, ролико-втулочную (фиг. 12,13,14) или зубчатую (фиг. 15,16), а его электромагнитные элементы 9 расположены так, что оси их проводников 11 (фиг. 11) перпендикулярны осям выходных валов 7 (фиг. 12,13,15,16).

В крышке 2 (фиг.6) могут быть установлены планки 14, которые ограничивают перемещение роликов 15 цепи 5 в направлении к статору 3, возникающее под действием электромагнитных сил притяжения. В корпусе 1 также может быть установлено устройство для регулирования натяжения цепи 5 (фиг.7), состоящее, например, из оттяжной звездочки 16, вилки 17, пружины 18, которая одним концом соединена с корпусом 1, а другим концом с вилкой 17. Статор 3 (фиг. 1,6,7,8,9,12,14,16) электрической машины состоит из магнитопровода 19 и размещенной в его пазах обмотки 20. Статор 3 может состоять из одного или несколько прямолинейных участков магнитопровода, максимальная длина которого может быть ограничена межосевым расстоянием цепной передачи (фиг.1,7,9,14). Участки магнитопровода 19 могут быть установлены относительно ротора 4 в различных вариантах, например, с внешних сторон набегающей и сбегающей ветвей цепи 5 (фиг.7,8), или с двух внешних сторон и внутренних сторон набегающей и сбегающей ветвей цепи 5 (фиг.8,9), или с двух внешних сторон набегающей и сбегающей ветвей (фиг.12,16), а также огибать звездочки 6. При расположении участков магнитопровода с двух сторон элементов ротора достигается уравновешивание электромагнитных сил протяжения, действующих между ротором и статором.

Магнитопровод 13 (фиг.3,4,5) электромагнитных элементов 9 ротора 4 собирают из штампованных пластин электротехнической стали, а магнитопровод 19 статора 3 может быть изготовлен также из непрерывной ленты 21 электротехнической стали путем ее навивки на опору с возможностью нарезания пазов 22 (фиг.17,18,19,20). В этом варианте магнитопровод 19 можно вставить в обойму, которую лапами 23 прикрепляют к корпусу 1 или крышке 2. Магнитопровод статора электрической машины может быть выполнен также в форме вытянутого кольца (фиг.19) и иметь прямолинейные участки, плавно переходящие один в другой.

Возможны варианты электрических машин, у которых звездочки ротора 4 имеют разные диаметры (фиг.21) или ротор выполнен многозвездочным, например, трехзвездочным (фиг.22).

Электрическая машина, выполненная в виде трехфазного короткозамкнутого двигателя, работает следующим образом.

При подаче напряжения на статорную обмотку 20 (фиг.1) в ней возникнет электрический ток, который создаст бегущее магнитное поле. Магнитный поток поля будет проходить по пути: магнитопровод 19 статора 3, воздушные зазоры между статором и ротором, магнитопровод 13 электромагнитным элементом 9 ротора 4. При этом магнитный поток будет пронизывать электрические контуры, образованные проводниками 11 и перемычками 12 и создавать в них электрические токи, которые будут взаимодействовать с магнитным полем статора, в результате чего будут созданы электромагнитные силы, приложенные к элементам 9 ротора 4. Так как электромагнитные элементы 9 соединены с пластинами 10 цепи 5, то последняя начнет перемещаться в направлении действия электромагнитных сил. В результате зацепления элементов цепи 5 со звездочками 6, они начнут вращаться, в результате чего на выходных валах 7, на которых укреплены звездочки 6, возникнет крутящий момент. При установке магнитопровода 19 статора 3 с двух сторон приводной цепи 5 (фиг.1), т. е. над набегающей и под сбегающей ветвями цепи, крутящий момент на выходных валах 7 увеличится, так как число элементов ротора, участвовавших в создании электромагнитных сил, возрастет; к аналогичному эффекту приведет и огибание магнитопроводом статора звездочек 6.

Для изготовления электрической машины с низкими частотами вращения выходных валов 7 можно увеличить число пар полюсов магнитного поля статора. При этом диаметры звездочек 6 можно оставить неизменными, а достаточно увеличить межосевое расстояние между ними, что окажется проще в исполнении, технологичнее и дешевле, так как указанное увеличение не приведет к заметному возрастанию объемных и массовых показателей электрической машины.

При электромагнитном взаимодействии элементов ротора и статора возникают силы притяжения, под действием которых возможно так называемое прилипание якоря к статору. Однако его можно не допустить, если на пути притягивающего движения установить ограничивающие планки 14 (фиг.6). С помощью планок можно регулировать и величину зазора между магнитопроводом статора и электромагнитными элементами ротора. При провисании цепи ее натяжение изменяют, например, с помощью оттяжной звездочки 16 и винтовой пружины 18 (фиг.7).

Для уменьшения размеров электрической машины вдоль оси выходных валов 7 электромагнитные элементы 9 ротора 4 можно установить на пластинах 10 одноцепной втулочно-роликовой (фиг. 12-14) или зубчатой цепной передачи (фиг. 15,16). При этом магнитопровод 19 статора 3 размещают с двух сторон электромагнитных элементов 9. Указанное расположение магнитопровода статора позволит также уравновесить действие электромагнитных сил притяжения. Выполнение магнитопровода статора в виде сплюснутого кольца (фиг.19) позволит также рассосредоточить его активные элементы, в частности, обмотку 20, и тем самым улучшить тепловой режим работы электрической машины. При этом упрощают технологию изготовления магнитопровода статора, который в этом варианте может быть выполнен путем навивки непрерывной ленты из электротехнической стали на оправку с последующим нарезанием пазов 22. Для изготовления магнитопровода 19 может быть использована более тонкая лента, что позволит снизить тепловые потери в магнитопроводе и тем самым повысить КПД электрической машины.

Использование: в электроприводе с пониженной скоростью вращения. Сущность изобретения: в трехфазном асинхронном короткозамкнутом двигателе ротор 4 выполнен в виде гибкого кинематического звена, например, приводной цепи 5, включающей электромагнитные элементы 9, соединенные с пластинами 10 цепи 5 и содержащие проводники 11, перемычки и магнитопровод. Статор 3 содержит обмотку 20 и магнитопровод 19, состоящий из отдельных прямолинейных участков, плавно переходящих один в другой. Электромагнитные элементы выполнены в виде проводников, окруженных магнитопроводом, концы которых соединены перемычками. 9 з.п. ф-лы. 22 ил.

1. Электрическая машина, содержащая корпус, статор, включающий по меньшей мере один магнитопровод с обмоткой, ротор, выполненный в виде гибкого звена зацепления, огибающего звездочки, насаженные на выходные валы, пластины гибкого звена зацепления соединены с электромагнитными элементами, отличающаяся тем, что каждый электромагнитный элемент выполнен по меньшей мере с двумя охваченными магнитопроводом проводниками, концы которых соединены перемычками. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что гибкое звено зацепления выполнено в виде цепи цепной передачи. 3. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что звездочки зацепления выполнены с разными диаметрами. 4. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что электромагнитные элементы ротора соединены с обращенными друг к другу пластинами звеньев двух цепей. 5. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что электромагнитные элементы ротора расположены в плоскостях, параллельных пластинам цепной передачи. 6. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что электромагнитные элементы ротора расположены в плоскостях, перпендикулярных пластинам цепной передачи. 7. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что электромагнитные элементы ротора размещены в кожухе, выполненном из магнитного материала, одна или две грани которого одновременно служат пластинами звеньев цепи зацепления. 8. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что участки магнитопровода статора расположены с разных сторон цепи зацепления, а ротор снабжен дополнительными электромагнитными элементами, установленными симметрично первым. 9. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что статор снабжен дополнительными прямолинейными участками магнитопровода с обмоткой, расположенными в зоне движения сбегающей и набегающей ветвей гибкого звена зацепления. 10. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что ее ротор выполнен в виде многозвездочной цепной передачи.