ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК H02K19/38 

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к двухякорным электрическим машинам переменного или постоянно-переменного тока, применяемых в качестве электропривода повышенной надежности, а также могут быть использованы в качестве генераторов переменного тока или преобразователей рода тока.

Известна двухякорная электрическая машина переменно-постоянного тока, используемая в качестве электрогенератора, например серия синхронных генераторов типа МСК-2 по ТУ 16-512.448-78.

Наиболее близким к изобретению является электрическая машина МСК-2 5500
1500 упомянутого типа. В указанной электрической машине по длине корпуса установлены два независимых магнитопроводов статора с обмотками якорей переменного тока. Два независимых индуктор с обмотками возбуждения постоянного тока установлены на едином валу ротора. Ротор установлен на подшипниках скольжения.

Недостатками известных электрических машин являются большая масса и габариты, а также повышение потери из-за наличия двух индукторов с двумя обмотками возбуждения.

Целью изобретения являются: уменьшение массы и габаритов, расширение диапазона функционального применения машины.

Указанная цель достигается тем, что в электрической машине переменного тока, содержащей два статора с якорными обмотками, индуктор, закрепленный на валу, установленном в подшипниковых опорах, статоры с якорными обмотками установлены коаксиально, индуктор выполнен в виде полого проводящего немагнитного цилиндра, размещенного между указанными статорами и разделенного с одного торца на длине магнитопроводов статоров на изолированные части, число которых равно числу полюсов статоров, электрически и механически соединенного с якорем униполярного возбудителя, магнитопровод внешнего статора 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 прессованного ферромагнитного порошка, снабженного поверхностным слоем изоляции, якорная обмотка данного магнитопровода выполнена в виде плоских катушек, размещенных между пластинами, внутреннее пространство катушек заполнено другими прессованными ферромагнитными пластинами, магнитопровод внутреннего статора выполнен в виде стержня с установленными на нем двумя торцевыми дисками, снабженными на внутренних торцах пазами с установленными в них прессованными ферромагнитными пластинами клинообразного сечения, обмотка якоря внутреннего статора выполнена из плоских катушек, размещенных между пластинами, внутреннее пространство катушек заполнено другими прессованными ферромагнитными пластинами, плоские катушки якорных обмоток статоров соединены между собой по типу многофазных якорных обмоток; кроме того, ферромагнитные клинообразные пластины со сторон, обращенных к индуктору, за плоскими катушками, снабжены в поперечном сечении расширениями (заплечиками).

Кроме того, ферромагнитные пластины, торцевые диски и полый цилиндр снабжены каналами для циркуляции охлаждающей жидкости.

Дополнительно полый цилиндр индуктора снабжен вдоль разделяющих изоляционных прокладок магнитными вставками шириной, равной ширине большого зубца неявнополюсных синхронных машин.

Согласно данному изобретению, пустоты между ферромагнитными пластинами, дисками и катушками заполнены ферромагнитным порошком.

Отличие заявленного изобретения состоит и в том, что в стержне внутреннего статора выполнено отверстие с размещенным в нем валом с подшипниковыми опорами, снабженными диском для закрепления индуктора на валу.

Кроме того, электрическая машина снабжена стабилизирующей магнитной опорой с дисковым индуктором и кольцевым магнитопроводом с кольцевой катушкой возбуждения, расположенной в П-образной кольцевой полости, смежные радиальные плоскости магнитопровода в кольцевой полости снабжены кольцевыми выступами и впадинами, а дисковый индуктор размещен внутри кольцевой полости и снабжен на его торцах кольцевыми выступами и впадинами, согласующимися с выступами и впадинами радиальных плоскостей магнитопровода.

На фиг. 1 изображено устройство двухякорной электрической машины, продольное сечение; на фиг. 2 сечение А-А; на фиг. 3 торцевые диски внешнего статора; на фиг. 4 сечение B-B торцевых дисков; на фиг. 5 сечение C-C.

Электрическая машина содержит внешний статор 1 (фиг. 1), включающий полый цилиндр 2, торцевые диски 3 и 3' с пазами 4 (фиг. 3 и 4), с ферромагнитными пластинами 5 клинообразного сечения (фиг. 2), плоские катушки 6 обмотки внешнего якоря, другие (прямоугольные) ферромагнитные пластины 7, выводные клеммы 8, кольцевой магнитопровод 9 магнитной опоры с кольцевой обмоткой возбуждения 10 и П-образной кольцевой полостью 11; внутренний статор 12, включающий стержень 13 с установленными на нем дисками 14 и 14' с пазами, аналогичными дискам внешнего статора 1 и установленными в них ферромагнитными пластинами 15 (фиг. 2) клинообразного сечения. Плоские катушки 16 обмотки внутреннего якоря размещены клинообразными ферромагнитными пластинами 15 (фиг. 2). Внутреннее пространство катушке 16 заполнено другими (прямоугольными) ферромагнитными пластинами 17. На торце диска 14' (фиг. 1) установлен униполярный возбудитель 18, на другом торце 14 размещены выводные клеммы 19. Внутри центрального отверстия 20 внутреннего статора 12 (фиг. 1 и 2) установлен вал 21 с диском 22 на подшипниковых опорах 23. На диске 22 установлен полый цилиндр индуктора 24, свободный его торец снабжен диском 25 стабилизирующей магнитной опоры.

В кольцевом магнитопроводе 9 (фиг. 1) стабилизирующей магнитной опоры смежные радиальные плоскости снабжены кольцевыми выступами и впадинами 26. Диск 25 магнитной опоры снабжен на обоих торцах кольцевыми выступами и впадинами 27, согласующимися с кольцевыми выступами и впадинами 26 магнитопровода 9. Клинообразные ферромагнитные пластины 5 (фиг. 2) снабжены расширениями (заплечиками) 28, удерживающими катушки 6 и уменьшающими эффект зубчатости статора. Клинообразные пластины 5, полый цилиндр 2 внешнего статора и торцевые диски снабжены каналами 29 и 30 для циркуляции охлаждающей жидкости (фиг. 2).

Полый высокопроводящий немагнитный (из алюминиевого сплава) цилиндр 24 индуктора (фиг. 1 и 2) разделен по длине магнитопроводов статоров 1 и 12 от торца униполярного возбудителя 18 изоляционными прокладками 31 (фиг. 2) числом, равным числу полюсов синхронной машины. На этой же длине вдоль разделяющих изоляционных прокладок 31 (фиг. 2) полый цилиндр 24 снабжен магнитными вставками 32 шириной, равной ширине большого зубца неявнополюсных синхронных машин (примерно (0,2 0,4))
Униполярный возбудитель 18 (фиг. 1), сечение C-C (фиг. 5) состоит из герметичной кольцевой камеры 34 с размещенными в ней ферромагнитными кольцами 35, установленными с возможностью свободного вращения, с пазами 36, заполненными немагнитными высокопроводящим материалом (медью) 37, замкнутыми по торцам короткозамыкающими кольцами 38, снабженными жидкометаллическими контактами, соединенными с соответствующими полярностями индуктора 24. Пазы 36 (фиг. 5) обращены к цилиндрической поверхности ферромагнитного диска 39, снабженного пазами 40 с числом, равным числу пазов другого ферромагнитного кольца 35, и униполярной обмоткой возбуждения 41 (фиг. 1).

Для обеспечения монолитности статоров 1 и 12 пустоты между ферромагнитными пластинами 5, 7, 15 и 17, цилиндром 2, дисками 3, 3', 14 и 14' (фиг. 1 и 2) заполняются ферромагнитным порошком 33, пропитанным клеем. Все ферромагнитные пластины выполняются прессованными из ферромагнитного порошка, зерна которого снабжены поверхностной изоляцией по известной технологии порошковой металлургии (см. например, в книге А.И. Яковлева "Электрические машины с уменьшенной материалоемкостью", Москва, Энергоатомиздат, 1989).

Катушки 6 внешнего статора и 16 внутреннего статора соединяются между собой по типу многофазных якорных обмоток машин переменного тока (фиг. 1 и 2).

Устройство работает следующим образом.

При вращении вала 21 первичным двигателем (турбиной) индуктор 24 придет во вращение с частотой, близкой к синхронной частоте вращения электромагнитного поля в воздушном зазоре электрической машины. При подаче возбуждения в униполярную катушку 41 в униполярном возбудителе 18 возникает униполярный магнитный поток, основной путь замыкания которого проходит по зубцам ферромагнитного диска 39, зубцам ферромагнитного кольца 38 (фиг. 1 и 5). Между зубцами ферромагнитного диска 39 и ферромагнитного кольца 38 возникает магнитная сила, удерживающая ферромагнитное кольцо 38 неподвижным относительно ферромагнитного диска 39. Под действием униполярного магнитного потока на короткозамыкающих кольцах 38 (фиг. 1) и их жидкометаллических контактах наведется униполярная ЭДС. Под действием этой ЭДС по замкнутой цепи, образованной индуктором 24 и униполярным возбудителем 18, потечет постоянный ток и в индукторе 24 возбудится магнитный поток. При этом индуктор 24 втянется в синхронизм с электромагнитным полем обмоток якорей 6 и 16 электрической машины. Получение заданного значения тока возбуждения индуктора 24 достигается регулированием величины тока возбуждения в униполярной катушке 41 (фиг. 1). При этом при подаче тока в обмотку возбуждения униполярного возбудителя 18 по разделенным изоляцией 31 частям полого цилиндра 24 потечет постоянный ток, который создает магнитное поле с числом полюсов, равным числу изоляционных прокладок 31. Вращающееся магнитное поле индуктора 24 замыкается через полый цилиндр 24 по магнитному пути, образованному клинообразными пластинами 5, прямоугольными ферромагнитными пластинами 7, клинообразными пластинами 15, прямоугольными пластинами 17. При этом активной частью катушек 6 и 16 могут быть не только стороны катушек, расположенные на поверхности расточек статоров 1 и 12, но и их торцевые части (фиг. 1). Вращающее магнитное поле индуктора 24 наводит ЭДС в катушках 6 и 16, схема соединения которых подобна трехфазным якорным обмоткам. На клеммах 8 и 19 (фиг. 1) наведется напряжение трехфазного тока, величина которого регулируется током возбуждения униполярного возбудителя.

Если полый цилиндр выполнен из немагнитного высокопроводящего материала, то ток примерно равномерно распределен вдоль полюсной дуги индуктора 24. В этом случае обмоточный коэффициент индуктора В то же время, в неявнополюсных синхронных машинах величина обмоточного коэффициента обмотки возбуждения составляет от =0,78 до =0,86 и регулируется за счет ширины большого зубца, вокруг которого укладываются концентрические катушки обмотки возбуждения. Для увеличения обмоточного коэффициента индуктора по предлагаемому изобретению необходимо в зоне изоляционных прокладок 31 (фиг. 2) ввести магнитные вставки 32 с шириной, равной ширине больших зубцов неявнополюсных синхронных машин. Электрическое сопротивление стали примерно в 10 раз выше, чем у меди, и в 5 раз выше, чем у алюминия. В этом случае низко снизится величина тока, проходящего на участках магнитных вставок, а следовательно, увеличится обмоточный коэффициент индуктора и эффективное значение тока возбуждения при неизменном токе возбуждения униполярного возбудителя. Кроме того, уменьшится эффективное значение воздушного зазора между индуктором 24 и статорами 1 и 12 (фиг. 1 и 2). Последнее дополнительно приведет к увеличению полезного значения магнитодвижущейся силы индуктора 24.

При значительной длине полого цилиндра 24 (фиг. 1) возможны повышенные колебания свободного торца индуктора. Для исключения колебаний свободного торца индуктора 24 вводится стабилизирующая магнитная опора 9. Магнитный поток кольцевой катушки 10 замыкается через кольцевые выступы 26 и 27 и создает стабилизирующую радиальную силу. Аксиальная сила магнитного натяжения между диском 25 и выступами 26 магнитопровода опоры направлена всегда в сторону уменьшения зазора между диском 25 и выступами 26. Следовательно, она является дестабилизирующей силой, которую компенсируют подшипниковые опоры 23. Поэтому эту магнитную опору нельзя назвать в полном смысле магнитной опорой, она играет лишь роль успокоителя (демпфера) радиальных колебаний свободного торца индуктора 24.

Преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в уменьшении габаритов и массы машины, так как у обмоток якорей внешнего и внутреннего статоров исключается полностью вылет лобовых частей, а индуктор снабжен вдоль разделяющих изоляционных прокладок магнитными вставками, повышающими его эффективную мощность.

Использование: в электроприводе повышенной надежности и в качестве генераторов переменного тока или преобразователей рода тока. Сущность: в электрической машине с двумя установленными коаксиально статорами с якорными обмотками индуктор выполнен в виде полого проводящего немагнитного цилиндра, размещенного между статорами. Индуктор с одного торца разделен на изолированные части и соединен с униполярным возбудителем механически и электрически. Имеются диски, расположенные по торцам статоров, с радиальными пазами на внутренних сторонах с пластинами клинообразной формы. Якорные обмотки выполнены в виде плоских катушек, размещенных между пластинами. В результате уменьшаются масса и габариты электрической машины. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электрическая машина переменного тока, содержащая два статора с якорными обмотками, индуктор, закрепленный на валу, установленном в подшипниковых опорах, отличающаяся тем, что статоры с якорными обмотками установлены коаксиально, индуктор выполнен в виде полого проводящего немагнитного цилиндра, размещенного между указанными статорами и разделенного с одного торца на длине магнитопроводов статоров на изолированные части, число которых равно числу полюсов статоров, электрически и механически соединенного с якорем униполярного возбудителя, магнитопровод внешнего статора 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 прессованного ферромагнитного порошка, снабженного поверхностным слоем изоляции, якорная обмотка данного магнитопровода выполнена в виде плоских катушек, размещенных между пластинами, внутреннее пространство катушек заполнено другими прессованными ферромагнитными пластинами, магнитопровод внутреннего статора выполнен в виде стержня с установленными на нем двумя торцовыми дисками, снабженными на внутренних торцах пазами с установленными в них прессованными ферромагнитными пластинами клинообразного сечения, обмотка якоря внутреннего статора выполнена из плоских катушек, размещенных между пластинами, внутреннее пространство катушек заполнено другими прессованными ферромагнитными пластинами, плоские катушки якорных обмоток статоров соединены между собой по типу многофазных якорных обмоток. 2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что ферромагнитные клинообразные пластины со сторон, обращенных к индуктору, за плоскими катушками, снабжены в поперечном сечении расширениями-заплечиками. 3. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что ферромагнитные пластины, торцовые диски и полый цилиндр снабжены каналами для циркуляции охлаждающей жидкости. 4. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что полый цилиндр индуктора снабжен вдоль разделяющих изоляционных прокладок магнитными вставками шириной, равной ширине большого зубца неявнополюсных синхронных машин. 5. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что пустоты между ферромагнитными пластинами, дисками и катушками заполнены ферромагнитным порошком. 6. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что в стержне внутреннего статора выполнено отверстие с размещенными в нем валом с подшипниковыми опорами, снабженным диском для закрепления индуктора на валу. 7. Электрическая машина по п. 6, отличающаяся тем, что снабжена стабилизирующей магнитной опорой с дисковым индуктором и кольцевым магнитопроводом с кольцевой катушкой возбуждения, расположенной в П-образной кольцевой полости, смежные радиальные плоскости магнитопровода в кольцевой полости снабжены кольцевыми выступами и впадинами, а дисковый индуктор размещен внутри кольцевой полости и снабжен на его торцах кольцевыми выступами и впадинами, согласующимися с выступами и впадинами радиальных плоскостей магнитопровода.