БЕСКОНТАКТНАЯ СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК H02K19/38 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к бесконтактным синхронным электрическим машинам.

Известен бесконтактный синхронный генератор, содержащий на статоре основную и якорную обмотки возбуждения, а на роторе систему возбуждения, в которой обмотка возбуждения питается от дополнительной роторной обмотки через полупроводниковые выпрямители. При этом указанная дополнительная якорная обмотка статора питается от основной статорной обмотки через линейный дроссель, осуществляющий фазовое компаундирование совместно с токовой обмоткой, расположенной на статоре (авт. св. СССР, N 169858, кл. H 02 K 19/38, 10.03.55). Данный синхронный генератор является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату.

Недостатком известного бесконтактного синхронного генератора является наличие дополнительной обмотки на роторе, по которой протекает переменный ток, вызывающий увеличение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и дополнительные потери в обмотке ротора.

Этот недостаток обусловлен тем, что дополнительная обмотка ротора присоединена к многофазному мостовому двухполупериодному выпрямителю и конструктивно выполнена с возможностью протекания по ней переменного тока.

Задачей изобретения является создание бесконтактной синхронной электрической машины, более надежной за счет уменьшения потерь в роторе путем использования в любой момент времени всех обмоток системы возбуждения.

Решается поставленная задача тем, что в известной бесконтактной синхронной электрической машине, содержащей на статоре якорную обмотку и обмотку возбуждения возбудителя, а на роторе систему возбуждения, согласно изобретению последняя выполнена по меньшей мере из двух обмоток, соединенных между собой электрически, каждая из которых включает по меньшей мере две части, соединенные между собой через переключающие устройства, например диоды, с возможностью их включения последовательно и параллельно, при этом одноименные зажимы частей обмоток системы возбуждения, не имеющие связи с разноименными зажимами других частей данных обмоток через переключающее устройство, соединены между собой электрически. Кроме того, число обмоток системы возбуждения может быть равное числу полюсов, а число частей обмоток системы возбуждения может быть равное удвоенному числу полюсов. Одноименные части каждой обмотки системы возбуждения каждого полюса для четырех и более полюсных машин должны быть соединены между собой последовательно или параллельно, или смешано. Электрическая машина может содержать дополнительную обмотку возбуждения на число полюсов, равное числу полюсов электрической машины, состоящую по меньшей мере из двух частей, соединенных между собой последовательно, и каждая из которых расположена в зоне одной из обмоток системы возбуждения, при этом при последовательном соединении частей дополнительной обмотки возбуждения с обмотками системы возбуждения начало одной части дополнительной обмотки соединено с началом другой ее части, а концы соединены с началами обмоток системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами других частей обмоток через переключающее устройство, или конец одной части дополнительной обмотки соединен с концом другой ее части, а начала соединены с концами обмоток системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами других частей обмоток через переключающее устройство.

При параллельном соединении упомянутых частей дополнительной обмотки с обмотками системы возбуждения также конец одной части дополнительной обмотки соединен с концом другой ее части, начало одной части дополнительной обмотки возбуждения соединено с началами обмоток системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами других частей обмоток через переключающее устройство, а начало другой части дополнительной обмотки возбуждения соединено с концами обмоток системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами других частей обмоток через переключающее устройство, для четырех и более полюсных машин части дополнительной обмотки возбуждения могут быть соединены между собой последовательно и расположены в зоне одноименных обмоток системы возбуждения, а дополнительная обмотка возбуждения всех полюсов при этом соединена с обмотками системы возбуждения последовательно или параллельно.

Указанные существенные признаки позволяют при реализации предложенного технического решения полностью использовать всю обмотку ротора в любой момент времени вращения ротора, что ведет к уменьшению потерь в роторе и увеличению надежности данной электрической машины.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема описываемой бесконтактной синхронной электрической машины с шестью переключающими устройствами; на фиг. 2 то же с шестью диодами; на фиг. 3 принципиальная схема соединения частей обмоток системы возбуждения в один период времени; на фиг. 4 -то же, но в другой период времени, после переключения частей обмоток системы возбуждения с одного соединения на другое; на фиг. 5 схема обмоток системы возбуждения для шести полюсных машин со смешанным соединением одноименных частей обмоток системы возбуждения; на фиг. 6 изображена принципиальная схема последовательного соединения частей дополнительной обмотки возбуждения с обмотками системы возбуждения в одной ветви соединения обмоток системы возбуждения; на фиг. 7 то же в другой ветви; на фиг. 8 схема параллельного соединения частей дополнительной обмотки возбуждения с частями обмоток системы возбуждения; на фиг. 9 схема системы возбуждения с дополнительной обмоткой возбуждения для шестиполюсных машин.

Бесконтактная синхронная электрическая машина содержит в пазах статора трехфазную якорную обмотку (ОЯ)1 с полюсностью P₁ 1 и обмотку возбуждения возбудителя (ОВВ)2 с полюсностью P₂ 2. Ротор содержит систему возбуждения из обмоток возбуждения (ОВ), одновременно являющуюся и обмоткой якоря возбудителя (ОЯВ) с полюсностью P₁. Система возбуждения выполнена из двух обмоток 3 и 4, соединенных между собой электрически. Обмотка 3 системы возбуждения выполнена из двух частей 5 и 6, соединенных между собой последовательно через переключающее устройство (ПУ) диод 7. Начала Н₁ и Н₂ этих частей 5 и 6 обмотки 3 соединены через переключающее устройство (ПУ) диод 8, а их концы К₁ и К₂ соединены через переключающее устройство (ПУ) диод 9. Обмотка 4 системы возбуждения выполнена также из двух частей 10 и 11, соединенных между собой последовательно через диод 12. Начала Н₃ и Н₄ этих частей 10 и 11 обмотки 4 соединены через ПУ диод 13, а концы К₃ и К₄ соединены через ПУ диод 14. Обмотки 3 и 4 расположены на двух разных полюсных делениях ротора, то есть на двух разных половинках ротора, и находятся в одинаковых условиях полюсного деления для образования намагничивающей силы.

При этом одноименные зажимы 15 и 16 частей 6 и 10 разных обмоток 3 и 4 системы возбуждения, не имеющие связи с разноименными зажимами 17 и 18 других частей 5 и 11 через переключающие устройства 8 и 13, соединены между собой электрически. Одноименные зажимы 19 и 20 частей обмоток 3 и 4 системы возбуждения, не имеющие связи с разноименными зажимами 21 и 22 других частей 6 и 10 через переключающие устройства 9 и 14, также соединены между собой электрически. Число обмоток 3 и 4 две, равное числу полюсов, а число частей 5, 6, 10 и 11 обмоток системы возбуждения равно удвоенному числу полюсов, то есть четырем. На фиг. 5 одноименные части 6, 23 и 24; 5, 25 и 26; 10, 27 и 28; 11, 29 и 30 обмоток системы возбуждения каждого полюса для шестиполюсных машин соединены между собой смешано, но могут быть также соединены или последовательно, или параллельно. На фиг. 5 начала частей обмоток системы возбуждения разных полюсов обозначены Н₁; Н₂; Н₃; Н₄; и Н₁; Н₂; Н₃; и Н₄, а концы К₁; К₂; К₃; К₄ и К₁; К₂; К₃; и К₄. Кроме обмоток системы возбуждения машина может содержать дополнительную обмотку возбуждения 31 (фиг.6), по полюсности равную полюсности электрической машины, то есть двухполюсную, и состоящую из двух частей 32 и 33. Части 32 и 33 соединены между собой последовательно и каждая из них расположена в зоне одной из обмоток системы возбуждения. Так часть 32 дополнительной обмотки возбуждения находится в зоне обмотки 3, а часть 33 дополнительной обмотки возбуждения находится в зоне обмотки 4. При последовательном соединении частей 32 и 33 дополнительной обмотки возбуждения 31 с обмотками 3 и 4, начало Н₅ части 32 дополнительной обмотки возбуждения соединено с началом Н₆ ее части 33, а концы К₅ и К₆ соединены с началами Н₂ и Н₃ обмоток системы возбуждения 3 и 4, не имеющими связи с разноименными зажимами 17 и 18 других частей 5 и 11 обмоток 3 и 4 системы возбуждения через переключающие устройства 8 и 13.

Конец К₅ (фиг. 7) части дополнительной обмотки 32 может быть также соединен с концом К₆ части 33 дополнительной обмотки 31, а начала Н₅ и Н₆ с концами К₁ через зажим 17 и К₄ через зажим 18 обмоток 3 и 4 системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами 21 и 22 других частей обмоток. При параллельном соединении частей 32 и 33 дополнительной обмотки 31 с обмотками 3 и 4 конец К₅ соединен с концом К₆, а начала Н₅ и Н₆ частей 32 и 33 дополнительной обмотки возбуждения соединены, одно с началами Н₂ и Н₃ обмоток 3 и 4 системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами 17 и 18 других частей 5 и 11 обмоток 3 и 4 через переключающие устройства 8 и 13, а второе с аналогичными концами обмоток 3 и 4. Для четырех и более полюсных машин одноименные части 34 и 35 дополнительной обмотки возбуждения 36 соединены между собой последовательно и расположены в зоне одноименных самостоятельных обмоток 3 и 4, а вся дополнительная обмотка возбуждения 36 всех полюсов соединена с обмотками 3 и 4 системы возбуждения последовательно или параллельно.

Бесконтактная синхронная электрическая машина выполненная по схеме изображенной на фиг. 1 и 2 работает следующим образом.

При вращении ротора приводным двигателем относительно четырех полюсного поля создаваемого обмоткой возбуждения возбудителя 2 (ОВВ) 2 постоянным (выпрямленным) током в ОЯВ. То есть во всех частях (5, 6, 10 и 11) обмоток 3 и 4 наводятся ЭДС. Так как части 5, 6, 10 и 11 выполнены одинаковыми и расположены в одинаковых электромагнитных условиях, в каждой из них наводится одинаковая по величине и направлении ЭДС. Но так как части 5 и 6 обмотки 3 и части 10 и 11 обмотки 4 расположены на роторе диаметрально противоположно, а магнитодвижущая сила ротора направлена от центра к периферии ротора, магнитодвижущая сила, образованная обмоткой 3, противоположна по направлению магнитодвижущей силе, образованной обмоткой 4. Для обеспечения работоспособности электрической машины необходимо чтобы магнитодвижущие силы обмоток 3 и 4 были одинаково направлены в любой момент времени вращения ротора. Для этого необходимо, чтобы в обмотках 3 и 4 протекали противоположные по направлению токи при условии, что ЭДС во всех частях обмоток 3 и 4 имеет одинаковое направление. Это достигается тем, что в каждый момент времени вращения ротора части одной обмотки системы возбуждения соединены между собой последовательно, а части другой обмотки системы возбуждения соединены между собой параллельно. При смене полярности наводимой ЭДС происходит переключение соединения частей в одной обмотки системы возбуждения с последовательного на параллельное, а в другой с параллельного на последовательное. Меняется полярность в нашем примере через каждые 90^o поворота ротора.

Например, в первый период времени при повороте ротора на 90^o, когда ЭДС в частях 5, 6, 10 и 11 обмоток 3 и 4 направлена от начала к концу, открываются диоды 7, 13 и 14, а остальные диоды находятся в закрытом состоянии. При этом части 5 и 6 обмотки 3 будут соединены между собой последовательно, а части 10 и 11 обмотки 4 будут соединены параллельно. Во второй период времени при повороте ротора на 180^o когда ЭДС в указанных частях обмоток направлены от конца к началу, открываются диоды 8, 9 и 12, а остальные диоды находятся в закрытом состоянии. При этом части 5 и 6 обмотки 3 будут соединены между собой параллельно, а части 10 и 11 обмотки 4 будут соединены последовательно. При последовательном соединении частей обмотки системы возбуждения по ним протекает полный ток, а при параллельном по ним протекает ток вдвое меньший. В третьей и четвертой периоды времени одного оборота ротора, то есть при повороте на 270 и 360^o все повторяется.

Открываются и закрываются диоды следующим образом.

В первый период времени диод 8 будет закрыт, а диод 7 открыт, поскольку потенциал начала Н₁ меньше, чем начала Н₂ и конца К₁ на величину напряжения части 6 обмотки системы возбуждения. Диод 9 будет также закрыт, поскольку потенциал конца К₂ окажется выше, чем конца К₁ на величину напряжения на самостоятельной части 5 обмотки системы возбуждения, диод 12 будет закрыт, поскольку потенциал его анода окажется ниже потенциала катода на величину напряжения в части 11 обмотки системы возбуждения. Диод 13 будет открыт, так как потенциал его анода станет выше потенциала катода на величину напряжения в части 10 обмотки системы возбуждения. Диод 14 будет открыт, поскольку потенциал его катода окажется ниже потенциала его анода на величину напряжения в части 11 обмотки системы возбуждения, в результате части 5 и 6 обмотки системы возбуждения ротора будут соединены последовательно (фиг. З), а части 10 и 11 параллельно. Токи в частях 5 и 6 обмотки 3 системы возбуждения потекут от начала к концу, а в частях 10 и 11 обмотки 4 от конца к началу.

При смене направления ЭДС все диоды поменяют свое состояние на противоположное. Те диоды которые были закрыты откроются, а которые были открыты закроются. И тогда части 5 и 6 обмотки 3 будут переключены с последовательного на параллельное соединение (фиг. 4), а части 10 и 11 обмотки 4 с параллельного на последовательное. Но при этом направление токов не поменяется. Следовательно магнитодвижущие силы, образованные обмотками 3 и 4 будут одинаково направлены в любой момент времени вращения ротора, чем и обеспечивается работоспособность электрической машины с использованием в любой момент времени вращения ротора всех обмоток системы возбуждения, что позволяет уменьшить потери в роторе и увеличить надежность электрической машины.

В качестве переключающих устройств кроме диодов могут применяться различного типа тиристоры, оптотиристоры и другие устройства с подобными функциями. Могут такие применяться переключающие устройства, управляемые сигналом от специальной обмотки, установленной на роторе, или сигналом полученным от обмотки возбуждения через токоограничивающий элемент, например резистор (не показаны).

Бесконтактная синхронная электрическая машина с дополнительной обмоткой возбуждения, выполненная по схеме, изображенной на фиг. 6, работает аналогично описанной выше, только дополнительная обмотка 31 магнитно не связана с обмоткой возбуждения возбудителя 2 на статоре. Следовательно в ней не наводится ЭДС, а проходящий через эту обмотку ток создает дополнительную магнитодвижущую силу. Кроме этого по этой обмотке протекает полный ток, а следовательно улучшается использование меди, что дополнительно уменьшает потери в роторе и дополнительно увеличивает надежность электрической машины.

Изобретение относится к области электротехники, касается особенностей выполнения бесконтактных синхронных электрических машин и может быть использовано при изготовлении бесконтактных синхронных генераторов. Бесконтактная синхронная электрическая машина содержит на статоре якорную обмотку и обмотку возбуждения возбудителя, а на роторе систему возбуждения, выполненную, как минимум, из двух обмоток, соединенных между собой электрически. Отличительной особенностью является то, что каждая обмотка системы возбуждения выполнена по меньшей мере из двух частей, соединенных между собой через переключающие устройства, например диоды, с возможностью их включения последовательно или параллельно. При этом одноименные зажимы частей обмоток системы возбуждения, не имеющие связи с разноименными зажимами других частей данных обмоток через переключающее устройство, соединены между собой электрически. Использование предлагаемой бесконтактной синхронной электрической машины позволяет использовать в любой момент времени вращения ротора все обмотки системы возбуждения, что ведет к уменьшению потерь в роторе и увеличению надежности электрической машины. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Бесконтактная синхронная электрическая машина, содержащая на статоре якорную обмотку и обмотку возбуждения возбудителя, а на роторе систему возбуждения, отличающаяся тем, что система возбуждения выполнена по меньшей мере из двух обмоток, соединенных между собой электрически, каждая из которых включает по меньшей мере две части, соединенные между собой через переключающие устройства с возможностью их включения последовательно или параллельно, при этом одноименные зажимы частей обмоток системы возбуждения, не имеющие связи с разноименными зажимами других частей данных обмоток через переключающее устройство, соединены между собой электрически. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что число обмоток системы возбуждения равно числу полюсов, а число частей обмоток системы возбуждения равно удвоенному числу полюсов. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что при числе полюсов электрической машины более четырех одноименные части каждой обмотки системы возбуждения соединены между собой последовательно, или параллельно, или смешанно. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной обмоткой возбуждения, которая выполнена с числом полюсов, равным числу полюсов электрической машины, и по меньшей мере из двух последовательно соединенных между собой частей, каждая из которых расположена в зоне одной из обмоток системы возбуждения, упомянутые части дополнительной обмотки возбуждения соединены с обмотками системы возбуждения последовательно, при этом начало одной части дополнительной обмотки возбуждения соединено с началом другой ее части, а концы с началами обмоток системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами других частей обмоток через переключающее устройство, или конец одной части дополнительной обмотки возбуждения соединен с концом другой ее части, а начала соединены с концами обмоток системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами других частей обмоток через переключающее устройство. 5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной обмоткой возбуждения, которая выполнена с числом полюсов, равным числу полюсов электрической машины, и по меньшей мере из двух последовательно соединенных частей, каждая из которых расположена в зоне одной из обмоток системы возбуждения, упомянутые части дополнительной обмотки возбуждения соединены с обмотками системы возбуждения параллельно, при этом конец одной части дополнительной обмотки возбуждения соединен с концом другой ее части, начало одной части дополнительной обмотки возбуждения соединено с началами обмоток системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами других частей обмоток через переключающее устройство, а начало другой части дополнительной обмотки возбуждения соединено с концами обмоток системы возбуждения, не имеющими связи с разноименными зажимами других частей обмоток через переключающие устройства. 6. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что при выполнении электрической машины с числом полюсов более четырех части дополнительной обмотки возбуждения размещены в зоне одноименных обмоток системы возбуждения и соединены между собой последовательно, а дополнительная обмотка возбуждения всех полюсов соединена с обмотками системы возбуждения последовательно или параллельно.