ДВУХВХОДОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК H02K23/44 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве усилителя механической мощности, подаваемой на один (механический) вход машины, за счет мощности, одновременно подаваемой на другой (электрический) ее вход (откуда и название двухвходовая).

Известна двухвходовая электрическая машина, работающая в режиме электромагнитной муфты скольжения, содержащая ведущий вал с полумуфтой (например, с короткозамкнутой обмоткой), ведомый вал, например, с системой возбуждения (индуктором) и токоподводящее устройство (Т. А. Щетинина. Электромагнитные муфты скольжения. М. Энергоатомиздат, 1985 с. 8-10). Эта машина имеет механический вход с вала приводного двигателя на ведущий вал, электрический вход, сигнал которого поступает через контактные кольца на индуктор, обеспечивающий электромагнитную связь между ведущей и ведомой частями машины (муфты), посредством которой и передается вращающий момент. При этом величиной электрического сигнала обеспечивается управляемость муфтой, т. е. выходной скоростью ее вращения.

Однако такая машина, являясь по принципу своей работы и назначению передатчиком определенной части входной механической мощности, принципиально не может работать в режиме усилителя мощности, поскольку выходная скорость вращения всегда меньше входной при равных моментах на ведущем и ведомом валах. Разность между входной и выходной мощностями, называемая мощностью скольжения, гасится в самой машине (муфте) и тем больше, чем больше скольжение муфты.

Прототипом данного изобретения являются обычные электрические машины постоянного и переменного тока электромагнитного типа, включая электромашинные усилители (ЭМУ), которые, работая в режиме генератора, усиливают электрическую мощность, подаваемую на один вход (обмотку возбуждения) машины, за счет механической мощности, подаваемой на другой (второй) вход на вал машины (Копылов И. П. Электрические машины. М. Энергоатомиздат, 1986, 360 с.)
Однако все разнообразие машин, составляющих прототип, позволяет усиливать только электрическую мощность за счет механической и принципиально не может усиливать механическую мощность за счет электрической.

В то же время, в ряде случаев, например при комплексном использовании нетрадиционных источников энергии (например энергии ветра и солнца одновременно), в различного рода механических усилителях самолетов, автомобилей, тракторов и т. д. бывает необходимость в усилителях именно механической мощности за счет электрической мощности. Данное изобретение решает эту задачу.

Это достигается тем, что шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока помещен концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки, впрессованного в корпус и имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря.

Двухвходовая электрическая машина (фиг. 1) содержит якорь 1 машины постоянного тока общепринятой конструкции с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектора 4 с щетками 5, к которым подключены провода 6, кольцевой шихтованный магнитопровод ротора 7, в пазах которого размещены стержни короткозамкнутой обмотки 8, снабженной короткозамыкающими кольцами 9, корпус 10, в который впрессован кольцевой магнитопровод, подшипниковые щиты 11 с подшипниками 12 и 13 и вал 14.

Двухвходовая машина работает следующим образом. При подаче постоянного тока на зажимы питающих проводников 6 через щетки 5 и коллектор 4 обмотка 2 якоря 1 обтекается током. При этом создается магнитный поток, известный под названием потока реакции якоря. При неподвижном якоре и при его вращении ось магнитного потока неподвижна и совпадает с осью щеток.

Короткозамкнутая обмотка 8 кольцевого ротора 7, находясь в этом неподвижном поле, в работу не вступает и на якоре 1 никакого электромагнитного момента не создается. Для вращения ротора 7 вместе с корпусом 10 в последнем могут быть нарезаны зубья для обеспечения зубчатого зацепления с первичным источником механической энергии (например, ветротурбиной), а к зажимам может быть подведена электрическая энергия (например, от фотоэлектрических преобразователей). Если же корпус 10 вместе с ротором 7 и обмоткой 8 придет во вращение под действием приложенного извне момента, то в обмотке 8, как в короткозамкнутой обмотке обычного асинхронного элеткродвигателя, индуктируется ЭДС и протекает ток, создающий электромагнитный момент, приложенный к кольцевому магнитопроводу, направленный встречно приложенному извне моменту.

Такой же величины, но направленный в противоположную сторону момент действует на якорь 1. Вращаясь под действием этого момента с частотой вращения, большей, чем частота вращения корпуса 10 и кольцевого магнитопровода 7, якорь 1 приводит во вращение производственный механизм, состыкованный с ним. Частота вращения корпуса (ротора) ω_вх и частота вращения якоря ω_вых связаны зависимостью

где S скольжение, определяемое, как в обычной асинхронной машине.

Если принять механический момент равным электромагнитному моменту, то коэффициент усиления механической мощности определяется зависимостью

где P_вых выходная механическая мощность машины;
P_вх входная механическая мощность машины;
M_э электромагнитный момент машины;
Как следует из формулы (2) коэффициент усиления определяется величиной скольжения машины. Так, принимая скольжение в общепринятых для асинхронных машин пределах 0,02-0,05, получаем K_у 50-20.

На фиг. 2 представлена зависимость коэффициента усиления от скольжения (при постоянном моменте), которое, как известно, определяется величиной активного сопротивления короткозамкнутой обмотки, включающей стержни 8 и кольца 9.

На фиг. 3 представлена электрическая модель двухвходовой электрической машины, позволяющая теоретически истолковать принцип работы и усиления мощности в ней (здесь нумерация позиций сохранена в соответствии с фиг. 1).

На фиг.4 представлены диаграммы магнитных потоков якоря, ротора и машины в целом, наводимых в процессе ее работы.

Согласно фиг. 3 неподвижный поток Φ_a поперечной составляющей реакции якоря направлен вдоль оси щеток и возникает, как сказано выше, при питании обмотки 2 якоря 1 током I_а по проводам 6 от внешнего источника постоянного тока.

При вращении ротора 7 с угловой скоростью ω_p (стрелка ω_p на фиг. 3) его короткозамкнутая обмотка 8 пересекает неподвижный поток реакции якоря Φ_a и в ней наводится ЭДС самоиндукции, величина которой определяется значением потока Φ_a и скоростью вращения ротора (согласно закону электромагнитной индукции). Направление этой ЭДС, а следовательно, и тока в короткозамкнутой обмотке 8 определяется по правилу правой руки. Ток ротора, создает свое магнитное поле Φ_a (фиг. 3 и 4,б) с полярностью N_p S_p, ось которого перпендикулярна оси N_а-S_а магнитного потока реакции якоря Φ_a.

Магнитный поток Φ_p, пересекая обмотку якоря с током I_а, вызывает в последней электромагнитную силу, величина которой определяется значением тока I_а и потока Φ_p, а ее направление правилом левой руки. Эта сила обуславливает вращающий электромагнитный момент якоря M_эа, действующий по направлению вращения ротора. Под действием этого момента якорь приходит во вращение со скоростью ω_a, значительно превышающей скорость ω_p(ω_a>>ω_p), причем
ω_a/ω_p = 1/S.

Более подробно и более доступно сущность работы и усиления механической энергии в двухходовой машине можно пояснить следующим образом.

Если, как сказано выше, обмотку 2 якоря 1 запитать током по проводам 6 от внешнего источника тока, то в машине появляется неподвижное магнитное поле Φ_a (фиг. 3 и 4,а) поперечной реакции якоря, ось которого совпадает с осью щеток. Предположим, что сопротивление якоря равно нулю (R_a 0). Тогда противоЭДС якоря также равна нулю, поскольку ЭДС параллельной ветви (фиг. 4,а) складывается из ЭДС двух равных половин параллельной ветви якоря, имеющих противоположные знаки. При этом энергия, подаваемая от источника постоянного тока в якорную обмотку, равна нулю.

Будем вращать теперь щетки 5 с угловой скоростью ω_a (фиг 3) при неподвижном якоре 1. Здесь и далее знак (-) показывает направление вращения, встречное стрелке ω_a Тогда с такой же скоростью будет вращаться и поле Φ_a реакции якоря. Ротор 7 с короткозамнутой обмоткой 8, взаимодействуя с этим вращающимся полем подобно тому, как это происходит в асинхронной машине, придет во вращение в ту же сторону, что и щетки, но со скоростью -ω_p, меньшей чем -ω_a, если на этот ротор действует момент сопротивления M_C, направленный встречно вращению.

При этом энергетические процессы в машине характеризуются следующими положениями. Источник электрической энергии обеспечивает условие I_а=const, U= var (источник тока) при изменении режимов работы машины, т. е. скорости вращения и момента сопротивления.

Согласно теории электрических машин (см. вышеуказанную кн. И. П. Копылова, с. 45 и 300) вращение ротора обусловлено электромагнитным взаимодействием вращающегося в нашем случае магнитного поля Φ_a и токами, индуктируемыми в стержнях короткозамкнутой обмотки ротора. Направление этих токов определяются правилом правой руки.

Магнитное поле Φ_p, суммируясь с полем реакции якоря Φ_a, создает результирующее поле Φ_δ (фиг. 4 и 4,в), которое имеет другую форму и смещено по отношению к полю F_a и к щеткам на угол α. Величина этого угла зависит от соотношения полей F_aи F_p. Для простоты анализа на фиг. 4 поля Φ_aи Φ_p приняты одинаковой амплитуды.

В результате действия результирующего поля Φ_δ в параллельной ветви обмотки якоря индуктируется ЭДС > 0, которая должна уравновеситься напряжением источника U_a при условии R_a 0. При этом в машину поступает от источника постоянного тока энергия, мощность которой равна P_э I_aU_a, которая за вычетом электрических потерь в обмотке ротора P_элр превращается в механическую энергию ротора, мощность которой равна

где M_эр электромагнитный момент ротора.

Таким образом, в рассматриваемом режиме (представляющем только теоретический интерес, необходимый для методичного изложения принципа работы) предлагаемая машина является, по существу, обращенной асинхронной машиной, вращающееся поле которой обусловлено вращением щеток. Можно сказать, что в заданном режиме ее можно использовать как электромагнитную муфту, в которой ведущей частью является щеточный аппарат, а ведомой ротор, скорость вращения которого ω_p, безусловно, меньше скорости вращения щеток ω_a, т. е. ω_p< ω_a.

Однако с точки зрения энергетического баланса такая электромагнитная муфта является одновременно и усилителем мощности, так как при, хотя и неравных, но соизмеримых между собой скоростях вращения ω_a и ω_p, моменты вращения M_щ щеток и электромагнитный момент M_эр ротора совершенно несоизмеримы, то есть M_щ<M_эр.

Момент служит только для преодоления сопротивления трения щеток о коллектор и является малой величиной, в то время как электромагнитный момент M_эр ротора (за вычетом небольшого момента потерь холостого хода) является рабочим моментом значительной величины.

В результате имеем M_щ•ω_a<< M_эр•ω_p т.е. устройство работает как передатчик-усилитель механической энергии в механическую, хотя скорости вращения ведущей и ведомой частей распределяются, как в электромагнитной муфте.

По существу только этим ограничивается сходство предлагаемого устройства усилителя и известной электромагнитной муфты, являющейся устройством-передатчиком.

Для ясности отметим, что в рассматриваемом режиме якорь стоит на месте, щетки вращаются со скоростью ω_a, ротор вращается с сторону вращения щеток со скоростью ω_p< ω_a, если момент сопротивления направлен встречно направлению вращения.

Теперь перейдем от теоретического режима работы к реальному.

Заставим всю машину, работающую в рассмотренном режиме, вращаться в сторону, противоположную вращению щеток со скоростью (-ω_a), фиг. 3.

При этом наблюдается следующее:
щетки остановились, что облегчает подвод энергии к ним;
якорь, ранее неподвижный, вращается со скоростью (-ω_a);
ротор вращается со скоростью (-ω_a+ ω_p) в ту же сторону.

При этом энергетические процессы и характер моментов в машине не изменились. Электромагнитный момент, приложенный к якорю в направлении его теперешнего вращения, производит механическую работу, мощность которой P_MXa= M_эa •ω_a,
где M_эа электромагнитный момент якоря.

К ротору же теперь извне подводится механическая энергия
P_MXp= M_эр(-ω_a+ω_р) =M_эр•ω_s, (4)
где ω_s= - ω_a+ ω_p.

Общий баланс механической мощности с учетом того, что M_эа=M_эр=M_э
P_MX= P_MXa+ P_MXp= M_э •ω_p, (5)
т.е. такой, как и в ранее рассмотренном режиме.

Таким образом, как и в предыдущем случае, предлагаемая машина является асинхронной машиной, но получающей питание от источника постоянного тока, инвертируемого (преобразуемого) в переменный ток якоря коллектором, как преобразователем частоты. При этом для ввода в активный режим преобразования электрической энергии в механическую необходимо предварительно запитать ее якорь от источника с упомянутыми выше свойствами.

I_а const, U var,
а затем, подавая механическую мощность P_мх (вращением наружного ротора), получаем за счет источника электрической энергии механическую энергию (выходную) P_вых с вала якоря при равных моментах на роторе и якоре.

Поэтому предлагаемая машина является, по существу, машиноэлектрическим усилителем (МЭУ), в котором выходная механическая мощность управляется входной механической мощностью при подаче электрической мощности от источника питания, в отличие от известного электромашинного усилителя (ЭМУ), где электрическая мощность управляется входной электрической мощностью при подаче механической энергии от приводного двигателя.

Принцип усиления мощности в предлагаемом устройстве можно пояснить, используя общепринятое обозначение скольжения

согласно которому при скорости вращения ротора ω_s якорь будет вращаться со скоростью

Учитывая, что электромагнитные моменты якоря M_эа и ротора M_эр одинаковы M_эа=M_эр=M_э, усиление механической мощности подчиняется зависимости

Здесь принято абсолютное значение скорости ω_a.

Если принять за входной сигнал усилителя мощность вращения ротора (P_вх= M_э•ω_s), а за выходной сигнал мощность на валу якоря (P_вых= M_э•ω_a), то коэффициент усиления K_у составит.

Так как S<1, то K_у>1. Так, при S 0,01 K_у=100.

Использование: усилители механической мощности в электромашиностроении. Сущность изобретения: шихтованный якорь со щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока помещен концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки, впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря. Технический результат: одновременное использование механической (усиливаемой) энергии, например, ветротурбины, и электрической (усиливающей) - от фотоэлектрических преобразователей в системе комплексного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. 4 ил.

Двухвходовая электрическая машина, содержащая шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока и корпус, отличающаяся тем, что шихтованный якорь помещен концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки, впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря.