ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H02K17/26 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам.

Известен асинхронный двигатель, принцип действия которого основан на взаимодействии первичного магнитного поля статора и вторичного магнитного поля роторной нагрузки ( Брускин Д. Э. Зорохович А. Е. Хвостов В.С. М. Высшая школа, 1981, с. 122-128).

Известен также асинхронный двигатель, в котором возбуждение осуществляется переменным током, при этом вращающееся поле возбуждения с помощью датчиков ЭДС осуществляет коммутацию обмоток статора (патент ФРГ N 2413266, кл. H 02 K 17/42, 1974).

Наиболее близким к изобретению является электрический двигатель, содержащий аксиально установленные в одном корпусе двигательный узел и узел передачи энергии с первичной обмоткой, расположенной на его внешнем магнитопроводе и подключенной к источнику переменного тока, и вторичной обмоткой, расположенной на его внутреннем магнитопроводе, закрепленном на валу двигательного узла, составленного из полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора с обмоткой и отделенного от него воздушным зазором внутреннего цилиндрического магнитопровода ротора с обмоткой, секции которой соединены с секциями вторичной обмотки узла передачи энергии. Указанный двигатель входит в состав бесконтактного вентильного электродвигателя, имеющего два преобразователя частоты, систему коммутации.

Благодаря системе вентильной коммутации указанный электродвигатель имеет свойства, значительно превосходящие свойства асинхронного двигателя (авт. свид. СССР N 1069083, кл. H 02 K 24/00, 1984).

Недостатком указанного электродвигателя является его сложность из-за наличия двух преобразователей частоты и системы коммутации, что увеличивает вес, габариты, стоимость и усложняет эксплуатацию, а также увеличивает энергоемкость.

Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции, улучшении эксплуатационных свойств и повышении экономичности.

Это достигается тем, что в электрическом двигателе, содержащем аксиально установленные в одном корпусе двигательный узел и узел передачи энергии с первичной обмоткой, расположенной на его внешнем магнитопроводе и подключенной к источнику переменного тока, и вторичной обмоткой, расположенной на его внутреннем магнитопроводе, закрепленном на валу двигательного узла, составленного из полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора с обмоткой, и отделенного от него воздушным зазором внутреннего цилиндрического магнитопровода ротора с обмоткой, секции которой соединены с секциями вторичной обмотки узла передачи энергии, узел передачи энергии выполнен в виде асинхронного двигателя, статорная обмотка которого является первичной обмоткой, роторная обмотка вторичной обмоткой узла передачи энергии, секции которой выполнены с диаметральной намоткой, и снабжен узлом синфазирования, установленным в корпусе аксиально упомянутым узлам, втулкой из немагнитного материала, закрепленной на валу двигательного узла, магнитопроводом обмотки возбуждения, выполненным в виде двух рядов скобообразных магнитопроводов, каждый магнитопровод одного ряда расположен вдоль наружной образующей полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора, сопрягаясь с ее частью, ограниченной контуром секции обмотки статора, выполняющей функции обмотки возбуждения, скобообразные магнитопроводы второго ряда совместно с разделяющими их немагнитными изоляторами собраны в кольцо, установленное между немагнитной втулкой и полым цилиндрическим магнитопроводом ротора и закрепленное фиксирующими фланцами, причем торцевые части скобообразных магнитопроводов статора и ротора двигательного узла сопряжены через воздушный зазор, образуя магнитный коллекторный узел, роторная обмотка двигательного узла выполнена тороидальной, и ее секции расположены в радиальных плоскостях на цилиндрическом полом магнитопроводе ротора, магнитная система узла синфазирования составлена из двух расположенных один в другом и разделенных воздушным зазором цилиндрических полых магнитопроводов, внешний из которых расположен на статоре, а внутренний на немагнитной втулке, установленной на валу двигательного узла, в радиальных плоскостях на указанных магнитопроводах расположены синфазирующие обмотки, выполненные с тороидальной намоткой, причем плоскости секций статорной синфазирующей обмотки совпадают с плоскостями симметрии секций обмотки возбуждения двигательного узла, соединенной последовательно со статорной синфазирующей обмоткой узла синфазирования, секции роторной обмотки которого соединены последовательно с секциями роторных обмоток двигательного узла и узла передачи энергии, находящимися в одной с ними плоскости.

На фиг. 1 представлен электрический двигатель;
на фиг. 2 разрезы А-А и Б-Б на фиг. 1;
на фиг. 3 электрическая схема двигателя;
на фиг. 5 соединение и размещение роторных обмоток, лежащих в одной диаметральной плоскости;
на фиг. 6 соединение и ориентация секций обмотки возбуждения и статорной обмотки узла синфазирования;
на фиг. 7 устройство и электромагнитная картина узла синфазирования;
на фиг. 8 симметричное замыкание магнитной цепи;
на фиг. 9 сопряжение двигательного узла и узла синфазирования;
на фиг. 10 разрез Е-Е на фиг. 9;
на фиг. 11 разрез Д-Д на фиг. 9 с изображением электромагнитных картин роторной нагрузки и обмотки возбуждения;
на фиг. 12 распределение индукции поля возбуждения по скобообразному магнитопроводу;
на фиг. 13 распределение индукции возбуждения и поля роторной нагрузки (разрез Г-Г на фиг. 12).

Электрический двигатель содержит аксиально установленные в одном корпусе узел передачи энергии, двигательный узел и узел синфазирования, расположенные на одном валу. Узел передачи энергии 1 (фиг. 1) выполнен в виде асинхронного двигателя, статорная обмотка которого является первичной обмоткой упомянутого узла, а роторная обмотка вторичной обмоткой узла передачи энергии. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока.

Основным назначением узла является передача энергии в роторную цепь двигателя, чем и определяются продольные размеры этого узла.

Двигательный узел составлен из полого цилиндрического внешнего магнитопровода 2 статора, несущего на себе секционированную обмотку возбуждения 3, расположенную по внутренней образующей магнитопровода статора: в пазах на внутренней поверхности магнитопровода 2.

Электродвигатель снабжен магнитопроводом обмотки возбуждения, выполненным в виде двух рядов скобообразных магнитопроводов. Скобообразные магнитопроводы 4 первого ряда расположены параллельно оси двигателя в радиальных плоскостях, при этом каждый из них расположен вдоль наружной образующей полого цилиндрического внешнего магнитопровода 2 статора двигательного узла, сопрягаясь с ее частью, ограниченной контуром секции обмотки возбуждения 3 статора.

Ротор двигательного узла, выполненный в виде внутреннего цилиндрического магнитопровода 6, отделенного от статора воздушным зазором, снабжен втулкой 5 из немагнитного материала. Между втулкой 5 и цилиндрическим магнитопроводом 6 установлены кольца 8 и 9, каждое из которых составлено из скобообразных магнитопроводов (пластин) 10 (фиг. 2), изолированных между собой немагнитными изоляторами 11. Кольца закреплены фиксирующими фланцами 7.

Торцевые части скобообразных магнитопроводов статора и ротора двигательного узла сопряжены через воздушный зазор, образуя магнитный коллекторный узел.

На полом цилиндрическом магнитопроводе 6 в пазах расположены роторная обмотка 12, имеющая тороидальную намотку, а ее секции расположены в радиальных плоскостях. Для вывода соединительных концов роторной обмотки 12 двигательного узла в полукольце 9 имеются пазы 18 (фиг. 11).

Магнитная система узла синфазирования электрического двигателя составлена из двух, расположенных один в другом и разделенных воздушным зазором цилиндрических полых магнитопроводов, из которых внешний магнитопровод 13 расположен на статоре, а внутренний магнитопровод 14 на немагнитной втулке 15, закрепленной на валу двигательного узла. В радиальных плоскостях внешнего магнитопровода 13 расположена статорная синфазирующая обмотка 16, а в радиальных плоскостях внутреннего магнитопровода 14 роторная синфазирующая обмотка 17, т. е. указанные обмотки имеют тороидальную намотку. Радиальная плоскость секции статорной синфазирующей обмотки 16 совпадает с плоскостью симметрии секции обмотки возбуждения 3 магнитопровода статора двигательного узла (фиг. 6).

Секции статорных обмоток 3 и 16 двигательного узла и узла синфазирования соединены между собой.

Роторная цепь электрического двигателя образована последовательным соединением роторной обмотки 12 двигательного узла, роторной обмотки 17 узла синфазирования и роторной (вторичной) обмотки узла передачи энергии 1 (фиг. 4).

Работа двигателя основана на взаимодействии двухконтурной системы токов с несимметричным замыканием магнитного потока и синфазированного с пространственным распределением роторной нагрузки магнитного поля возбуждения при электромагнитной развязке контуров обмотки возбуждения и роторной цепи.

Применение двухконтурной обмотки ротора с тороидальной намоткой в совокупности с магнитным коллекторным узлом дает возможность сложения полей возбуждения и роторной нагрузки при исключении электромагнитной связи контуров (магнитное поле возбуждения распространяется радиально, т.е. не пересекая контура обмотки ротора (фиг. 11 и 13).

Для сохранения электромагнитной картины поля роторной нагрузки для двухконтурной системы обмоток ротора применено несимметричное замыкание магнитного потока (сравнить фиг. 7 и 8), что обеспечено отсутствием магнитопроводящих материалов в пространстве внутри роторного цилиндрического магнитопровода 6 (втулка 5 и изоляторы 11 из немагнитного материала), ослабляющее симметричную (статорной ветви, фиг. 2, 7 и 8) ветвь замыкания магнитного потока практически до нудя, вследствие чего двухконтурная система становится эквивалентной одноконтурной системе с симметричным замыканием (фиг. 7 и 8).

Синфазирование, т.е. полное соответствие (в отличие от асинхронного двигателя) пространственного распределения роторной нагрузки и магнитного поля возбуждения осуществляется с помощью узла синфазирования, представляющего собой, по существу, трансформатор тока для преобразования вращающегося магнитного поля, в котором задающей является роторная обмотка (фиг. 7).

Поскольку по основному свойству трансформатора тока намагничивающие силы обмоток узла синфазирования (статорной и роторной) противоположны в пространстве (электромашинный аналог измерительного трансформатора тока), распределение роторной нагрузки копируется в обмотке возбуждения, секции которой соединены с секциями статорной синфазирующей обмотки (фиг. 9, 10 и 11).

Секции обмотки возбуждения, имеющие общий контур со статорными обмотками узла синфазирования и имеющие ортогональную относительно них ориентацию, возбуждают в скобообразных магнитопроводах, цепь которых замыкается через цилиндрические полые магнитопроводы ротора и статора (в радиальном направлении) и магнитный коллектор, индукцию магнитного поля возбуждения, вращающуюся в пространстве синфазно с вращающейся токовой нагрузкой (фиг. 11 и 13).

Магнитное поле возбуждения, взаимодействуя с двухконтурной системой роторной обмотки, создает электромагнитный момент; общая картина их взаимодействия общеизвестна и иллюстрируется в данном случае фиг. 13.

Работа предлагаемого двигателя в статическом режиме представляется следующим образом.

Узел передачи электрической энергии при наличии скольжения трансформирует в роторной обмотке систему ЭДС, поскольку секции роторной обмотки узла передачи энергии соединены с соответствующими секциями роторной обмотки двигательного узла и узла синфазирования, по ним потечет система токов, параметры которой определяются скольжением и параметрами роторной обмотки двигателя.

Пространственное распределение токовой нагрузки ротора с помощью узла синфазирования трансформируется в магнитное поле возбуждения, синфазированное с токовой нагрузкой ротора.

Двухконтурная обмотка ротора двигательного узла взаимодействует с магнитным полем обмотки возбуждения, возбуждая электромагнитный момент. При этом за счет синфазирования токовой нагрузки и магнитного поля возбуждения противомомента, характерного для любого режима (кроме x.x.) синхронного двигателя, не возникает.

По поводу режима холостого хода: по типу электромагнитного взаимодействия предложенный двигатель имеет характеристики, близкие к характеристикам двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (ток обмотки возбуждения пропорционален току нагрузки) с той разницей, что точка холостого хода предлагаемого двигателя будет обусловлена свойствами узла передачи энергии: при скорости ротора, равной синхронной, роторная цепь перестает получать энергию, а при увеличении скорости возникает тормозной момент.

Использование: в электрических машинах. Сущность изобретения: электрический двигатель снабжен узлом синфазирования, составленного из внешнего магнитопровода со статорной синфазирующей обмоткой, внутреннего магнитопровода с роторной синфазирующей обмоткой, расположенного на немагнитной втулке, установленной на валу двигательного узла, питающегося от узла передачи энергии, выполненного в виде асинхронного двигателя. Упомянутые узлы расположены в общем корпусе и разнесены аксиально. Роторные обмотки узлов соединены между собой последовательно. Секции обмотки возбуждения двигательного узла, расположенной на статоре, соединены с секциями статорной синфазирующей обмотки узла синфазирования. Магнитопровод обмотки возбуждения составлен из двух рядов скобообразных магнитопроводов, один из которых расположен на магнитопроводе статора вдоль образующей цилиндрической его поверхности, другой ряд скобообразных магнитопроводов образует кольцо, установленное на немагнитной втулке, расположенной на валу двигателя и зафиксировано фланцами. В результате упрощается конструкция, улучшаются эксплуатационные свойства и повышается экономичность. 13 ил.

Электрический двигатель, содержащий аксиально установленные в одном корпусе двигательный узел и узел передачи энергии с первичной обмоткой, расположенной на его внешнем магнитопроводе и подключенной к источнику переменного тока, и вторичной обмоткой, расположенной на его внутреннем магнитопроводе, закрепленном на валу двигательного узла, составленного из полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора с обмоткой, секции которой расположены по внутренней образующей магнитопровода статора, и отделенного от него воздушным зазором внутреннего цилиндрического магнитопровода ротора с обмоткой, секции которой соединены с секциями вторичной обмотки узла передачи энергии, отличающийся тем, что узел передачи энергии выполнен в виде асинхронного двигателя, статорная обмотка которого является первичной обмоткой, а роторная обмотка вторичной обмоткой узла передачи энергии, секции которой выполнены с диаметральной намоткой, и снабжен узлом синфазирования, установленным в корпусе аксиально упомянутым узлам, втулкой из немагнитного материала, закрепленной на валу двигательного узла, магнитопроводом обмотки возбуждения, выполненным в виде двух рядов скобообразных магнитопроводов, каждый магнитопровод одного ряда расположен вдоль наружной образующей полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора, сопрягаясь с ее частью, ограниченной контуром секции обмотки статора, выполняющей функции обмотки возбуждения, скобообразные магнитопроводы второго ряда совместно с разделяющими их немагнитными изоляторами собраны в кольцо, установленное между немагнитной втулкой и полым цилиндрическим магнитопроводом ротора и закрепленное фиксирующими фланцами, причем торцевые части скобообразных магнитопроводов статора и ротора двигательного узла сопряжены через воздушный зазор, образуя магнитный коллекторный узел, роторная обмотка двигательного узла выполнена тороидальной, а ее секции расположены в радиальных плоскостях на цилиндрическом полом магнитопроводе ротора, магнитная система узла синфазирования составлена из двух расположенных один в другом и разделенных воздушным зазором цилиндрических полых магнитопроводов, внешний из которых расположен на статоре, а внутренний на немагнитной втулке, установленной на валу двигательного узла, в радиальных плоскостях на указанных магнитопроводах расположены синфазирующие обмотки, выполненные с тороидальной намоткой, причем плоскости секций статорной синфазирующей обмотки совпадают с плоскостями симметрии секций обмотки возбуждения двигательного узла, соединенной последовательно со статорной синфазирующей обмоткой узла синфазирования, секции роторной обмотки которого соединены последовательно с секциями роторных обмоток двигательного узла и узла передачи энергии, находящимися в одной с ними плоскости.