МАШИННО-ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1997 года по МПК H02K17/00 H02K19/00 

В конструкции современных электрических машин сочетаются магнитопроводы и обмотки, обычно в пазах между магнитопроводящими зубцами размещаются токопроводящие обмотки. Создание требуемого эффекта от действия электрической машины вращающего момента на оси двигателя ЭДС в обмотках генератора - осуществляется только благодаря взаимодействию в машине магнитных потоков, созданных обмоткой возбуждения и обмотками фаз и т.п.

Но совместное размещение токо- и магнитопроводящих элементов, подвод тока к статору и, особенно, ротору машины, создающие определенные трудности и ограничения, нельзя считать единственным и оптимальным принципиальным решением создания электрической машины. Ниже описывается предлагаемый машинно-трансформаторный агрегат, состоящий из машинного и трансформаторного устройства, отличающийся тем, что к его машинному устройству не подведены внешние источники или потребители электрического тока и оно состоит из магнитопроводов, размещенных как на его подвижной части роторе, так и на неподвижной статоре, а у трансформаторного устройства, состоящего из обмоток и магнитопроводов, последние непосредственно соединены с упомянутыми магнитопроводами статорной части машинного устройства. Токи создают магнитные потоки или создаются благодаря изменениям магнитных потоков в условиях наибольшей надежности в эксплуатации и наилучшей ремонтопригодности, наименьших ограничениях по напряжению, наличия дополнительных возможностей по обеспечению охлаждения и др.

Показана возможность выполнения в виде таких агрегатов любого из существующих типов машин синхронных (реактивных, с электромагнитным возбуждением и/или постоянными магнитами, индукторных), асинхронных где традиционным остается только ротор коротко замкнутый непосредственно или через кольца), а также машины с характеристиками коллекторного двигателя постоянного тока с ротором, замкнутым на систему диодов по патентам автора (например, английскому патенту N 1233733 и аналогичным).

Разберем выполнение такого машинно-трансформаторного агрегата в виде синхронного генератора, особенно при низкооборотном двигателе, например гидро- или ветродвигателе, когда требуется для безредукторного исполнения сверхвысокая многополюсность, обеспечиваемая зубчатостью поверхностей ротора и статора, обращенных к зазору.

В разбираемом варианте на фиг. 1 изображен продольный разрез агрегата, на фиг. 2 поперечные разрезы, при высокой многополюсности, обеспечиваемой значительным количеством зубцов, как это имеет место и в современных индукторных генераторах, нет присущего этому типу машины частичного изменения потокосцеплений вида Ф = Ф_м(a+bsinα) где значения a и b определяются отношением величины полюсного деления 2τ к величине зазора d.

Детальный теоретический анализ, приведенный, в частности, в монографии автора "Дистанционные передачи" в 3-м издании ("Энергия", Москва, 1974 г.) на страницах 371 396 показывает, что при 2τ/δ = 20, a ≃ 0,7 и b ≃ 0,3 с обмотками, размещенными в трансформаторной части агрегата, сцепляется:
Ф_~ = Ф_м(a+bsinα)-Ф_м(a-bsinα) = 2bФ_мsinα
при
2τ/δ ≥ 40-b = 0,4 и Ф_~ ≃ 0,8 Ф_мsinα -
машина (генератор, двигатель) работает не как индукторная, а как обычная синхронная машина с ненамного уменьшенной амплитудой магнитного потока, сцепляющегося с обмотками якоря, но с весьма существенными преимуществами: она бесконтактна и сверхвысокополюсна, например, ротор мощного гидрогенератора CB1285/27S-42Y4 с n=142,8 об/мин имеет вместо 42-х обмоточных полюсов, к которым ток подводится через систему колец и щеток, шестеренку с 21 зубцом без каких-либо обмоток, поток создается с одной кольцевой неподвижной обмоткой (и, как показывают расчеты, меди возбуждения на порядок меньше и потери в цепи возбуждения ≈ 40 кВт вместо 3000 кВт у СВ 1885/275 42Y4 В), обмотка якоря размещается в 252-х пазах у CB 1285/275 42YB с напряжением ν 15,8 кВ для связи с линией передачи, например, с n 220 кВ требуется трансформаторная подстанция, у предлагаемого машинно-трансформаторного агрегата в фазах якоря (6 катушек на 3 фазы) реализуется непосредственно напряжение линии передачи, трансформаторов не требуется. Но даже сам этот генератор имеет массу в 1790 т Д ≃ 14,5 м, H ≃ 8 м, по предварительным расчетами масса машинно-трансформаторного агрегата на ту же мощность (711 кВт) будет иметь величину в 4 раза меньше (при том же H ≃ 8 м, Д ≃ 7 м ). Простая, дешевая и малогабаритная высоко-многополюсность позволяет создать и малые, например, автомобильные генераторы намного более дешевые, надежные, меньшей массы.

Машины, конечно, обратимы, указанные выше преимущества относятся и к двигателям синхронным, реактивным как мощным, так и малым. Наличие вращающегося поля в зазоре машинной части агрегата позволяет установить там вместо ротора с возбуждением постоянным током (или потоком от постоянного магнита) ротор с фазной, например короткозамкнутой обмоткой, получив беспазовый многополюсный асинхронный двигатель с минимальным количеством сосредоточенных обмоток на статоре. Затем при питании обмотки возбуждения в синхронном варианте переменным током можно получить сельсин (в том числе т.н. "сельсин-двигатель") на любую мощность. Наконец, если при этом, имея P пар полюсов в системе, возбуждаемой переменным током, якорные обмотки закоротить на систему диодов и создавать дополнительно в машинной части постоянный поток с 2P пар полюсов (например, от постоянного магнита), можно получить характеристики, присущие коллекторным машинам.

Устройство машинно- трансформаторного агрегата в варианте синхронной машины 4-х фазной, 20-полюсной, иллюстрируется фигурами, где на фиг. 1 - продольный разрез агрегата; на фиг. 2 то же, поперечные разрезы соответственно по А-А', B-B', C-C', Д-Д', E-E', F-F'; на фиг. 8 показано создание знакопеременных потокосцеплений с якорными обмотками.

На фигурах изображено: 1 корпус агрегата, 2 продольный шихтованный пакет первой фазы ("верхний", "первый"), 3 поперечный шихтованный пакет 1-й фазы ("левый"), 4 якорная катушка обмотка 1-й фазы, 5 поперечный шихтованный пакет 1-й фазы ("правый"), 6 продольный шихтованный пакет сердечника 1-й фазы, 7 вал машины, 8 продольный шихтованный пакет 1-й фазы ("нижний", "пятый" из размещенных на статоре восьми пакетов), 9 поперечный шихтованный пакет 2-й фазы ("левый"), 10 якорная катушка обмотка 2-й фазы, 11 поперечный шихтованный пакет 2-й фазы ("правый"), 12 левое кольцо ротора из ферромагнитного материала с P зубцами (в данном варианте десятью), 13 обмотка возбуждения, 14 правое кольцо ротора с P зубцами, оси которых смещены по дуге на τ, 15 при оптимальном использовании габаритов агрегата правая трансформаторная часть, повторяющая левую, с двумя катушками якорной обмотки и четырьмя поперечными шихтованными пакетами (не показаны), 16 - третий продольный пакет по окружности статора, 17 седьмой продольный пакет по окружности статора, 18 зубцы левого кольца ротора, 19 зубцы правого кольца ротора, 20 восьмой продольный пакет по окружности статора, 21 - второй продольный пакет по окружности статора, 22 шестой продольный пакет по окружности статора.

Машинно-трансформаторный агрегат работает следующим образом.

Обмотка возбуждения 13 создает магнитный поток по параллельным путям (в положении, показанном на фиг. 1 7). Левое кольцо ротора 12, его десять зубцов 18, из них через соответствующие зазоры, в восемь продольных пакетов статора параллельно разветвляются в каждом из них вправо и влево, причем при наличии правой трансформаторной части, вправо на два потока показанный пунктиром на фиг.1 не сцепляющийся с обмотками якоря поток рассеяния (из-за сдвига осей зубцов 19 правого кольца 14 ротора от осей зубцов 18 левого колеса 12 на его пути суммарный значительный зазор в приближенных расчетах мы принимаем s_расс ≃ 0,25 и с катушками обмотки якоря в каждой трансформаторной части сцепляющегося потока с катушкой якоря 1-й фазы потоки продольных пакетов 3 и 11, проходящих через поперечный пакет 3 в пакет сердечника 6 слева направо и далее, через поперечный пакет 5 в продольные пакеты 16 и 17, в зубцы 19 правого кольца 14, в положении, указанном на рисунках, это путь наибольшей магнитной проводимости, соответствующий Ф₁ и Ф₅ в точке α = 0 на фиг. 8. Но через зубцы 18 левого колеса 12 ротора протекает поток через зазоры (наибольшие в положении, показанном на рисунках) в пакеты 16 и 17, в правый поперечный пакет 1-й фазы 5, через сердечник 6 катушки 4 1-й фазы навстречу описанным выше потокам Ф₁ и Ф₃ (Ф₁ и Ф₇ на фиг. 8), т.е. изменяющиеся только по величине, как в индукторных машинах, потоки образуют при вращении ротора знакопеременные потокосцепления по фиг. 8 как у классической синхронной машины.

Аналогично образуются знакопеременные потокосцепления во 2-й фазе. Четыре катушки якоря образуют четырехфазную систему, как показано на фиг. 8. Соответственно, например, при P=Z зубцов ротора 21 и Z пакетов статора 18 получаем трехфазную систему с тремя параллельными потоками одного и тремя параллельными потоками встречного направления в каждой фазе, данные расчета которой приведены выше.

Катушка возбуждения также может быть выведена из машинной части, но вариант с размещением ее внутри машинной части (а она не связана с величиной напряжения и может быть защищена от воздействия любой среды), как это показано на рисунках и описано выше, представляется предпочтительней. Исследования малогабаритных реальных образцов подтвердили расчетные данные.

Преимущества предлагаемого типа электрических машин не только в их наибольшей надежности, технологичности в изготовлении и простоте в эксплуатации все обмотки неподвижны и удалены от вращающихся частей, машинная часть может быть в воде, во взрывоопасной среде и т.п. обмотки в масле, под напряжением высоковольтной сети, но и в существенном удешевлении, так, например, как уже указывалось, у гидрогенераторов СВ 128.5/275 42У4 42 катушки возбуждения на полюсах, у предлагаемого агрегата одна; распределенные в 252 пазах якоря обмотки из полых медных полос (всего m_меди ≃ 400 T при m_общем ≃ 1790 т на 15,8 кВ, затем трансформатор с первичной и вторичной обмотками, в предлагаемом агрегате в каждой фазе по одной обмотке сразу на напряжение высоковольтной сети, по предварительным оценкам меди потребуется на порядок меньше; все обмотки кольцевые, простые и надежные, для указанного выше гидрогенератора требуется машинный зал и трансформаторная подстанция, здесь только одна подстанция.

Область использования: бесконтактные электропривод переменного тока и источники электропитания. Сущность изобретения: агрегат состоит из машинного и трансформаторного устройств с общим магнитопроводом, часть которого размещена на трансформаторе, снабжена обмотками и непосредственно соединена с магнитопроводом статора машинного устройства. Технический результат: упрощение, повышение надежности. 7 з.п., ф-лы, 8 ил.

1. Машинно-трансформаторный агрегат, включающий машинное и трансформаторное устройства с общим магнитопроводом, отличающийся тем, что часть общего магнитопровода размещена на трансформаторе, снабжена обмотками и непосредственно соединена с магнитопроводом статора машинного устройства. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что машинное устройство выполнено в виде ферромагнитной системы статора и ротора с зубцами, обращенными к зазору, отделяющему статор от ротора. 3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что на роторе установлен постоянный магнит. 4. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что снабжен обмоткой возбуждения, размещенной в трансформаторном устройстве. 5. Агрегат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при многополюсном выполнении на роторе использован магнитопровод с осевой ориентацией магнитной проводимости. 6. Агрегат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на роторе использован магнитопровод с диаметральной ориентацией магнитной проводимости. 7. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен с короткозамкнутой обмоткой. 8. Агрегат по п.4, отличающийся тем, что система переменного тока выполнена однофазной P-полюсной, система постоянного тока 2P-полюсной, а ротор снабжен обмоткой, закороченной на систему диодов.