АСИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК H02K17/34 H02K31/04 H02K51/00 

Изобретение относится к регулируемым асинхронным машинам, включающим в себя униполярные машины с жидкометаллическими контактами, и может быть использовано в качестве регулируемого электропривода или генератора переменного тока стабилизированных выходных параметров электроэнергии при переменной частоте вращения первичного двигателя.

Наиболее близким к предложению по технической сущности аналогом является регулируемый асинхронный двигатель, известный из патента России N 2031516, кл.H O2 K 17/34, 1995/.

В наиболее близком аналоге асинхронная машина содержит ротор, включающий основной магнитопровод с обмоткой переменного тока, дополнительный магнитопровод из шихтованной стали, две униполярные /кольцевые/ обмотки возбуждения с магнитопроводом униполярных машин, первый, второй и третий полые ферромагнитные цилиндры со скользящими контактами, обеспечивающими цилиндрам возможность свободного вращения, и снабженные проводящими немагнитными стержнями и короткозамкнутыми кольцами, ротор с основным магнитопроводом с обмоткой, первым дополнительным магнитопроводом с обмоткой, вторым дополнительным магнитопроводом и третьим зубчатым магнитопроводом.

Наиболее близкому аналогу присущи следующие недостатки:
1. Наличие жидкого металла требует организации специального производства, что может вызвать трудности для электромашиностроительных заводов.

2. Вращающий момент, создаваемый якорями двух униполярных машин /второй и третий ферромагнитные цилиндры/, передается на ротор асинхронной машины различными способами. В первом случае полем возбуждения обмотки первого ферромагнитного цилиндра, во втором случае за счет разности индуктивностей по оси зубца и по оси паза третьего цилиндра и зубчатого ротора, что ведет к разунификации технических решений для цилиндров первой и второй герметичных камер. Кроме того, момент сцепления, возникающий между зубчатым магнитопроводом ротора и третьим ферромагнитным цилиндром, зависит от квадрата тока возбуждения в униполярных катушках возбуждения и резко снижается при регулировании /уменьшении/ тока возбуждения, что может привести к потере синхронной связи между этими цилиндром и ротором, а следовательно, снизить надежность работы машины.

Цель изобретения повышение унификации, улучшение технологичности изготовления и повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что, в отличие от прототипа, полый внутренний цилиндр с торцовыми и смежными кольцами образует совместно с дополнительным магнитопроводом статора две кольцевые герметичные камеры, причем в первой камере размещены первый и второй жестко механически связанные цилиндры, а во второй камере третий ферромагнитный цилиндр. Ферромагнитные цилиндры со скользящими контактами образуют замкнутую цепь. Кроме того, полый внутренний цилиндр разделен по длине на две части между смежными кольцами, выполненными из электропроводящего материала и электрически соединенными между собой, неподвижная часть скользящего контакта первой камеры выполнена в виде пятого ферромагнитного цилиндра с немагнитными электропроводящими стержнями и торцовыми смежными короткозамыкающими кольцами, дополнительный магнитопровод статора снабжен внешним полым цилиндром и жестко скреплен с пятым ферромагнитным цилиндром и торцовыми смежными кольцами первой части внутреннего цилиндра, смежное кольцо пятого ферромагнитного цилиндра и смежное кольцо первой части внутреннего цилиндра установлены концентрично и электрически изолированы друг от друга, совместно с первым и вторым ферромагнитными цилиндрами, образующими единый герметичный узел первой униполярной вставки, во второй камере установлен четвертый ферромагнитный цилиндр с немагнитными электропроводящими стержнями, разделенный вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу зубцов третьего зубчатого магнитопровода ротора, образующий одновитковые катушки разноименно полюсной магнитной системы, жестко связанный с третьим цилиндром и электрически соединенный с соответствующими его скользящими контактами двух полярностей, неподвижная часть скользящего контакта второй камеры выполнена в виде шестого ферромагнитного цилиндра с немагнитными электропроводящими стержнями и торцовым и смежным короткозамыкающими кольцами и установлен седьмой полый немагнитный цилиндр с торцовым кольцом, жестко скреплен с шестым цилиндром и смежным кольцом и цилиндрической поверхностью второй части полого внутреннего цилиндра, смежное кольцо второй части полого внутреннего цилиндра и смежное кольцо шестого цилиндра установлены концентрично и электрически изолированы друг от друга, совместно с третьим и четвертым ферромагнитными цилиндрами, образующие единый герметичный узел второй униполярной вставки, одной полярностью две униполярные вставки электрически соединены через смежные кольца двух частей внутреннего цилиндра, другой полярностью соединены посредством пятого и шестого цилиндров по их торцовым кольцам, магнитопровод статора униполярных машин с униполярными обмотками возбуждения установлен на внешней цилиндрической поверхности униполярных вставок, на роторе установлен -образный ферромагнитный магнитопровод, охватывающий внешнюю цилиндрическую поверхность седьмого цилиндра, с внутренней цилиндрической поверхности -образного магнитопровода выполнены пазы числом, равным числу полюсов магнитной системы четвертого ферромагнитного цилиндра, а внешняя его цилиндрическая поверхность соотнесена с цилиндрической поверхностью торцовой части магнитопровода статора униполярных машин.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия", так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п. 2 "Правила составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение"), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема асинхронной электрической машины, на фиг. 2 сечение А-А.

Асинхронная машина включает статор с основным магнитопроводом 1 и обмоткой переменного тока 2, магнитопровод двух униполярных машин 3 со смежной (первой) 4 и торцовой 5 униполярными обмотками возбуждения, первую униполярную вставку 6 с вращающимися первым и вторым ферромагнитными цилиндрами с электропроводящими немагнитными стержнями и вторую униполярную вставку 7 с вращающимися третьим и четвертым ферромагнитными цилиндрами с немагнитными электропроводящими стержнями, ротор с основным магнитопроводом и обмоткой 8, первым дополнительным магнитопроводом с обмоткой 9, вторым дополнительным магнитопроводом 10 и третьим дополнительным зубчатым магнитопроводом 11, торцовые щиты 12 и 13 с подшипниковыми опорами.

Первая униполярная вставка 6 включает первую герметичную камеру 14, образованную внешним полым цилиндром 15 с дополнительным магнитопроводом статора 16, неподвижной частью скользящего контакта, выполненной в виде пятого ферромагнитного цилиндра 17 с немагнитными электропроводящими стержнями 18 (фиг. 2) и торцовым 19 и смежным 20 короткозамыкающими кольцами и первой частью внутреннего цилиндра 21 с торцовым 22 и смежным 23 кольцами с изоляцией 24, первый ферромагнитный цилиндр 25 и второй ферромагнитный цилиндр 26 и заполнена жидким металлом (например, "Na-K" эвтектика).

Вторая униполярная вставка 7 включает вторую герметичную камеру 27, образованную неподвижной частью скользящего контакта, выполненной в виде шестого ферромагнитного цилиндра 28 с немагнитными электропроводящими стержнями и торцовым 29 и смежным 30 короткозамыкающими кольцами, седьмым полым немагнитным цилиндром 31 с торцовым кольцом 32, второй частью полого внутреннего цилиндра 33 со смежным кольцом 34, третий ферромагнитный цилиндр 35 с немагнитными электропроводящими стержнями и четвертый ферромагнитный цилиндр 36 с немагнитными электропроводящими стержнями. Четвертый ферромагнитный цилиндр разделен вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу зубцов третьего зубчатого магнитопровода ротора 11, так что образуются одновитковые катушки разноименно полюсной магнитной системы (аналогично с первым ферромагнитным цилиндром 25), и механически скреплен с третьим ферромагнитным цилиндром 35 и электрически соединен с соответствующими скользящими контактами двух полярностей. Одной полярностью первая 6 и вторая 7 униполярные вставки электрически соединены через смежные кольца 20 и 30 двух частей внутреннего цилиндра, другой полярностью соединены посредством пятого 17 и шестого 28 цилиндров по их торцовым кольцам 19 и 29, образуя одну последовательную замкнутую цепь.

На роторе установлен -образный ферромагнитный магнитопровод 37, охватывающий внешнюю цилиндрическую поверхность седьмого цилиндра 31, с внутренней цилиндрической поверхности -образного магнитопровода выполнены пазы числом, равным числу полюсов магнитной системы четвертого ферромагнитного цилиндра 36 (фиг. 2), а внешняя его цилиндрическая поверхность соотнесена с цилиндрической поверхностью торцовой части магнитопровода статора 3 униполярных машин.

Униполярные вставки, как самостоятельные узлы, устанавливаются внутри статора 3 униполярных машин, включающего смежную (первую) 4 униполярную обмотку возбуждения и торцовую (вторую) 5 обмотку возбуждения. При этом магнитопровод статора 3 также представляет собой самостоятельный конструктивный узел. Для исключения влияния (взаимного) обмоток возбуждения 4 и 5 друг на друга в статоре 3 установлено немагнитное кольцо 38. Жидкий металл (Na-K), заполняющий герметичные камеры, выполняет две основные функции:
1. Проводит электрический ток между кольцами вращающихся и неподвижных контактов.

2. Осуществляет смазку между вращающимися и неподвижными цилиндрами аналогично подшипниковым опорам скольжения.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения в обмотку переменного тока 2 (фиг. 1) ротор 8 может прийти во вращение с какой-либо частотой. В обмотке ротора 8 наведется ЭДС частоты скольжения. Под действием этой ЭДС по обмотке ротора первого дополнительного магнитопровода 9 потечет ток, который создает в дополнительном магнитопроводе вращающееся поле с числом полюсов, равным числу полюсов обмотки 9 дополнительного магнитопровода. При этом придет во вращение первый ферромагнитный цилиндр 25 и сочлененный с ним второй ферромагнитный цилиндр 26 первой униполярной вставки 6. При достижении ферромагнитным цилиндром 25 подсинхронной частоты вращения в смежную униполярную обмотку возбуждения 4 подается постоянный ток, возбуждающий униполярный магнитный поток. Под действием униполярного магнитного потока во втором вращающемся цилиндре 26 наведется ЭДС, в результате чего по замкнутой цепи, образованной первым 25, вторым 26 цилиндрами, смежными кольцами 24 и 34 внутреннего цилиндра, третьим 35 и четвертым 36 цилиндрами, шестым цилиндром 28 с торцовым 30 и смежным 29 кольцами, пятым цилиндром 17 со смежным 20 и торцовым 19 кольцами потечет постоянный ток. Этот ток создает в первом 25 и четвертом 36 цилиндрах магнитные потоки разноименных полюсов их магнитных систем с выбранными для каждого из них числами пар полюсов. При этом первый ферромагнитный цилиндр 25 втянется в синхронизм с вращающимся магнитным полем, возбуждаемым первой дополнительной обмоткой ротора 9. Четвертый ферромагнитный цилиндр 36 второй униполярной вставки 7 разноименно полюсными полюсами придет в неподвижное зацепление с зубцами третьего дополнительного магнитопровода 11 и с зубцами -образного ферромагнитного магнитопровода 37, числа которых равны числу полюсов четвертого ферромагнитного цилиндра 36 (фиг. 2).

Частота вращения четвертого ферромагнитного цилиндра 36, а следовательно, и ротора 8 асинхронной машины пропорциональна величине униполярной ЭДС второго ферромагнитного цилиндра 26, работающего в генераторном режиме, и обратно пропорциональна величине результирующего униполярного магнитного потока, пересекающего третий ферромагнитный цилиндр 35, работающего в двигательном режиме. Регулирование величины униполярной ЭДС достигается изменением тока возбуждения в смежной униполярной обмотке возбуждения 4, а регулирование результирующего униполярного магнитного потока достигается изменением тока возбуждения двух обмоток 4 и 5. При этом для исключения влияния магнитного потока обмотки 5 на униполярную ЭДС установлено магнитное кольцо 38.

Ток возбуждения в униполярной обмотке 4 выбирается таким образом, что обеспечивается такое значение униполярного тока в разноименно полюсной магнитной системе первого ферромагнитного цилиндра 25, при котором cosΦ в первичной обмотке 2 асинхронной машины был близок 1. Тогда регулирование частоты вращения будет производиться только за счет изменения тока в униполярной обмотке 5.

Преимущества предлагаемого решения по сравнению с прототипом заключаются в создании герметичных камер униполярных машин из силовых токоведущих частей в виде самостоятельных узлов униполярных вставок, что позволяет расчленить униполярные машины на независимые для производства и комплектации узлы, в особенности решить вопросы ремонта простой заменой готовых узлов, кроме того, комплектование и разработка униполярных машин в виде законченных автономных узлов создают предпосылки для специализированного производства униполярных вставок, специфика которого более связана с металловедением и механической обработкой, нежели с электромашиностроением. Принятие однотипных конструкторских решений для создания разноименно полюсных магнитных систем пар полюсов для генераторной и двигательной униполярных вставок позволяет осуществить максимальную их унификацию и уменьшить требуемое число типоразмеров униполярных вставок, кроме того, увеличивается сила зацепления между ферромагнитным цилиндром двигательной униполярной вставки и дополнительным магнитопроводом зубчатого ротора, так как величина магнитодвижущей силы, создаваемой током якоря униполярных машин, много больше, чем магнитодвижущая сила униполярной обмотки возбуждения, а это повышает надежность работы асинхронной машины. Кроме того, наличие -образного магнитопровода значительно увеличивает силу зацепления между ротором 8 и двигательной униполярной вставкой по сравнению с прототипом, что обеспечивает надежную работу асинхронной машины при высоких моментах сопротивления на валу ротора.

Использование: в качестве регулируемого электропривода или генераторов переменного тока стабилизированных выходных параметров электроэнергии при переменной частоте вращения первичного двигателя. Сущность изобретения: асинхронная электрическая машина содержит униполярную машину с жидкометаллическими контактами специального исполнения в виде законченных конструктивных автономных узлов - униполярных вставок 6 и 7, представляющих собой герметичные камеры 14 и 27, образованные цилиндрическими дополнительными магнитопроводами 15, 16 и 28 статора и внутренними полыми цилиндрическими ферромагнитными магнитопроводами 21, 31, внутри которых размещены якори униполярных машин в виде свободно вращающихся в жидком металле ферромагнитных цилиндров 25, 26. Приняты однотипные конструктивные решения для создания разноименно полюсных магнитных систем пар полюсов генераторных и двигательных униполярных вставок, что позволяет осуществить максимальную унификацию вставок с жидким металлом. Исполнение униполярных машин в виде автономных узлов униполярных вставок позволяет осуществить независимое специфическое производство, комплектацию асинхронных машин различной мощности, решить вопросы ремонта простой заменой готовых герметичных узлов - униполярных вставок. 2 ил.

Асинхронная электрическая машина, содержащая статор, включающий основной магнитопровод с обмоткой переменного тока, дополнительный магнитопровод из шихтованной стали, магнитопровод двух униполярных машин с двумя униполярными обмотками возбуждения, первый, второй и третий полые ферромагнитные цилиндры с электропроводящими немагнитными стержнями и короткозамыкающими кольцами, снабженные скользящими контактами, включающими неподвижную и свободную для вращения части, образующие замкнутую электрическую цепь, ротор с основным магнитопроводом с обмоткой, первым дополнительным магнитопроводом с обмоткой, вторым дополнительным магнитопроводом и третьим дополнительным зубчатым магнитопроводом, отличающаяся тем, что она снабжена полым внутренним цилиндром с торцевыми и смежными кольцами, образующими совместно с дополнительным магнитопроводом статора и магнитопроводом униполярных машин две герметичные кольцевые камеры, причем в первой камере размещены первый и второй жестко связанные цилиндры, а во второй камере третий ферромагнитный цилиндр, полый внутренний цилиндр разделен по длине на две части между смежными кольцами, выполненными из электропроводящего материала и электрически соединенными между собой, неподвижная часть скользящего контакта первой камеры выполнена в виде пятого ферромагнитного цилиндра с немагнитными электропроводящими стержнями и торцевым и смежным короткозамыкающими кольцами, дополнительный магнитопровод статора снабжен внешним полым цилиндром и жестко скреплен с пятым ферромагнитным цилиндром и торцевым и смежным кольцами первой части внутреннего цилиндра, смежное кольцо пятого ферромагнитного цилиндра и смежное кольцо первой части внутреннего цилиндра установлены концентрично и электрически изолированы друг от друга, совместно с первым и вторым ферромагнитными цилиндрами образующие единый герметичный узел первой униполярной вставки, во второй камере установлен четвертый ферромагнитный цилиндр с немагнитными электропроводящими стержнями, разделенный вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу зубцов третьего зубчатого магнитопровода ротора, образующие одновитковые катушки разноименно полюсной магнитной системы, жестко связанный с третьим цилиндром и электрически соединенный с соответствующими его скользящими контактами двух полярностей, неподвижная часть скользящего контакта второй камеры выполнена в виде шестого ферромагнитного цилиндра с немагнитными электропроводящими стержнями и торцевым смежным короткозамыкающими кольцами и установлен седьмой полый немагнитный цилиндр с торцевым кольцом, жестко скрепленный с шестым цилиндром и смежным кольцом и цилиндрической поверхностью второй части полого внутреннего цилиндра, смежное кольцо второй части полого внутреннего цилиндра и смежное кольцо шестого цилиндра установлены концентрично и электрически изолированы друг от друга, совместно с третьим и четвертым ферромагнитными цилиндрами, образующие единый герметичный узел второй униполярной вставки, одной полярностью две униполярные вставки электрически соединены через смежные кольца двух частей внутреннего цилиндра, другой полярностью соединены посредством пятого и шестого цилиндров по их торцевым кольцам, магнитопровод статора униполярных машин с униполярными обмотками возбуждения установлен на внешней цилиндрической поверхности униполярных вставок, на роторе установлен образный ферромагнитный магнитопровод, охватывающий внешнюю цилиндрическую поверхность седьмого цилиндра, с внутренней цилиндрической поверхности образного магнитопровода выполнены пазы числом, равным числу полюсов магнитной системы четвертого ферромагнитного цилиндра, а внешняя его цилиндрическая поверхность соотнесена с цилиндрической поверхностью торцевой части магнитопровода статора униполярных машин.