ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02K17/34 H02K31/04 H02K51/00 H02K19/38 

Изобретение относится к регулируемым машинам переменного тока и может быть использовано в качестве регулируемого электропривода или генераторов с неизменными выходными параметрами электроэнергии при переменной частоте вращения вала общепромышленного или специального назначения.

Известен асинхронный двигатель с регулируемой частотой вращения, содержащий тиристорный регулятор напряжения (Шубенко В. А. Браславский И.Я. "Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением". М. Энергия, 1972, с. 173 175). Недостатком таких двигателей являются большие габариты, ухудшение качества питающего напряжения (наличие высших гармоник), а следовательно, и вибраций из-за наличия тиристорных регуляторов напряжения.

Известны регулируемые асинхронные двигатели с магнитными шунтами по авт. свид. N 1001341 от 28.02.83 г. а также асинхронные двигатели с индуктором, возбуждаемым постоянным током, размещенным внутри ротора, по авт. свид. N 117444 от ноября 1951 г. кл.H 0 2 K 17/32. Недостатком таких двигателей является сравнительно узкий диапазон регулирования. Все вышеуказанные двигатели приняты за аналоги.

Техническое решение, наиболее близко соотносящееся с предлагаемым изобретением, описано в авт. свид. N 1094112 от 23.05.84 г. кл.H 0 2 K 17/32 и принято за прототип.

Асинхронный двигатель содержит статор с якорем и корпусом, ротор с основным магнитопроводом и обмоткой и с дополнительным магнитопроводом, установленным на валу рядом с основным магнитопроводом, закрепленным на валу посредством втулки с устройством его осевого перемещения вдоль вала, с подшипниковыми опорами вала.

Прототипу присущи следующие недостатки:
1. Узкий диапазон регулирования.

2. Снижение cosΦ при регулировании частоты вращения.

3. Отсутствие герметизации линии вала при работе в специальных условиях (погружение в жидкие среды, наличие взрывоопасных газов), а следовательно, снижение надежности.

Цель изобретения улучшение энергетических характеристик увеличение диапазона регулирования, повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что, в отличие от прототипа, дополнительный магнитопровод снабжен обмоткой индуктора второй машины переменного тока, замкнутой на обмотку якоря униполярного возбудителя, обмотка якоря второй машины размещена на внутренней цилиндрической поверхности дополнительного магнитопровода статора и замкнута на обмотку якоря третьей машины переменного тока, установленную на внешней цилиндрической поверхности магнитопровода, магнитопровод ротора третьей машины установлен на другом валу и снабжен другими подшипниковыми опорами, на внутренней торцовой поверхности щита со стороны дополнительного магнитопровода ротора установлен магнитопровод униполярного возбудителя с тороидальной обмоткой возбуждения, совмещенной с магнитопроводом разноименно полюсной магнитной системы с обмоткой, обмотка индуктора выполнена в виде полого цилиндра с чередующимися по окружности немагнитными электропроводящими сегментами и ферромагнитными сегментами, разделенного вдоль образующей изоляционными промежутками по оси симметрии каждого ферромагнитного сегмента, электропроводящие сегменты замкнуты с одного торца между собой, образуя одновитковые катушки, с другого торца подключены к установленным первым двум короткозамыкающим кольцам двух полярностей, обмотка якоря возбудителя выполнена в виде ферромагнитного кольца с немагнитными электропроводящими стержнями и установлена в герметичной камере, заполненной жидким металлом, образованной другим ферромагнитным кольцом с немагнитными электропроводящими стержнями с вторыми торцовыми короткозамыкающими кольцами, полым немагнитным цилиндром с третьими торцовыми электропроводящими кольцами, установленными концентрично вторым кольцам, ближайшие к индуктору два кольца второй и третьей пар разделены изоляцией, другие два кольца электрически соединены между собой, торцовые кольца первой пары электрически и механически соединены с ближайшими к ним кольцами второй и третьей пар торцовых колец, цилиндрическая поверхность полого немагнитного цилиндра соотносится с цилиндрической поверхностью разноименно полюсной магнитной системы, торцовые щиты закреплены к корпусу и к дополнительному магнитопроводу статора и снабжены герметизирующими вал крышками, кроме того, обмотка якоря второй машины выполнена с числом фаз, равным числу пазов магнитопровода.

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 машины переменного тока, на фиг. 2 сечение А-А, на фиг. 3 сечение В-В.

Электрическая машина переменного тока ( фиг. 1) включает статор с основным магнитопроводом 1 и обмоткой, корпус 2, ротор с основным магнитопроводом 3, обмоткой и валом 4 с подшипниковыми опорами, дополнительный магнитопровод 5 с обмоткой индуктора 6 второй машины переменного тока, замкнутой на обмотку якоря 7 униполярного возбудителя, обмотку якоря 8 второй машины переменного тока, дополнительный магнитопровод 9 статора, обмотку якоря 10 третьей машины переменного тока, замкнутую на обмотку якоря 8, магнитопровод 11 ротора третьей машины переменного тока, другой вал 12 с подшипниковыми опорами 13, торцовые щиты 14 и 14¹ с магнитопроводом 15 и тороидальной обмоткой возбуждения 16 униполярного возбудителя, совмещенным с магнитопроводом разноименно полюсной магнитной системы 17 с обмоткой 18.

Обмотка индуктора 6 выполнена в виде полого цилиндра с чередующимися по окружности немагнитными (медными) электропроводящими сегментами 19 (фиг. 2) и ферромагнитными сегментами 20, разделенного вдоль образующей изоляционными промежутками 21 по оси симметрии каждого ферромагнитного сегмента 20 (фиг. 2). Электропроводящие (медные) сегменты 19 замкнуты с одного торца между собой, образуя одновитковые катушки индуктора, с другого торца подключены (параллельно или последовательно) к установленным двум первым короткозамыкающим кольцам 22 и 23 двух полярностей ("+", "-") (фиг. 1).

Обмотка якоря 7 униполярного возбудителя (фиг. 1) выполнена в виде ферромагнитного кольца с немагнитными (медными) электропроводящими стержнями 24 (фиг. 3) и установлена в герметичной камере 25, заполненной жидким металлом (фиг.1, фиг. 3).

Герметичная камера 25 (фиг. 1) образована другим ферромагнитным кольцом 26 с немагнитными (медными) электропроводящими стержнями 27 (фиг. 3) с вторыми торцовыми короткозамыкающими кольцами 28, 28¹ (фиг. 1), полым немагнитным цилиндром 29 с третьими торцовыми электропроводящими кольцами 30, 30¹ (фиг. 1, фиг. 3). Третьи кольца 30, 30¹ установлены концентрично вторым кольцам 28, 28¹, при этом ближайшая (28¹, 30¹) к индуктору 6 пара второго и третьего колец разделена изоляцией, другая пара колец (28, 30) электрически и механически соединена между собой. Кольцо 22 первой пары электрически и механически соединено с кольцом 28¹ второй пары, а кольцо 23 первой пары электрически и механически соединено с ближайшим кольцом 30¹ третьей пары (фиг. 1). Торцовые щиты 14 и 14¹ закреплены к корпусу 2 и к дополнительному магнитопроводу 9 статора и снабжены герметизирующими вал 4 крышками 31 и 31¹.

Магнитопровод ротора 11 (фиг. 1 и фиг. 2) третьей машины переменного тока выполняется из массивной стали с пазами 32 (фиг. 2), заполненными медными стержнями, числом равным числу полюсов обмотки якоря 10, для варианта с реактивной синхронной машиной (третьей машиной). В случае варианта с асинхронным ротором магнитопровод 11 выполняется из шихтованной стали с медной короткозамкнутой клеткой.

Поскольку обмотки якорей второй 8 и третьей 10 машин замкнуты друг на друга, то число фаз в этих машинах выбирается равным числу пазов для якоря минимального диаметра (внутреннего) магнитопровода второй машины. В этом случае обмотка второй машины 8 выполняется по типу короткозамкнутой (с одной стороны) обмотки ротора и не требуется изоляция для ее стержней.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения в обмотку статора с основным магнитопроводом 1 происходит асинхронный пуск ротора 3 и дополнительного магнитопровода 5 с обмоткой индуктора 6 второй машины переменного тока. Поскольку вал 4 не имеет механической связи с валом 12 приводного механизма, то момент сопротивления вала близок к нулю. Пуск основной (первой) машины переменного тока происходит на холостом ходу и не требует сколь-нибудь значительной кратности пускового момента а следовательно, и кратность пускового тока может составлять минимальное значение, близкое к кратности максимального момента то есть . Вал 4 с ротором 3 придет во вращение с частотой, близкой к синхронной частоте вращения электромагнитного поля обмотки статора 1 первой машины, при этом величина тока статора равна току холостого хода.

Обмотку 18 (фиг. 1) разноименно полюсной магнитной системы 17 униполярного возбудителя целесообразно выполнять трехфазной и питать переменным или постоянным током. В варианте питания переменным током при подаче трехфазного напряжения в обмотку 18 в расточке магнитопровода 17 создается вращающееся электромагнитное поле, которое приведет во вращение ферромагнитное кольцо 7, выполняющее функцию якоря униполярного возбудителя, с частотой, близкой частоте вращения электромагнитного поля обмотки 18. Направление вращения кольца 7 может быть согласованным или встречным по отношению к вращению ротора 3 (индуктора 6) и выбирается из условия минимальных размеров возбудителя и потерь трения кольца 7 о жидкий металл в камере 25. В варианте с согласным вращением числа пар полюсов обмотки 18 и обмотки первой машины 1 должны иметь различные значения.

При подаче возбуждения (постоянный ток) в тороидальную обмотку 16 возбудителя в магнитопроводе 15 (фиг. 1) возбудится униполярный магнитный поток, который будет пересекать ферромагнитное кольцо со стержнями 24 и ферромагнитное кольцо 26 со стержнями 27. На концах этих стержней, а следовательно, и на торцовых кольцах 30, 30¹ и 28, 28¹ наведется униполярная ЭДС. Ферромагнитные кольца 7 и 26 со стержнями соединены в одну последовательную замкнутую цепь с одновитковыми катушками индуктора 6.

Под действием результирующего значения униполярной ЭДС по вышеназванной замкнутой цепи потечет постоянный ток, который создаст магнитное поле в индукторе 6 с числом пар полюсов, равным половинному значению числа одновитковых катушек. Величина тока в обмотке индуктора 6 регулируется током возбуждения тороидальной катушки 16. Магнитное поле индуктора 6 наведет переменную ЭДС в обмотке якоря 8 второй машины переменного тока. Под действием этой ЭДС по замкнутой цепи, образованной обмоткой якоря 8 второй машины и обмоткой якоря 10 третьей машины, потечет переменный ток с частотой, определяемой частотой вращения ротора 3 и числом полюсов индуктора 6. Обмотка якоря 10 третьей машины создает вращающееся электромагнитное поле с частотой, определяемой числом пар полюсов третьей машины, которое приведет во вращение ротор 11 привода механизма. Величина вращающего момента в период разгона ротора 11 регулируется величиной ЭДС в обмотке 8 якоря второй машины, заданное значение которой достигается регулированием тока возбуждения в тороидальной обмотке 16 униполярного возбудителя. При этом в период пуска и разгона приводного механизма первая машина работает практически при постоянной частоте вращения со скольжением, близким к номинальному, с высоким значением cosΦ_n ≈ cosΦ_н, поскольку из сети переменного тока потребляется реактивная мощность, необходимая лишь для реализации практически установившегося режима нагрузки. Необходимая реактивная мощность при пуске и разгоне приводного механизма генерируется индуктором 6 второй машины переменного тока. Для создания кратности пускового момента (в предлагаемой машине), равного пусковому моменту в одиночной асинхронной машине (прототипе), отношение значений пусковой мощности, потребляемой из сети, составит примерно 1 3.

При работе машины в установившихся режимах моментная характеристика третьей машины может плавно регулироваться током возбуждения в тороидальной обмотке 16, что позволяет плавно регулировать частоту вращения ротора 11 (фиг. 1) при неизменной частоте вращения ротора 3, а следовательно, обуславливает и сравнительно высокое значение cosΦ первой машины переменного тока при регулировании частоты вращения привода.

Поскольку при регулировании частоты вращения приводного механизма частота вращения первой машины практически неизменна, то она может быть выполнена синхронной (при использовании в качестве генератора).

У предлагаемой машины переменного тока внутренний вал 4 может быть закрыт герметичными крышками 31 и 31¹, что делает возможным установку машин в жидких или взрывоопасных средах при обеспечении высокой надежности.

При питании обмотки 18 разноименно полюсной магнитной системы постоянным током частота вращения ферромагнитного кольца будет равна частоте скольжения и составит 1 3% номинальной частоты вращения ротора 3, то есть близка к нулевому значению. В этом случае величина униполярной ЭДС возбудителя будет практически определяться частотой вращения ферромагнитного кольца 26 (ротора 3). При встречном вращении результирующие значения ЭДС колец 26 и 7 складываются, а при согласном вращении вычитаются.

Преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются в улучшении энергетических характеристик увеличении диапазона регулирования частоты вращения, повышении надежности, так как частота вращения первой машины переменного тока не изменяется при регулировании частоты вращения приводного вала, напряжение третьей машины переменного тока (выходной) плавно регулируется от нуля до максимального значения, вал внутреннего ротора закрыт герметизирующими крышками.

Использование: в качестве регулируемого электропривода или генераторов с неизменными выходными параметрами электроэнергии при переменной частоте вращения вала общепромышленного или специального назначения. Сущность изобретения: электрическая машина конструктивно состоит из трех функционально связанных машин переменного тока. Входная /первая/ машина переменного тока имеет на роторе дополнительный магнитопровод 5 с обмоткой 6 индуктора второй машины переменного тока, выполненной в виде полого цилиндра с чередующимися по окружности медными и ферромагнитными сегментами. Медные сегменты замкнуты с одного торца между собой, образуя одновитковые катушки, а с другого торца подключаются к двум короткозамыкающим кольцам 22 и 23 двух полярностей. Обмотка 6 индуктора второй машины замкнута на обмотку якоря 7 униполярного возбудителя с тороидальной обмоткой возбуждения 16, совмещенной с магнитопроводом разноименно полюсной магнитной системы 17 с обмоткой 18. Обмотка 8 якоря второй машины размещается на внутренней цилиндрической поверхности дополнительного магнитопровода 5 статора, обмотка 10 якоря третьей машины - на его внешней поверхности. Обе обмотки 8 и 10 замкнуты друг на друга. Магнитопровод 11 ротора третьей машины выполнен на отдельном валу 12, имеет свои подшипниковые опоры 13 и представляет собой полый цилиндр, конструктивно охватывающий с торца корпус 2 совмещенных первых двух машин переменного тока. Плавное регулирование частоты вращения выходного вала 12 третьей машины осуществляется обмоткой 16 возбуждения униполярного возбудителя при неизменной частоте вращения первой входной машины, что обеспечивает относительно высокий коэффициент мощности входной цепи. Пуск основной /первой/ машины переменного тока происходит на холостом ходу и не требует сколь-нибудь значительной кратности ускокового момента, что позволяет обеспечить кратность пускового тока на уровне кратности пускового момента в его максимальном значении. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрическая машина переменного тока, содержащая статор с основным магнитопроводом и обмоткой, корпусом и торцевыми щитами, ротор с основным магнитопроводом и обмоткой, дополнительным магнитопроводом, валом с подшипниковыми опорами, отличающаяся тем, что дополнительный магнитопровод снабжен обмоткой индуктора второй машины переменного тока, замкнутой на обмотку якоря униполярного возбудителя, обмотка якоря второй машины размещена на внутренней цилиндрической поверхности дополнительного магнитопровода статора и замкнута на обмотку якоря третьей машины переменного тока, установленную на внешней цилиндрической поверхности магнитопровода, магнитопровод ротора третьей машины установлен на другом валу и снабжен другими подшипниковыми опорами, на внутренней торцевой поверхности щита со стороны дополнительного магнитопровода ротора установлен магнитопровод униполярного возбудителя с тороидальной обмоткой возбуждения, совмещенный с магнитопроводом разноименно полюсной магнитной системы с обмоткой, обмотка индуктора выполнена в виде полого цилиндра с чередующимися по окружности немагнитными электропроводящими сегментами и ферромагнитными сегментами, разделенного вдоль образующей изолированными промежутками по оси симметрии каждого ферромагнитного сегмента, электропроводящие сегменты замкнуты с одного торца между собой, образуя одновитковые катушки, с другого торца подключены к установленным первым двум короткозамыкающим кольцам двух полярностей, обмотка якоря возбудителя выполнена в виде ферромагнитного кольца с немагнитными электропроводящими стержнями и установлена в герметичной камере, заполненной жидким металлом, образованной другим ферромагнитным кольцом с немагнитными электропроводящими стержнями со вторыми торцевыми короткозамыкающими кольцами, полым немагнитным цилиндром с третьими торцевыми электропроводящими кольцами, установленными концентрично вторым кольцам, ближайшие к индуктору два кольца второй и третьей пары разделены изоляцией, другие два кольца электрически соединены между собой, торцевые кольца первой пары электрически и механически соединены с ближайшими к ним кольцами второй и третьей пар торцевых колец, цилиндрическая поверхность полого немагнитного цилиндра соотносится с цилиндрической поверхностью разноименно полюсной магнитной системы, торцевые щиты закреплены к корпусу и к дополнительному магнитопроводу статора и снабжены герметизирующими вал крышками. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка якоря второй машины выполнена с числом фаз, равным числу пазов магнитопровода.