ИНДУКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК H02K19/06 H02K19/24 

Настоящее предложение относится к области конструкций электрических машин переменного тока с разделенными магнитопроводами.

Известно устройство электрической машины с разделенными фазами, состоящей из статорных дуговых магнитопроводов с зубцами в цилиндрическом зазоре, ротора в виде двух симметрично расположенных полых стаканов, входящих цилиндрическими сторонами в зазор статорных магнитопроводов и имеющих зубцы, якорных обмоток, охватывающих каждый статорный магнитопровод и единой кольцевой обмотки возбуждения, размещенной между внешними и внутренними статорными пакетами каждого магнитопровода (а. с. N 1814159 A1, М. кл. H 02 K 19/06, 1993).

Наиболее близким аналогом заявленному устройству является индукторная электрическая машина, содержащая статор, состоящий из магнитопровода, выполненного в виде шихтованного зубчатого пакета, и по меньшей мере одной обмотки, и ротор, содержащий магнитопроводы. (RU, патент 2027285 C1, кл. H 02 K 19/06, 1995).

Недостатком известных машин является низкое использование железа статорных и роторных пакетов.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является исключение зон с нулевой индукцией на наружной поверхности пакетов статора и внутренней ротора и повышение эффективности использования обмоток, за счет чего повышаются удельные энергетические и массогабаритные показатели электрической машины.

Технический результат достигается за счет двух вариантов выполнения индукторной электрической машины. Первый вариант - индукторная электрическая машина, содержащая статор, состоящий из магнитопровода, выполненного в виде нескольких шихтованных зубчатых пакетов, и по меньшей мере одной обмотки, и ротор, содержащий магнитопроводы, шихтованные зубчатые пакеты выполнены П-образными, равномерно расположены по окружности с образованием зубцов в воздушном зазоре машины, а обмотка выполнена кольцевой в виде рядовой намотки. Обмотка расположена в полостях П-образных шихтованных пакетов.

Магнитопроводы ротора выполнены зубчатыми.

Величина воздушного зазора составляет
δ = (1/15÷1/22)τ,
где τ зубцовое деление.

Величина воздушного зазора выполнена обеспечивающей следующее соотношение:
σ_δ≥ δнас.стали

;
σ_сталь≤ σнас.стали,
где σ_δ - величина индукции воздушного зазора,
σнас.стали - величина индукции насыщения стали,
σ_сталь - величина индукции стальных зубцов ротора и статора.

Машина снабжена обмоткой возбуждения, расположенной по общей шпуле с указанной обмоткой.

Обмотки выполнены из алюминия.

Магнитопровод может быть выполнен однофазным или m-фазным, причем П-образные пакеты соседних фаз установлены со сдвигом относительно друг друга, а обмотки возбуждения всех фаз соединены последовательно.

Ротор содержит короткозамкнутую обмотку тика "беличья клетка" с прямыми стержнями.

Ротор содержит короткозамкнутую обмотку тика "беличья клетка", стержни которой транспортированы по длине на четыре участка, причем пара внутренних витков охватывает пару соседних зубцов рядом расположенных магнитопроводов ротора.

Вторым вариантом является индукторная электрическая машина, содержащая статор, состоящий из магнитопровода, выполненного в виде шихтованного зубчатого пакета, и по меньшей мере одной обмотки, и ротор, содержащий магнитопроводы, в которой магнитопровод выполнен из электротехнической стали в виде многовиткового соленоида, наружная поверхность витков которого изолирована, каждый виток содержит на внутренней стороне зубцы, на наружной - ярмо, шихтованные в продольной плоскости, при этом магнитопровод одновременно служит обмоткой.

Магнитопроводы ротора выполнены зубчатыми. Величина воздушного зазора составляет
δ = (1/15÷1/22)τ,
где τ - зубцовое деление.

Величина воздушного зазора выполнена обеспечивающей следующее соотношение:
σ_δ≥ σнас.стали

;
σ_сталь≤ σнасстали.
Ротор содержит короткозамкнутую обмотку "беличья клетка" с прямыми стержнями.

Ротор содержит короткозамкнутую обмотку типа "беличья клетка", стержни которой транспортированы по длине на четыре участка, причем пара внутренних витков охватывает пару соседних зубцов рядом расположенных магнитопроводов ротора.

Проведенный анализ не выявил источников, порочащих новизну изобретения.

При установлении соответствия предложения условию "изобретательский уровень" была выявлена индукторная электрическая машина (SU, а.с. 1815570 A1, кл. H 02 K 19/06, 1993), в которой шихтованные пакеты статора выполнены П-образными. Однако за счет того, что в предлагаемой машине П-образные пакеты установлены в другой плоскости и в совокупности с кольцевой обмоткой исключаются зоны нулевой индукции на наружной поверхности пакетов статора и внутренней ротора. Таким образом, предложение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен первый вариант машины с трехфазным статором (продольный разрез), на фиг. 2 - поперечный разрез A-A, на фиг. 3 - общий вид ротора с двумя транспортированными стержнями, на фиг. 4 - общий вид шихтованного пакета статора, на фиг. 5 - схема соединения обмоток, на фиг. 6 - второй вариант статора индукторной машины, на фиг. 7 - зубцы статора и ротора, на фиг. 8 - зависимость предельной намагничивающей силы F от угла поворота ротора α , на фиг. 9 - кривая насыщения для стали.

Как следует из фиг. 1 двигатель содержит корпус 1 со статорными магнитопроводами 2 и ротор 3.

Статор двигателя 2 включает в себя магнитопровод из комплектов зубчатых пакетов 4-6. Каждый комплект статора состоит из нескольких П-образных аксиально расположенных пакетов (фиг. 4), образующих зубцы в зазоре. Оси зубцов каждого статорного магнитопровода расположены аксиально, оси зубцов фазных пакетов смещены друг относительно друга на 1/3 зубцового деления.

Каждый статорный пакет магнитопровода содержит якорную обмотку 10-12, питаемую от сети переменного тока или преобразователя, и установленную концентрически с ним обмотку возбуждения 16-18, все обмотки возбуждения статора соединены последовательно и питаются постоянным током. Наличие этих обмоток позволяет машине работать в генераторном режиме.

Обмотки могут быть выполнены из алюминия для снижения массы и стоимости двигателя.

Ротор 3 состоит из трех комплектов магнитопроводов 7-9, шихтованных в радиальных плоскостях, насаженных на втулку 19 на валу ротора 20. На роторе уложена короткозамкнутая обмотка типа "беличья клетка", стержни 13 которой соединены накоротко кольцами 14 и 15 на торцах ротора 3.

Ротор выполнен шихтованным, круглым, и имеет короткозамкнутую обмотку типа "беличья клетка" с прямыми аксиальными стержнями, причем зубцы соседних пакетов каждого магнитопровода смещены на половину зубцового деления.

Стержни обмотки ротора (каждая соседняя пара стержней) могут быть транспортированы по длине на 4 участка (частичных витка) так, что пара внутренних витков охватывает пару соседних зубцов рядом расположенных фазных магнитопроводов ротора, при этом полярность подключения средней статорной обмотки обратна по сравнению с крайними.

Машина может работать в двигательном и генераторном режиме. Пуск и работа машины в асинхронном режиме осуществляется подключением обмоток к сети через замкнутые контакты К1-К3 (фиг. 5а). Для перевода машины в синхронный режим контакты размыкаются, и она работает с синхронной скоростью, как индукторная синхронная без возбуждения.

Для регулирования скорости машины контакты К1-К3 могут быть заменены управляемыми полупроводниковыми приборами, например тиристорами Т1-Т3 (фиг. 5б), управляемыми от блока системы управления - СУ.

В режиме синхронного двигателя в каждом из фазных магнитопроводов индуцируются переменные магнитные потоки, сдвинутые на 120 град. эл. Переменные магнитные потоки в каждом фазном магнитопроводе индуцируют в своей паре транспортируемых витков переменную ЭДС с частотой сети и амплитудой, переменной углу поворота, по закону



Сумма этих ЭДС в трех парах транспонированных витков представляет собой однофазную переменную ЭДС и ток. Взаимодействие этого тока с магнитными полями фазных магнитопроводов образует вращающий момент.

Транспортирование стержней 13 на длине среднего фазного магнитопровода требует изменения фазировки подключения обмотки средней фазы 11 к сети.

Для работы машины в генераторном режиме она приводится во вращение от стороннего двигателя, обмотки возбуждения питаются постоянным током.

При вращении ротора магнитные потоки в каждом фазном магнитопроводе пульсируют из-за различного магнитного сопротивления. Переменные составляющие магнитных потоков индуцируют в якорных обмотках переменные синусоидальные ЭДС, сдвинутые на 120 эл. град. в обмотках фазных магнитопроводов при высоких показателях качества электроэнергии практически без искажений гармонической формы напряжения.

Для улучшения массогабаритных показателей, как показывает теоретический анализ, величина воздушного зазора δ выбирается из условия

где τ - зубцовое деление.

Второй вариант индукторной машины представлен на фиг. 6. Магнитопровод статора в этом варианте одновременно выполняет функцию обмотки.

Магнитопровод выполнен из штампованных пластин электротехнической стали в виде многовиткового цилиндрического соленоида, каждый виток которого изолирован друг то друга, на внутренней стороне имеются зубцы, на наружной - спинке - ярма 21, шихтованные в продольной плоскости конечные витки магнитопровода, подключенные к сети или преобразователю.

Совмещение в одном устройстве функции магнитопровода и обмотки позволяет уменьшить секции на 30-32%. Штампованные пластины магнитопровода свариваются встык для образования катушки.

Для улучшения вращающего момента, как показывает теоретический анализ, целесообразно в машине в течение всей фазы двигательного режима иметь максимально возможный магнитный поток Ф = Ф_max или, что точнее, самое максимально возможную индукцию в стали на уровне колена кривой насыщения. Для выполнения этих требований необходимо и достаточно выполнение условия

Решение этого уравнения относительно F(α) дает кривую зависимости предельной намагничивающей силы F от угла поворота α ротора (далее ограничительной кривой). Для примера на фиг. 7 дана ограничительная кривая 1 для случая прямых зубцов машины в зазоре и индукций в стали B_ст = 1,7 Тл. График показывает, что использование этой кривой дает возможность увеличить ток двигателя и величину индукции в зазоре в 2,2 раза на участке 0^o - 30^o (зона B) (т. е. до 3,74 Тл).

Применение фасок A на зубцах с размером катета, равном ≈ 0,1 τ , позволяет существенно расширить зону форсированного тока (намагничивающей силы F) до 90^o и амплитуду тока и индукции в зазоре до 8,6-кратной (зона C) (т.е. до 14,62 Тл).

Использование слоя сверхпроводника 1-го рода на боковых сторонах зубцов ротора и статора увеличивает амплитуду тока 1 (или F) до ≈15-17-кратной величины тока или индукции в зазоре.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам переменного тока и касается особенностей их конструктивного выполнения. Сущность изобретения состоит в том, что индукторная электрическая машина по первому варианту содержит ротор и статор из магнитопровода в виде зубчатых П-образных пакетов, равномерно расположенных по окружности и образующих зубцы в воздушном зазоре. Обмотка статора при этом выполнена кольцевой, а величина воздушного зазора выполнена обеспечивающей следующее соотношение: σ_δ≥ σнасстали

, σ_сталь≤ σнасстали, где σ_δ - величина индукции воздушного зазора, σ_сталь - величина индукции стальных зубцов ротора и статора, σнасстали - величина индукции насыщения стали. По второму варианту выполнения в индукторной электрической машине магнитопровод статора выполнен в виде многовиткового соленоида, наружная поверхность витков которого изолирована, каждый виток содержит на внутренней стороне зубцы, а на наружной - ярма, при этом магнитопровод статора одновременно служит обмоткой. Технический результат от использования данного изобретения состоит в исключении зон с нулевой индукцией на наружной поверхности пакетов магнитопровода статора, повышении эффективности использования обмоток и удельных энергетических и массогабаритных показателей электрической машины. 2 с. и 16 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Индукторная электрическая машина, содержащая статор, состоящий из магнитопровода, выполненного в виде нескольких зубчатых пакетов, и по меньшей мере одной обмотки, и ротор, содержащий магнитопроводы, зубчатые пакеты выполнены П-образными и равномерно расположены по окружности с образованием зубцов в воздушном зазоре машины, а обмотка выполнена кольцевой, отличающаяся тем, что величина воздушного зазора выполнена обеспечивающей следующее соотношение:
σ_δ≥ σнас.стали

,
σ_сталь≤ σнас.стали,
где σ_δ - величина индукции воздушного зазора;
σнас.стали - величина индукции насыщения стали;
σ_сталь - величина индукции стальных зубцов ротора и статора. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка расположена в полостях П-образных шихтованных пакетов. 3. Машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что магнитопроводы ротора выполнены зубчатыми. 4. Машина по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что величина воздушного зазора составляет
δ ≅ (1/15÷1/22)τ,
где τ - зубцовое деление. 5. Машина по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что она снабжена обмоткой возбуждения, расположенной по общей шпуле с указанной обмоткой. 6. Машина по п.1 или 5, отличающаяся тем, что обмотки выполнены из алюминия. 7. Машина по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что магнитопровод выполнен однофазным. 8. Машина по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что магнитопровод выполнен m-фазным, причем П-образные пакеты соседних фаз установлены со сдвигом относительно друг друга на τ/m, а обмотки возбуждения всех фаз соединены последовательно. 9. Машина по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что ротор содержит короткозамкнутую обмотку типа "беличья клетка" с прямыми стержнями. 10. Машина по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что ротор содержит короткозамкнутую обмотку типа "беличья клетка", стержни которой транспортированы по длине на четыре участка, причем пара внутренних витков охватывает пару соседних зубцов рядом расположенных магнитопроводов ротора. 11. Индукторная электрическая машина, содержащая статор, состоящий из магнитопровода, выполненного в виде зубчатого пакета и по меньшей мере одной обмотки, и ротор, содержащий магнитопроводы, отличающаяся тем, что магнитопровод выполнен из электротехнической стали в виде многовиткового соленоида, наружная поверхность витков которого изолирована, каждый виток содержит на внутренней стороне зубцы, на наружной - ярма, при этом магнитопровод одновременно служит обмоткой. 12. Машина по п.11, отличающаяся тем, что магнитопроводы ротора выполнены зубчатыми. 13. Машина по п.11 или 12, отличающаяся тем, что величина воздушного зазора составляет
δ = (1/15÷1/22)τ,
где τ - зубцовое деление. 14. Машина по п.11 или 12, отличающаяся тем, что величина воздушного зазаора выполнена обеспечивающей следующее соотношение:
σ_δ≥ δнас.стали,
σ_сталь≤ σнас.стали.
15. Машина по любому из пп.11 - 13, отличающаяся тем, что ротор содержит короткозамкнутую обмотку "беличья клетка" с прямыми стержнями. 16. Машина по любому из пп.11 - 13, отличающаяся тем, что ротор содержит короткозамкнутую обмотку типа "беличья клетка", стержни которой транспортированы по длине на четыре участка. 17. Машина по любому из пп.11 - 16, отличающаяся тем, что ротор содержит короткозамкнутую обмотку типа "беличья клетка", стержни которой транспортированы по длине на четыре участка, причем пара внутренних витков охватывает пару соседних рядом расположенных магнитопроводов ротора. 18. Машина по любому из пп.11 - 17, отличающаяся тем, что ярма выполнены шихтованными в продольной плоскости.