СПОСОБ СОЗДАНИЯ МНОГОФАЗНОГО БЕГУЩЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2000 года по МПК H02K41/25 H02K17/12 H02K17/02 

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к способам создания многофазного бегущего электромагнитного поля в электрических машинах переменного тока.

Известен способ создания бегущего электромагнитного поля (вращающегося магнитного поля), представленный на с. 210 книги "Электрические машины", ч. 1. Учеб. для электротехн. спец. вузов. - 2-е изд. перераб. и доп./Д.Е. Брускин, А.Н. Зорохович, В.С. Хвостов.- М.: Высш. шк., 1987, путем смещения катушек трехфазной обмотки по статору, которые электрически соединены между собой в "звезду" или "треугольник" и подключены к сети переменного напряжения. При питании такой обмотки трехфазным напряжением в каждой из катушек возникают магнитные потоки, смещенные по отношению друг к другу на 60 электрических градусов, которые создают трехфазное бегущее электромагнитное поле.

Однако такой способ имеет следующие недостатки:
1) фазовый сдвиг между соседними магнитными потоками составляет 60 электрических градусов, что приводит к возникновению провалов в результирующей кривой бегущего электромагнитного поля;
2) коэффициент полезного действия электрической машины, реализующей данный способ, не превышает 70%,
3) коэффициент мощности электрической машины при использовании приведенного способа не превышает 0,8-0,9;
4) электрические машины, в основу которых положен этот способ, имеют низкую электрическую надежность, так как пробой хотя бы одной из катушек на корпус или возникновение короткого замыкания между фазами приводит к выходу электрической машины из строя в целом.

Наиболее близким к заявленному является способ, реализованный и представленный в описании работы устройства по патенту N 2069443 "Линейная индукционная машина", В.Н. Тимофеев, Р.М. Христинич, С.А. Бояков, А.А. Темеров, опубл. 20.11.96 г. в БИ 32, где бегущее электромагнитное поле создается двумя магнитными потоками, сдвинутыми во времени на 90 электрических градусов и смещенными в пространстве по отношению друг к другу на 0,5 активной длины катушек, которые изолированы электрически.

Данный способ имеет следующие недостатки:
1) фазовый сдвиг между соседними магнитными потоками составляет 90 электрических градусов, что образует значительные провалы в результирующей кривой бегущего электромагнитного поля;
2) коэффициент полезного действия двухфазной электрической машины, реализующей данный способ, не превышает 60-70%,
3) фиксированный фазовый сдвиг между соседними магнитными потоками не позволяет создать бегущее электромагнитное поле с различными характеристиками без изменения конструкции электрической машины, что значительно ограничивает область применения устройств, в основу которых заложен этот способ.

В основу изобретения положена задача создания электрической машины с многофазным бегущим электромагнитным полем, в которой образование магнитных потоков, получение их пространственного и временного сдвига происходит в электрически не связанных резонансных контурах.

Поставленная задача решается тем, что в способе создания многофазного бегущего электромагнитного поля посредством пространственного смещения и изменения величины и фазового сдвига магнитных потоков согласно изобретению пространственное смещение магнитных потоков осуществляют путем смещения катушек соседних контуров относительно друг друга в диапазоне ±(0,5 - 0,2) • l, где l - активная длина катушек, а фазовый сдвиг и величину магнитных потоков осуществляют путем изменения активного собственного и внесенных активного и емкостного сопротивлений в контуры при условии резонанса соседних магнитосвязанных контуров, электрически изолированных друг от друга. Фазовый сдвиг ϕ соседних магнитных потоков изменяется в пределах 0 < ϕ ≤ 360/(N • 2), N ≥ 2 - число фаз, их абсолютная величина может быть одинаковая или разная.

На чертеже представлена схема, поясняющая реализацию способа и включающая независимые электрически изолированные контуры 1 с катушками 2 и катушками 3, активным сопротивлением 4 и внесенной емкостью 5.

Способ реализуется следующим образом. При подаче переменного напряжения на первый контур по нему протекает переменный ток . Протекая через катушку 3 первого контура, ток создает магнитный поток , силовые линии которого также пронизывают катушку 2 второго контура. В катушке 2 второго контура наводится электродвижущая сила, под действием которой по втором контуре возникает ток , который, протекая по катушке 3 второго контура, создает свой магнитный поток , пронизывающий катушку 2, например i-го контура, и т.д. Величину и фазу тока в первом контуре можно определить из выражения

Тогда, величина и фаза тока будут равны

Как видно из сравнения выражений (*) и (**), если R_I = R_II = ωM_I,II, то абсолютные значения токов I_I, и I_II будут одинаковы, а по фазе ток будет опережать ток на 90 электрических градусов. В последующих контурах электрические токи и соответственно магнитные потоки также будут опережать друг друга на 90 электрических градусов, сменяя фазу против часовой стрелки. Поскольку электрические токи наводят соответствующие магнитные потоки, то абсолютные значения последних и фазовый сдвиг между ними будут пропорциональны аналогичным величинам токов. В последующих независимых контурах, как показывают расчетные и экспериментальные данные, пропорциональные соотношения между токами в этих контурах и магнитными потоками будут сохраняться, а соответственно будут сохраняться соотношения по абсолютным значениям и фазовым сдвигам между самими соседствующими магнитными потоками, создающими бегущее электромагнитное поле.

Однако абсолютная величина соседних магнитных потоков может быть различна, а их фазовый сдвиг по отношению друг к другу может отличаться от 90 градусов, для чего необходимо изменить ранее приведенные соотношения параметров M, R, а также L, C для каждого из независимых контуров. Тогда можно получить фазовый сдвиг магнитных потоков в соседних изолированных электрически друг от друга контурах в диапазоне от 0 до 360/(N • 2) электрических градусов, где N ≥ 2 - число фаз (число независимых контуров).

Пространственный сдвиг магнитных потоков одного электрически изолированного контура по отношению к другому осуществляют пространственным смещением катушек 2 и катушек 3 соседних контуров по отношению друг к другу. Приемлемый коридор пространственного смещения для катушек 2 и катушек 3 соседних контуров находится в диапазоне ±(0,5 - 0,2) • l, где l - активная длина катушек.

Проводя пространственное смещение катушек 2 и катушек 3 соседних независимых контуров и изменяя величины индуктивности, взаимоиндуктивности, емкости и активного сопротивления, например путем частичного шунтирования магнитных потоков, введением дополнительной емкости и дополнительного активного сопротивления, осуществляют регулирование фазового сдвига соседних магнитных потоков, который может принимать значения 1, 2, 3,.., 90 электрических градусов и характеризовать 180-фазное, 90-фазное, 60-фазное, ... , 2-фазное бегущее электромагнитное поле.

Реализация существующих способов создания многофазного бегущего электромагнитного поля не позволяет создать многофазное бегущее электромагнитное поле, а соответственно многофазную электрическую машину без сложных источников питания и дополнительных фазосдвигающих устройств. Этих недостатков лишена электрическая машина, реализующая предложенный способ.

Данный способ может быть широко реализован при создании электрических машин для высокоскоростного наземного транспорта, где требуется изменение параметров многофазного бегущего электромагнитного поля электрической машины в широком диапазоне. Например, при трогании с места подвижного состава лучше использовать 180-фазное бегущее электромагнитное поле; по мере разгона можно плавно переходить на 90 - 3- и 2-фазное бегущее электромагнитное поле, что может быть достигнуто путем изменения расстояния между статором электрической машины и платформой подвижного состава без дополнительных фазосдвигающих устройств.

Использование: в электрических машинах переменного тока с многофазным бегущим электромагнитным полем. Способ создания многофазного бегущего электромагнитного поля заключается в пространственном смещении и изменении величины и фазового сдвига магнитных потоков. Пространственное смещение магнитных потоков осуществляют посредством смещения катушек соседних контуров относительно друг друга в диапазоне ±(0,5-0,2) • l , где l - активная длина катушек. Фазовый сдвиг и величину магнитных потоков изменяют путем изменения активного собственного и внесенных активного и емкостного сопротивлений в контуры при условии резонанса соседних магнитосвязанных контуров, электрически изолированных друг от друга. Фазовый сдвиг ϕ соседних магнитных потоков изменяют в пределах 0 < ϕ ≤ 360/(N • 2), где N ≥ 2 - число фаз, а их величина может быть одинаковая или разная. Технический результат - возможность создания многофазной электрической машины без сложных источников питания и дополнительных фазосдвигающих устройств. 1 ил.

Способ создания многофазного бегущего электромагнитного поля посредством пространственного смещения и изменения величины и фазового сдвига магнитных потоков, отличающийся тем, что пространственное смещение магнитных потоков осуществляют путем смещения катушек соседних контуров относительно друг друга в диапазоне ± (0,5 - 0,2) • l, где l - активная длина катушек, а фазовый сдвиг и величину магнитных потоков осуществляют путем изменения активного собственного и внесенных активного и емкостного сопротивлений в контуры при условии резонанса соседних магнитосвязанных контуров, электрически изолированных друг от друга.