ЛИНЕЙНАЯ ИНДУКЦИОННАЯ МАШИНА Российский патент 2000 года по МПК H02K41/25 

Изобретение относится к линейным индукционным машинам с разомкнутым магнитопроводом, в частности к линейным индукционным насосам и линейным тяговым асинхронным машинам.

Известна линейная индукционная машина, содержащая индуктор с двухфазной обмоткой и электропроводное рабочее тело, представленная на стр. 150, рис. 5-38 в книге "Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом"/А.И.Вольдек. Л.: Энергия, 1970.

Такая линейная индукционная машина обладает низкой надежностью из-за питания катушек обмотки двухфазным напряжением, так как при нарушении изоляции, хотя бы одной из фаз, возникает режим короткого замыкания на землю. Она также имеет невысокий коэффициент мощности и заниженный коэффициент полезного действия, что обусловлено значительными магнитными потоками рассеяния и высоким реактивным сопротивлением. Кроме того, при управлении режимами работы линейной индукционной машины и регулировании величины питающего напряжения необходимо использовать регулятор напряжения, что усложняет систему в целом и снижает надежность в работе.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является линейная индукционная машина, содержащая электропроводное рабочее тело и индуктор с двухфазной обмоткой, выполненной с взаимоиндуктивностью между фазами, представленная в патенте РФ 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.

Данное устройство имеет более низкий коэффициент полезного действия и меньшее тяговое усилие по сравнению с многофазными машинами, при одинаковом потреблении энергии из сети, из-за более значительных провалов огибающей магнитного поля вдоль индуктора. Кроме этого, из-за сильного проявления электромагнитных полей продольных краевых эффектов, на входе и выходе линейной индукционной машины создается значительное сопротивление рабочему телу, что снижает полезное тяговое усилие, а в некоторых случаях - изменяет траекторию движения рабочего тела на 90^o.

В основу изобретения положена задача создания линейной индукционной машины, в которой многофазная обмотка питается однофазным напряжением, а бегущее электромагнитное поле создается при наличии только электромагнитной связи между фазными катушками.

Поставленная задача решается тем, что в линейной индукционной машине, содержащей электропроводное рабочее тело и индуктор с обмоткой, выполненной с взаимоиндуктивностью между фазами, обмотка является многофазной и состоит из электрически нейтральных и пространственно сдвинутых фазных катушек нижнего и верхнего ряда, которые в одной из фаз включены с конденсаторами в режим резонанса напряжения и подсоединены к однофазному напряжению, а в остальных фазах замкнуты последовательно через конденсаторы на себя и образуют с ними резонансные контуры, электрически изолированные друг от друга.

На фиг. 1 изображена линейная индукционная машина с электрической схемой включения фазных катушек; на фиг. 2 - линейная индукционная машина в изометрии; на фиг. 3 представлена таблица, демонстрирующая фазовый сдвиг электрических токов в катушках обмотки 10-фазной линейной электрической машины.

Линейная индукционная машина содержит магнитопровод 1 с пространственно сдвинутыми фазными катушками 2 нижнего ряда и катушками 3 верхнего ряда, образующими обмотку 4. К катушкам 2 и катушкам 3 последовательно подсоединены конденсаторы 5. Одна из катушек 2 или 3 подключена к источнику однофазного напряжения. С активной стороны магнитопровода 1 расположено электропроводное рабочее тело 6.

Настраивая каждый из изолированных резонансных контуров так, что их индуктивные Х_L и емкостные Х_C сопротивления равны между собой, а результирующее реактивное сопротивление контуров X=X_L-X_C равно нулю, получим в электрически нейтральных друг от друга контурах резонансные режимы. В целом, вся электрическая цепь обмотки индуктора, состоящая из N-го количества таких контуров, будет находиться в состоянии полного резонанса. Величина взаимоиндуктивности между катушками контуров, в этом случае, равна
M = R/ω,
где R= R₁= R₂=...=R_N - активные сопротивления резонансных контуров, ω - циклическая частота питающего напряжения.

Величины индуктивных сопротивлений X_L = ωL катушек 2 и 3, где L - собственная индуктивность катушек, и сопротивления взаимоиндуктивности X_m = ωM, где М - взаимная индуктивность между катушками, зависят от физических свойств индуктора и электропроводного рабочего тела. При коэффициенте магнитной связи между катушками, равном электрические токи в соседних контурах будут сдвинуты во времени на 90 электрических градусов.

Устройство работает следующим образом. При подаче переменного однофазного напряжения на один из электрически изолированных резонансных контуров, например i-й, в нем появляется ток который будет совпадать по фазе с напряжением питания так как В соседних с i-м резонансным контуром, например в i+l-м и i-l-м, за счет индуктивной связи, в катушках наводятся ЭДС и в контурах будут протекать электрические токи , которые определяются Как видно из последнего выражения, токи в i+1-м и i-1-м контурах опережают ток в i-м контуре по фазе на 90 электрических градусов.

Токи в последующих контурах справа: и в контурах слева: будут опережать друг друга по фазе также на 90 градусов, что при наличии пространственного сдвига катушек 2 и катушек 3 приведет к созданию бегущего электромагнитного поля в индукторе, под действием которого электропроводное рабочее тело начнет двигаться по направлению бегущего поля.

Работоспособность и эффективность предложенного устройства проверялась на 10-фазной линейной электрической машине. Схема распределения фазового сдвига токов по фазным катушкам приведена в таблице на фиг. 3, из которой следует, что фазовый сдвиг между токами в соседних катушках составляет j90^o электрических градусов, что создает бегущее электромагнитное поле по всей длине электрической машины.

При настройке электрической цепи обмотки индуктора в режим сложного резонанса, для которого в каждом из контуров справедливым является условие X = X_L-X_C ≠ 0, в соседних контурах можно получить токи, отличные друг от друга по величине и по фазе. Это позволяет линейной индукционной машине работать в режиме N - фазной, где число фаз определяется числом независимых, изолированных друг от друга контуров.

Использование в обмотке заявленной линейной индукционной машины изолированных электрически катушек позволяет обеспечить абсолютную надежность машины по сравнению с машинами с классическими обмотками и питанием, так как пробой в одной или нескольких катушках (даже во всех) на корпус или между собой не приводит к короткому замыканию, а также исключает попадание обслуживающего персонала под напряжение. Этот фактор имеет особое значение при использовании заявленного устройства в металлургическом производстве, где высокая влажность и агрессивная среда.

Поскольку вся цепь обмотки электрической машины находится в состоянии резонанса, при котором реактивное сопротивление равно нулю, то коэффициент мощности такого устройства равен cos ϕ = 1, а полная мощность, потребляемая из сети, равна активной мощности.

Использование: в линейных индукционных насосах и линейных тяговых асинхронных машинах. Устройство состоит из плоского магнитопровода и катушек, смещенных по отношению друг к другу в активной плоскости и образующих обмотку. Катушки являются электрически нейтральными между собой и связаны только посредством индуктивной связи. К катушкам подсоединены конденсаторы, создающие резонансные контуры. Один из резонансных контуров подключен к источнику однофазного напряжения, и возникающий в контуре ток создает магнитный поток, наводящий электрические токи в соседних контурах. Образующиеся таким образом в электрически нейтральных резонансных контурах токи создают магнитные потоки, сдвинутые по времени и в пространстве и генерирующие бегущее электромагнитное поле, приводящее электропроводное рабочее тело в движение. Технический результат заключается в создании бегущего магнитного поля только при наличии электромагнитной связи между фазными катушками. 3 ил.

Линейная индукционная машина, содержащая электропроводное рабочее тело и индуктор с обмоткой, выполненной с взаимоиндуктивностью между фазами, отличающаяся тем, что обмотка является многофазной и состоит из электрически нейтральных и пространственно сдвинутых фазных катушек нижнего и верхнего ряда, которые в одной из фаз включены с конденсаторами в режим резонанса напряжения и подсоединены к однофазному напряжению, а в остальных фазах замкнуты последовательно через конденсаторы на себя и образуют с ними резонансные контуры, электрически изолированные друг от друга.