СИНХРОННАЯ МАШИНА С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2001 года по МПК H02K19/12 

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к синхронным машинам.

Известны синхронные машины с самовозбуждением, по назначению близкие и по конструкции сходные с заявляемой (см., например, книгу "Электрические машины", Л. М. Пиотровский - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960, С.497-498, рис. 40-16 и рис.40-18). Данная машина содержит ферромагнитный ротор с обмоткой возбуждения, закрепленный на валу, токосъемные кольца, неподвижные щетки и статор с трехфазной обмоткой. Недостатком такой машины является сложная электрическая схема управления процессом самовозбуждения, требующая применения выпрямителей, стабилизирующих трансформаторов и других элементов, что снижает надежность машины.

Известна электрическая машина (см. патент РФ на изобретение N 2144254, кл. H 02 К 31/02, Бюллетень изобретений N 1, 2000), в которой с целью получения постоянной составляющей ЭДС в обмотке ротора частота вращения синхронизирована с частотой сети переменного тока. Данная электрическая машина содержит магнитную систему, состоящую из ферромагнитного ротора, вала и полюсов, закрепленных на статоре, с обмоткой возбуждения, питающейся от источника переменного напряжения, обмотку ротора, уложенную в диаметрально противоположных пазах, два токосъемных кольца, соединенных с концами обмотки ротора, и неподвижные щетки. Недостатком упомянутой электрической машины являются большой диаметральный габарит при незначительной постоянной составляющей ЭДС в цепи обмотки ротора. При этом существует быстро сходящийся предел, который ограничивает увеличение постоянной составляющей ЭДС за счет увеличения диаметрального размера машины.

Наиболее близким аналогом предлагаемой машины по совокупности существенных признаков является синхронная машина, содержащая статор с трехфазной обмоткой, ротор с обмоткой возбуждения, концы которой соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу и обеспечивающими через неподвижные щетки соединения обмотки возбуждения с цепью постоянного тока (см., например, книгу "Электрические машины и микромашины". Д.Э.Брускин, А Е.Зорохович, B. C. Хвостов. - М.: Высшая школа. 1990, с. 310, рис.8.1). Недостатком этой синхронной машины является сложная схема постоянного тока в цепи обмотки возбуждения: необходим или регулируемый источник постоянного тока (возбудитель), или управляемый выпрямитель, питающийся от трехфазной обмотки статора (см., например, в той же книге с. 315, рис.8.6 а) и б)).

Задачей заявленного изобретения является создание новой синхронной машины с упрощенной цепью возбуждения и обеспечение процесса самовозбуждения постоянным током, образованным за счет трансформаторной ЭДС, наводимой в обмотке возбуждения фазными токами статора, что в конечном итоге повышает надежность машины.

Техническим результатом изобретения является получение постоянной составляющей ЭДС в обмотке ротора путем электромагнитных преобразований, но без применения коллектора, других коммутаторов, или выпрямительных устройств.

Технический результат достигается тем, что в синхронной электрической машине с самовозбуждением, содержащей три фазных обмотки, расположенных в пазах статора, ротор с обмоткой возбуждения, пространственное положение которой синхронизировано с мгновенным значением фазных напряжений, а ее концы соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу, и неподвижные щетки, фазные обмотки намотаны в плоскостях, нормальных к оси вращения, уложены в кольцевых пазах, выполненных на внутренней и внешней цилиндрических поверхностях статора и его радиальных пазах так, что оси обмоток совпадают с образующими цилиндрической поверхности, радиальный размер которой равен среднему радиусу статора, и сдвинуты на угол 120^o в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, причем каждая фазная обмотка в этой плоскости занимает часть сектора, ограниченного диаметральными размерами статора и соответствующего центральному углу, равному 120^o, а обмотка ротора намотана в двух взаимно перпендикулярных плоскостях так, что каждый ее виток состоит из двух секций, одна из которых расположена в плоскости фазных обмоток статора, уложена в кольцевом пазе ротора и имеет одинаковое направление намотки, а другая, состоящая из двух частей, уложенная в аксиальных диаметрально противоположных пазах ротора по обе стороны от кольцевого паза, представляет собой два одинаковых контура с противоположным направлением намотки, при этом пространственное положение обмотки ротора синхронизировано с мгновенным значением магнитного потока первой фазной обмотки так, что когда оно равно нулю, ось второй фазной обмотки, аксиальные пазы ротора и радиальный паз статора, в котором уложены лобовые части первой и третьей фазных обмоток, расположены в одной плоскости.

Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает в процессе электромагнитного взаимодействия поля статора с обмоткой ротора среднее за период значение трансформаторной ЭДС, не равное нулю, при отсутствии ЭДС вращения, в результате чего имеет место постоянная составляющая ЭДС в обмотке ротора.

Проведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научным источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из выявленного типа аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, поскольку не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 изображена принципиальная конструктивная схема предлагаемой машины, на фиг. 5 - один виток обмотки ротора (стрелками показано направление намотки), на фиг. 6 - магнитная цепь машины с обмотками статора и ротора, а также вращающийся и пульсирующий магнитные потоки, фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9 поясняют принцип действия машины, на фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 представлены теоретически полученные зависимости результирующих ЭДС в обмотке ротора в функции времени за период.

Синхронная машина с самовозбуждением (см. фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4) содержит статор 1 с двумя кольцевыми пазами 2 и 3, выточенными на его внешней и внутренней поверхностях по центру осевого размера, а также тремя радиальными пазами 4, расположенными под углом 120^o по окружности. В кольцевых пазах 2 и 3 уложены три фазные обмотки 5 статора 1, витки которых замыкаются лобовыми частями, расположенными в радиальных пазах 4. Стрелками показано направление намотки обмоток 5. Оси первой, второй и третьей фазных обмоток (показаны точками А, В и С на фиг. 2) совпадают с образующими цилиндрической поверхности, радиальный размер которой равен среднему радиусу статора R_ср (см. фиг. 1), и расположены в плоскостях, пересекающихся на оси вращения под углом 120^o, причем каждая фазная обмотка занимает часть сектора, ограниченного диаметральными размерами статора 1 и соответствующего центральному углу, равному 120^o. На статоре 1 крепятся соосно два подшипниковых щита 6 и 7, в которых запрессованы подшипники 8, внутренней обоймой посаженные на вал 9. Через пластмассовую втулку 10 на валу 9 закреплены два токосъемных кольца 11. имеющие электрический контакт со щетками 12 (щеткодержатель не показан). На валу 9 закреплен ротор 13, имеющий на внешней поверхности кольцевой паз 14, выточенный в плоскости кольцевых пазов 2 и 3, и два аксиальных диаметрально противоположных паза 15 и 16 по обе стороны от кольцевого паза 14, так что на пересечении аксиальных 15 и 16 и кольцевого 14 пазов каждый из них разделен на две половины. Аксиальные пазы 15 и 16 слева от кольцевого паза (см. фиг. 1) назовем первыми их частями, а справа - вторыми частями. Левую половину кругового паза 14 (см. фиг. 2) назовем первой, а правую - второй. Фиг. 3 и фиг. 4 дают дополнительные пояснения к конструкции предлагаемой машины. Отметим, что на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 фазные обмотки 5 статора 1 и обмотка 17 ротора 13 показаны уложенными в изоляционные трубки.

На фиг. 5 показан один виток обмотки 17 ротора 13, стрелками показано направление намотки. Провод ab уложен в первой части аксиального паза 15, провод bmc уложен в первой половине кольцевого паза 14, провод cd - во второй части аксиального паза 16, провод de проложен по правому торцу ротора 13 (см. фиг. 1), провод ef уложен во второй части аксиального паза 15, провод fng - во второй половине кольцевого паза 14, провод gh - в первой части аксиального паза 16, и провод ha уложен по левому торцу ротора 13 (см. фиг. 1). Таким образом, виток обмотки 17 ротора 13 намотан в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: провода fng и bmc лежат в плоскости, нормальной к оси вращения, и имеют одинаковое направление намотки (на фиг. 5 - вниз), а провода ghab и cdef находятся в плоскости, совпадающей с осью вращения, и представляют собой два одинаковых контура с противоположным направлением намотки (контур ghab на фиг. 5 намотан по часовой стрелке, а cdef - против часовой стрелки). На фиг. 6 представлена магнитная система предлагаемой машины, вся повернутая относительно изображений на фиг. 1 и фиг. 2 на 90^o против часовой стрелки. Штриховка разрезов не показана, чтобы не затемнять чертеж. Магнитная система состоит из статора 1 и ротора 13. Фазные обмотки 5 статора 1 (фазы А и С), попавшие в разрез, изображены в виде одного витка каждая. На фиг. 6 показана также часть витка обмотки 17 ротора 13 (см. фиг. 5), повернутого на 90^o против часовой стрелки. Это провода abm и efn, изображенные широкими пунктирными линиями. Стрелками и значками ⊕ и ⊙ указано направление намотки. Магнитное поле каждой фазы является пульсирующим Ф_п, а результирующее поле трехфазного тока - вращающимся Ф_в (на фиг. 6 показаны штрихпунктиром). При этом средняя линия вращающегося поля Ф_в показана условно повернутой на 90^o вокруг оси вращения машины, потому что в начальном положении обмотки 17 ротора 13 (определение начального положения см. ниже) линия поля Ф_в находится в плоскости аксиальных пазов 15 и 16 и не может быть показана в проекции фиг. 6.

Предлагаемая синхронная машина с самовозбуждением работает, например, в режиме генератора следующим образом.

Определим сначала условия синхронизации, при которых должна работать машина. Если принять, что мгновенные значения магнитных потоков, возбуждаемых токами фазных обмоток 5 (фаз A, B и C), статора 1, будут
Ф_a = Ф_m•sinωt; (1)
Ф_b = Ф_m•sin(ωt-120^°); (2)
Ф_c = Ф_m•sin(ωt-240^°); (3)
(здесь ωt - в градусах), то в начале отсчета времени, когда t = 0, обмотка 17 ротора 13 должна занимать относительно фазных обмоток 5 статора 1 положение, показанное на фиг. 2 и фиг. 6. В дальнейшем данное положение будем называть начальным. Известно (см., например, патент РФ на изобретение N 2144254 кл. H 02 К 31/02, Бюллетень изобретений N 1, 2000 г.), что при синхронном вращении плоского витка в пульсирующем переменном магнитном поле ЭДС вращения и трансформаторная ЭДС в течение периода остаются одного направления каждая, однако противоположного друг другу по контуру витка. Результирующая ЭДС в витке изменяется по гармоническому закону и не имеет постоянной составляющей. Однако в заявляемой синхронной машине провода ab, hg, cd и ef обмотки 17 ротора 13 (см. фиг. 5), уложенных в аксиальных пазах 15 и 16 ротора 13, вращаются синхронно с магнитным потоком Ф_в статора 1(см. фиг. 6), в связи с чем ЭДС вращения всегда равна нулю. При этом в проводах fng и bmc (см. фиг. 5), находящихся в кольцевом пазу 14 ротора 13, пульсирующим магнитным потоком Ф_п (см.фиг. 6) фазных обмоток 5 статора 1 возбуждается только трансформаторная ЭДС, имеющая по контуру обмотки 17 ротора 13 в течение периода постоянную составляющую.

Докажем это. На фиг. 7 буквами А, В и С сплошной, пунктирной и штрихпунктирной жирными дугами показаны схематично фазные обмотки 5 статора 1, разделенные радиальными пазами 4. Фактически пазы 4 являются границами зон действия фазных обмоток 5 в части индуцирования трансформаторных ЭДС в проводах обмотки ротора 13, уложенных в кольцевом пазу 14. В соответствии с обозначениями, принятыми выше, на фиг. 7 провода fng и bmc изображены в момент времени t= 0 в начальном положении ротора 13. Стрелками показано направление намотки. Точки, обозначенные цифрами 0,1,2,..., 11 делят траекторию вращения проводов fng и bmc равномерно на 12 частей для возможности анализа влияния мгновенного положения этих проводов на величину трансформаторной ЭДС в обмотке 17 ротора 13.

В описанной выше электрической машине (см. фиг. 6 и фиг. 7) фазные обмотки A, B и C статора 1 фактически являются первичными обмотками трехфазного трансформатора, а витки обмотки 17 ротора 13, уложенные в кольцевом пазу 14 ротора 13, можно считать вторичной обмоткой. Например, в начальном положении ротора 13 (фиг. 7) провода fng и bmc находятся в зоне действия фазных обмоток A, B и B, C соответственно. Тогда мгновенное значение ЭДС в проводе fng будет
(4)
(см. формулы (1) и (2)), так как весь пульсирующий поток фазы А пересекает этот провод и только половина потока фазы В. Одновременно мгновенное значение ЭДС в проводе bmc будет
(5)
(см. формулы (2) и (3)), потому что провод bmc весь находится в зоне действия пульсирующего потока фазы С и в половине зоны действия фазы В. В дальнейшем те части проводов fng и bmc, которые при любом мгновенном положении ротора 13, вращающегося с угловой скоростью ω, находятся в зоне действия фаз А, В и С статора 1, будем называть активными частями. При этом вся зона действия фазы принимается за единицу. Влияние мгновенных величин активных частей проводов fng и bmc на трансформаторную ЭДС может быть учтено введением некоторой безразмерной нормирующей функции F(ωt), имеющей на различных временных интервалах в течение периода разные значения (см. ниже). Для нормирующей функции F(ωt) необходимо принять правило знаков. Из фиг. 7 следует, что в начальном положении ротора 13 провода fng и bmc имеют одинаковые направления намотки (вправо). Однако при любом мгновенном положении вращающегося ротора 13 активные части проводов fng и bmc относительно зон действия фаз A, B, C всегда имеют противоположные направления (см. фиг. 7). Поэтому для провода fng нормирующая функция принимается положительной F(ωt) ≥ 0, а для провода bmc - отрицательной F(ωt) ≅ 0. В общем случае на основании закона электромагнитной индукции мгновенное значение трансформаторной ЭДС может быть определено как произведение отрицательной производной пульсирующего магнитного потока соответствующей фазной обмотки 5 (см. (1), (2), (3)) на нормирующую функцию.

На фиг. 8 сплошной, пунктирной и штрихпунктирной линиями показаны графики изменения активных частей провода fng (нормирующей функции) относительно зон действия фаз А, В и С соответственно. Проследим, например, как изменяется активная часть провода fng относительно зоны действия фазы А. Из фиг. 7 следует, что в начальном положении ротора 13 F_a1=1 (индекс "а" обозначает соответствующую фазу, а цифра - порядковый номер интервала, на котором рассчитывается трансформаторная ЭДС e_a1), а при ωt = 120^o, F_a1 = 0. Зная координаты точек a₀ и a₁ на фиг. 8 (см. например, книгу "Справочник по высшей математике", М. Я. Выгодский, - М.: Госиздательство физико-математической литературы, 1963 г., с.38, формула (2)), можно вывести зависимость F_a1(ωt). На интервале I 120^° > ωt > 0^° это будет уравнение
(6)
Трансформаторная ЭДС на 1 интервале будет (см. (1))
(7)
На интервале II 180^° > ωt > 120^° (см. фиг. 7 и фиг. 8) провод fng находится вне зоны действия фазы А. Поэтому F_a2 = 0 и e_a2 = 0.

На интервале III 300^° > ωt > 180^° нормирующая функция
(8)
а трансформаторная ЭДС
(9)
На интервале IV 360^° > ωt > 300^° нормирующая функция F_a4 = 1, а ЭДС
e_a4 = -Ф_m•ω•cosωt (10)
Полученные формулы, а также аналогичные выражения для оценки зон действия фаз В и С на ЭДС в проводе fng сведены в табл. 1.

Проследим теперь, как изменяется активная часть провода bmc (см. фиг. 7) относительно зоны действия, например, фазы A. На фиг. 9 аналогично фиг. 8 сплошной, пунктирной и штрихпунктирной линиями показаны графики изменения активных частей провода bmc (нормирующей функции) относительно зон действия фаз A, B и C соответственно. В начальном положении ротора 13 при t = 0 (см. фиг. 7) нормирующая функция F^I_a = 0 (индекс "а" означает рассматриваемую фазу, а количество штрихов - номер интервала, на котором рассчитывается ЭДС e^I_a), а при Составив уравнение прямой, проходящей через две точки (см. выше), получаем на интервале I 120^° > ωt > 0^° нормирующую функцию в виде
(11)
а ЭДС на данном интервале будет
(12)
На интервале II 180^° > ωt > 120^° (см. фиг. 7 и фиг. 9) нормирующая функция F^II_a = -1, а трансформаторная ЭДС
eIa

Приведенные формулы, а также аналогичные выражения относительно влияния зон действия фаз B и C на ЭДС в проводе bmc приведены в табл.2.

По формулам, приведенным в последнем столбце табл. 1 (трансформаторная ЭДС), с помощью пакета MATHCAD v.6.0 Professional были построены графики ЭДС в проводе (фиг. 10). Мгновенные значения ЭДС, наведенные фазой А, показаны сплошной линией, фазой В - пунктирной, фазой С - штрихпунктирной. При расчетах амплитудное значение ЭДС было принято за единицу Ф_mω = 1. Там же показан график результирующей ЭДС в проводе fng, изображенный жирной линией и полученный в результате суммирования мгновенных значений ЭДС от всех трех фаз. Среднее значение (постоянная составляющая) ЭДС e_ср = - 0,684 от амплитуды Ф_mω.
На фиг. 11 представлены аналогичные графики ЭДС в проводе bmc, полученные в результате обработки на компьютере с помощью пакета MATHCAD соответствующих данных табл.2. Здесь сходные графики ЭДС даны такими же линиями, что и на фиг. 10.

Окончательно на фиг. 12 представлен график изменения результирующей ЭДС по контуру всего витка (см. фиг. 5) за период, полученный суммированием мгновенных значений ЭДС в проводах fng и bmc. Постоянная составляющая ЭДС получается существенно большей амплитуды трансформаторной ЭДС одной фазы
e_p = -1,368Ф_m•ω (16)
В зависимости от числа витков обмотки ротора 13 на щетках 12 (см. фиг. 1) может быть получена постоянная составляющая ЭДС порядка десятков или даже сотен вольт. При подключении к щеткам 12 сопротивления по обмотке 17 ротора 13 пойдет постоянный ток нагрузки, который, создавая собственное магнитное поле, будет одновременно и током возбуждения заявляемой синхронной машины.

Достоинством предлагаемой машины является упрощение цепи возбуждения за счет исключения отдельного источника постоянного тока и поэтому повышения ее надежности, но главный результат в том, что фактически получен генератор постоянного тока, не содержащий в силовой цепи коллектора, других коммутаторов или выпрямителей. Дальнейшие исследования электромагнитных процессов в заявляемой машине приведут к разработке и промышленному использованию нового класса электрических машин. Теоретические выводы, изложенные выше, подтверждены экспериментально.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, а именно в электромашиностроении;
для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью выше описанных в заявке средств;
средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Использование: в электромашиностроении. Техническим результатом является получение значительной постоянной составляющей ЭДС в обмотке ротора путем электромагнитных преобразований. В трехфазной синхронной машине фазовые обмотки 5 статора 1, намотанные в плоскостях, нормальных к оси вращения, уложены в кольцевых пазах 2 и 3, на внутренней и внешней цилиндрических поверхностях статора 1 и его радиальных пазах 4. Оси обмоток 5 совпадают с образующими цилиндрической поверхности статора 1, радиальный размер которой равен среднему радиусу статора 1, и сдвинуты на 120° в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. Каждая фазная обмотка 5 в этой плоскости занимает часть сектора, ограниченного диаметральными размерами статора 1 и соответствующего центральному углу 120°. Обмотка 17 ротора 13 намотана в двух взаимно перпендикулярных плоскостях так, что каждый ее виток состоит из двух секций, одна из которых расположена в плоскости фазных обмоток 5 статора 1, уложена в кольцевом пазе 14 ротора 13 и имеет одинаковое направление намотки в начальном положении ротора 13. Другая секция, состоящая из двух частей, уложена в диаметрально противоположных пазах 15 и 16 ротора 13 по обе стороны от кольцевого паза 14, представляет собой два одинаковых контура с противоположным направлением намотки. При этом пространственное положение обмотки 17 ротора 13 синхронизировано с мгновенными значениями пульсирующих магнитных потоков Ф_п фазных обмоток 5 статора 1. 12 ил., 2 табл.

Синхронная машина с самовозбуждением, содержащая три фазные обмотки, расположенные в пазах статора, ротора с обмоткой возбуждения, пространственное положение которой синхронизировано с мгновенным значением фазных напряжений, а ее концы соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу, и неподвижные щетки, отличающаяся тем, что фазные обмотки намотаны в плоскостях, нормальных к оси вращения, уложены в кольцевых пазах, выполненных на внутренней и внешней цилиндрических поверхностях статора и его радиальных пазах так, что оси обмоток совпадают с образующими цилиндрической поверхности, радиальный размер которой равен среднему радиусу статора, и сдвинуты на угол 120° в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, причем каждая фазная обмотка в этой плоскости занимает часть сектора, ограниченного диаметральными размерами статора и соответствующего центральному углу, равному 120°, а обмотка ротора намотана в двух взаимно перпендикулярных плоскостях так, что каждый ее виток состоит из двух секций, одна из которых расположена в плоскости фазных обмоток статора, уложена в кольцевом пазе ротора и имеет одинаковое направление намотки, а другая, состоящая из двух частей, уложенная в аксиальных диаметрально противоположных пазах ротора по обе стороны от кольцевого паза, представляет собой два одинаковых контура с противоположным направлением намотки, при этом пространственное положение обмотки ротора синхронизировано с мгновенным значением магнитного потока первой фазной обмотки так, что когда оно равно нулю, ось второй фазной обмотки, аксиальные пазы ротора и радиальный паз статора, в котором уложены лобовые части первой и третьей фазных обмоток, расположены в одной плоскости.