СИНХРОННАЯ ПОПЕРЕМЕННО-ПОЛЮСНАЯ МАШИНА Российский патент 2004 года по МПК H02K19/22 H02K19/16 

Изобретение относится к электромашиностроению и может найти применение при разработке конструкций многофазных машин переменного тока с увеличенной удельной мощностью (по отношению к габаритам и весу), например генераторов переменного тока, способных вырабатывать ток в широком диапазоне частот (50-400 Гц).

Существующие многофазные генераторы переменного тока имеют ротор, на валу которого смонтирован сердечник из ферромагнитного материала, имеющий выступы по числу пар магнитных полюсов с размещенной на них обмоткой возбуждения. Обмотка ротора подсоединена к контактным кольцам коллектора для подачи напряжения возбуждения генератора. Количество пар магнитных полюсов ротора определяет частоту вырабатываемого генератором тока при заданной угловой скорости его вращения. Статор набран из пластин электротехнической стали в виде колец с внутренними пазами, в которых размещается многофазная обмотка генератора. Число катушек в каждой фазной обмотке статора равно числу пар магнитных полюсов ротора.

Подобная конструкция попеременно-полюсного генератора имеет ряд недостатков:

1. Лобовые части статорной обмотки генератора не участвуют в получении ЭДС индукции генератора и, являясь соединительным балластом, приводят к дополнительным электромагнитным потерям, перерасходу дорогостоящей меди и утяжелению машины.

2. Вихревые токи от наведенной переменной ЭДС в железе статора замыкаются через общее кольцо его пластин и вместе с высокочастотными гармониками вызывают дополнительный нагрев и насыщение железа, что ухудшает технико-экономические показатели генератора. Эта же причина является главным препятствием при конструировании многофазных высокочастотных генераторов (например, 400 Гц), так как приводит к недопустимым потерям в железе статора.

Известны конструкции трехфазных синхронных генераторов с когтеобразными полюсами и внутренней катушкой возбуждения [1]. Эти генераторы имеют лучшие массогабаритные показатели, однако наличие распределенной обмотки статора по-прежнему является недостатком конструкции. В авторском свидетельстве №871282, Н 02 К 19/22, сделана попытка избавиться от этого недостатка: катушки каждой фазы статорной обмотки расположены на рядом стоящих зубцах якоря. Это повышает удельную мощность генератора на 10-15%. В авторском свидетельстве №1334300, Н 02 К 23/04, в котором рассматривается электрическая машина, содержащая статор с постоянными магнитами и кольцевой ротор с обмоткой, сделана попытка увеличить активную зону взаимодействия силовых полей с помощью полюсных наконечников, выполненных в виде Г-образных сегментов, обращенных внутренней торцевой и цилиндрической поверхностями к обмотке якоря. Улучшение удельной мощности машины за счет увеличения площади магнитных полюсов в данной конструкции малоэффективно.

Очевидно, что дальнейшее серьезное повышение эффективности генератора возможно только за счет более полного использования в работе витков обмотки статора путем радикального увеличения относительной длины их активной части. Это и стало задачей, на решение которой направленно заявленное изобретение. Поскольку, в результате информационного поиска не удалось выявить достаточно близкого аналога заявленного технического решения, в качестве прототипа выбрана классическая конструкция генератора (см. [2], стр. 369).

Поставленная цель достигается тем, что статорная обмотка выполнена в виде катушек с сердечниками, размещенных внутри фигуры вращения, осью намотки которых является ось поперечного сечения фигуры вращения, а ротор снабжен двумя дополнительными торцевыми индукторами, расположение полюсов которых согласовано с полюсами центрального индуктора и которые вместе с ним охватывают статорную обмотку по периметру фигуры вращения с рабочим зазором, при этом индукторы скоммутированны таким образом, что в сечении полуплоскостью, началом которой является ось вращения ротора, их полюса одноименны, чередуясь попеременно в смежных полуплоскостях. Такая форма сопряжения статора и ротора увеличивает практически до 100% активную длину витка катушки статора (при 40-60% в рассмотренных аналогах), что пропорционально увеличивает удельную мощность генератора.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом - эскизом продольного сечения по оси вращения ротора, на котором изображен вариант конструкции трехфазного генератора согласно п.2 формулы.

Устройство состоит из следующих основных узлов и деталей: статор состоит из несущей обечайки 1, внутри которой на стойках-опорах 2 концентрично подвешено силовое кольцо 3, имеющее в поперечном сечении форму равностороннего треугольника. На каждую из сторон треугольного кольца крепятся коробчатые лотки-магнитопроводы 4, отштампованные из листов электротехнической стали и подогнанные друг к другу с минимальными зазорами. Эти лотки-магнитопроводы образуют каркасы катушек статорной обмотки и, одновременно, их полюсные выступы. Каркасы-магнитопроводы смежных катушек также должны сопрягаться между собой с минимальными зазорами. Такое исполнение каркасов в виде индивидуальных магнитопроводов для каждой катушки статорной обмотки сокращает до минимума саму причину возникновения вихревых токов и высокочастотных гармоник. В лотках-магнитопроводах 4 размещаются витки катушек 5, ось намотки которых совпадает с осью поперечного сечения силового кольца 3. Вся обмотка статора состоит из восемнадцати катушек (по шесть катушек на фазу). Выводы 7 обмотки статора через изоляторы 8 монтируются на обечайку 1.

Ротор состоит из центрального 9 и двух торцевых 10 и 11 индукторов, закрепленных на валу 6. Многополюсные сердечники 12 и 13 торцевых индукторов выполнены в виде ферромагнитного кольца с прорезанными в них двенадцатью пазами для размещения обмотки возбуждения. Пазы сердечников 12, 13 согласованы с пазами центрального индуктора 14, а сами индукторы скоммутированы таким образом, что в сечении полуплоскостью, началом которой является ось вращения ротора, их полюса одноименны. Сердечники 12 и 13 закреплены на валу 6 с помощью дисков 15 и 16, в свою очередь прикрепленных к втулкам 17 и 18, которые заштифтованы на валу 6. Вал 6 вращается на шарикоподшипниках 19 и 20, запрессованных в крышках 21 и 22, образующих совместно с обечайкой 1 корпус генератора. Выводы обмотки возбуждения припаяны к кольцам 23 и 24 коллектора. Подача напряжения возбуждения на индукторы ротора осуществляется через графитовые щетки 25 и 26 щеткодержателя 27.

Если силовое кольцо 3 сделать полым и снабдить входным и выходным штуцерами, его можно использовать для интенсивного охлаждения статора с обмоткой.

Генератор работает следующим образом. После подачи напряжения возбуждения и начала вращения ротора основная гармоника ЭДС индукции возникает в фазных обмотках статора в результате пересечения магнитных силовых линий многополюсных индукторов его катушками. Направление ЭДС в каждой из сторон треугольной катушки подчиняется правилу “правой руки” и при этом суммируется, а форма определяется изменением магнитной индукции в межполюсном пространстве индукторов. Магнитопроводы катушек статора выполняют роль усилителя их магнитной индукции и при появлении тока в фазных обмотках статора увеличивают его потокосцепление в μ раз.

Опытный образец предлагаемого трехфазного генератора на частоту 500 Гц был изготовлен на базе автомобильного генератора марки Г 273А У-ХЛ (с когтеобразными полюсами). Следует отметить, что это был более ранний вариант конструкции, в котором катушки статорной обмотки имеют не трех-, а четырехугольную форму, а ротор имеет только два торцевых индуктора, охватывающих большие стороны катушек статорной обмотки. Такая форма сопряжения статора и индукторов ротора обеспечили примерно восьмидесятипроцентный охват статорной обмотки, что определяет и соответствующий выигрыш в удельной мощности генератора.

Сравнительные результаты испытаний базового и опытного образцов приведены в таблице. Очевидно, что эффективность генератора, выполненного, например, согласно п.2 формулы, благодаря близкому к 100%-ому охвату его статорной обмотки индукторами ротора будет еще выше.

Показатели снимались при 5000 об/мин (f~500 Гц), нагрузка генераторов - активная, напряжение возбуждения поднималось до достижения токов в индукторах, близких к насыщению.

Литература

1. Василевский В.И., Кулеев Ю.А. Автомобильные генераторы. М., 1971 г.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник. Л.: Энергия, 1978 г.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроению, в частности к конструкции многофазных машин переменного тока, преимущественно к генераторам с повышенной удельной мощностью, способных вырабатывать ток в широком диапазоне частот. Сущность изобретения состоит в том, что статорная обмотка выполнена в виде размещенных внутри фигуры вращения катушек, осью намотки которых является ось поперечного сечения фигуры вращения, а ротор выполнен из центрального и двух дополнительных торцевых индукторов, образующих с центральным индуктором фигуру вращения, охватывающую статорную обмотку с рабочим зазором, при этом все три индуктора скоммутированы таким образом, что в сечении полуплоскостью, началом которой является ось вращения ротора, их полюса одноименны. Техническая задача изобретения состоит в удвоении удельной мощности генератора в широком диапазоне рабочих частот от 50 до 400 Гц путем увеличения практически до 100% активной длины витка статорной обмотки, благодаря предложенной форме сопряжения статора и ротора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Синхронная попеременно-полюсная машина, содержащая статор с многофазной обмоткой и размещенный по его оси многополюсный ротор-индуктор с обмоткой возбуждения, отличающаяся тем, что статорная обмотка выполнена в виде катушек с сердечниками, размещенных внутри фигуры вращения, осью намотки катушек статорной обмотки является ось поперечного сечения упомянутой фигуры вращения, а ротор выполнен из центрального и двух дополнительных торцевых индукторов, также образующих фигуру вращения, охватывающую статорную обмотку с рабочим зазором, при этом все три индуктора скоммутированы таким образом, что в сечении полуплоскостью, началом которой является ось вращения ротора, их полюса одноименны.2. Синхронная попеременно-полюсная машина по п.1, отличающаяся тем, что сердечник катушки статорной обмотки выполнен в виде треугольника, составленного из лотков-магнитопроводов.3. Синхронная попеременно-полюсная машина по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что лотки-магнитопроводы закреплены на полом кольце, прикрепленном к корпусу статора и снабженном подсоединительными штуцерами.