ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2005 года по МПК H02K19/06 H02K21/04 

Изобретение относится к электромашинам универсального типа, преобразующим электрическую энергию в механическую и, наоборот, преобразующим механическую энергию в электрическую. Электромашина имеет возможность менять направление вращения. Способна работать от переменного однофазного тока и также от постоянного.

Принцип работы электромашины основан в режиме электромотора на взаимодействии магнитного потока с электрическим полем проводников с током, а в режиме генератора - на взаимодействии электромагнитной индукции, причем взаимодействие между магнитным потоком и полем ЭДС осуществляется в обоих режимах в горизонтальной плоскости вала ротора, так как индукторы ротора расположены в аксиальной плоскости, а якорные обмотки расположены с обеих сторон ротора и закреплены на стенках статора. Направление тока в проводниках осуществляется в радиалной плоскости.

Электромашина может найти применение на электрофицированном транспорте /троллейбусах, трамваях, электричках и т.п./ в качестве электромоторов, также может использоваться для получения переменного тока, в качестве генератора, в хозяйственной и бытовой технике.

Ту часть машины, которая создает магнитное поле, называют индуктором, а ту часть машины, где располагается обмотка, в которой индуктируется ЭДС, называют якорем. На выходящую мощность не влияет, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле или, наоборот, подвижное поле будет пересекать поле неподвижного проводника. Конструкция ротора диктуется главным образом соображениями механической прочности. Например, обмотку высокого напряжения, которая при вращении ротора испытывает толчки и вибрации, очень трудно изолировать. Этим объясняется, что в современных генераторах обмотку якоря располагают на неподвижной части машины - статоре, а обмотку возбуждения /магнитные полюсы/ располагают на роторе (см. стр.253, М.И.Кузнецов "Основы электротехники". Трудрезервиздат, 1958 г.).

Наиболее ближайшим аналогом является "Синхронная электрическая машина" SU 974516 A1, кл. Н 09 К 19/34, Н 09 К 47/24, опубликованная 15.11.1982 г.

В предлагаемой электромашине расположение обмотки возбуждения на роторе продиктовано еще и другими соображениями. Так как магнитный поток у ротора расположен перпендикулярно плоскости вращения ротора, то целесообразнее в этом случае использовать магнитный поток с двух сторон, для этого проводники с током расположены с обеих сторон ротора. Это позволяет увеличить рабочую площадь проводников с током, взаимодействующих с магнитным полем ротора, так как установлено, что момент машины, который будет вращающим для двигателя и тормозящим для генератора, пропорционален току якоря и магнитному потоку машины, которые в свою очередь зависят от количества проводников с током, количества магнитных сердечников и радиуса взаимодействия.

К известным универсальным машинам относятся электромашины постоянного тока и электромашины переменного тока синхронного типа. У электромашин постоянного тока сложным узлом является коллектор ротора, который осуществляет коммутацию тока. Коллектор /стр.274/ состоит из клиновидных медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. В прорезы выступающих частей коллекторных пластин впаиваются концы отдельных частей обмотки /секций/. Поверхность коллектора находится в постоянном контакте с подводящей и отводящей токи щетками, которые закрепляются щеткодержателями. Для повышения мощности машина имеет несколько сот активных проводов обмотки якоря и соответственное число пластин коллектора.

При размыкании секций между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной происходит искрение, что приводит к подгоранию коллекторных пластин и щеток. Для улучшения работы коллектора используют твердые щетки и применяют дополнительные полюса.

Синхронный генератор может работать в качестве электродвигателя. Наибольшее распространение получили трехфазные синхронные машины, у которых обмотка статора питается трехфазным переменным током, а обмотка ротора подключается к источнику постоянного напряжения. Для пуска таких двигателей требуется применять специальные устройства, пусковые двигатели, что усложняет эксплуатацию таких двигателей.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение надежности и мощности, упрощение конструкции и достижение полной универсальности, т.е. электромашина должна обладать всеми режимами работы: способной работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, способной работать от сети однофазного переменного тока /что очень важно/ с возможностями менять направление вращения и скорость вращения ротора и работать от постоянного тока /работа от постоянного тока у данной машины возможна, но в этом нет надобности усложнять конструкцию/.

Поставленная задача решается за счет того, что у предлагаемой машины магнитное и электрическое поля взаимодействуют между собой в аксиальной плоскости с двух сторон ротора. Аксиальное взаимодействие полей достигается за счет того, что индукторы расположены на вращающейся части - роторе в горизонтальной плоскости вала, а токовые обмотки, создающие ЭДС, установлены с обеих сторон ротора в радиальной плоскости и закреплены на стенках статора.

Электромашина включает в себя ротор, состоящий из двух равнозначных дисков с втулками, закрепленными на валу. Между дисками установлены в аксиальной плоскости несколько индукционных катушек с сердечниками, которые закреплены к дискам болтами, головки которых используются в качестве полюсных наконечников. Поверхности катушек и окружная поверхность дисков ротора охвачены медными цилиндрами. Индукционные катушки соединены между собой электрической цепью последовательно и с соблюдением односторонней направленности магнитного потока. Входящий и выходящий концы обмотки возбуждения ротора соединены с контактными кольцами, закрепленными на валу с левой и правой сторон ротора, которые находятся в постоянном контакте с неподвижными контактными кольцами, установленными на левой и правой стенках статора, и удерживаются поджимными пружинками.

Неподвижные контактные кольца соединены с общими клеммами статора.

Обмотка статора состоит из двух частей, расположенных с левой и правой сторон ротора и закрепленных на стенках статора. Каждая обмотка статора содержит несколько токовых секций, намотанных на кольцеобразном диске, причем секции уложены во впадины, выполненные с внешней и внутренней сторон кольцеобразного диска, лежащие относительно друг друга в радиальной плоскости. Каждая токовая секция с боков ограничивается изолирующими накладками /бортами/ и отделяется друг от друга радиальными прорезями, выполненными на кольцевых дисках. Кольцеобразные диски с уложенными токовыми секциями установлены на втулки стенок статора и жестко крепятся к ним внутренними окружными поверхностями посредством уголков или точечной сварки. По окружной поверхности кольцевые диски охвачены цилиндрическими ободами, которые своими боковыми поверхностями крепятся к стенкам статора и к кольцевым дискам посредством уголков. Схема подключения обмоток статора параллельная.

На фиг.1 показана левая стенка статора в сборе с кольцеобразным диском, на верхней части которого показаны обмотки токовых секций с радиальным расположением токовых проводников, а на нижней части кольцеобразного диска показаны впадины для укладки токовых секций.

На фиг.2 показан поперечный разрез электромашины в сборе.

На фиг.3 показана правая часть ротора с установленными индукционными катушками.

На фиг.4 показан поперечный разрез ротора по А-А на фиг.3.

На фиг.5 показана схема подлючения обмоток электромашины.

Электромашина содержит неподвижную часть - статор, состоящий из цилиндрического корпуса 1 /фиг.2/ и двух статорных стенок 2 и 3, соединяющихся с корпусом болтами 4 /4 - место креплений/. На втулках 5 статорных стенок фиг.1 закреплены кольцеобразные диски 6 и 7, которые охвачены по окружным поверхностям цилиндрическими ободами 8 и 9. Оба диска /левый и правый/ крепятся к поверхностям втулок 5 и к внутренним поверхностям ободов 8 и 9 посредством уголков или точечной сварки 10 и 11 /места креплений/. На окружной и внутренней поверхностях кольцеобразных дисков выполнены впадины 12 и 13 относительно друг друга в радильной плоскости, а на образовавшиеся магнитные сердечники 14 /см. также 6 и 7/ наматываются токовые секции 15 и 16. Магнитные сердечники 14 отделяются от соседних сердечников радиальными прорезями 17. Так как установлено, что напряженность поля кольцевой катушки пропорциональна произведению числа ампер на число витков, которое подобно магнитной индукции является вектором, совпадающим по направлению с направлением поля. И также установлено, что в кольцевой катушке магнитное поле сосредоточено внутри нее и почти отсутствует вне ее. Поэтому радиальные прорези 17 предназначены для того, чтобы ослабить внутреннее кольцевое /замкнутое/ магнитное поле и увеличить наружное магнитное поле каждой токовой секции 15 для лучшего взаимодействия /токосцепления/ между полями токовых катушек и магнитным потоком роторных катушек. Токовые секции 15 и 16 на каждом кольцеобразном диске соединены последовательно, а дисковые обмотки подключены между собой параллельно и образуют левую и правую статорные обмотки, отводящие концы которых, 18 и 19, 20 и 21, выведены и подключены к общим клеммам параллельно роторной обмотке возбуждения /фиг.5/. Токовые секции 15 и 16 статорных обмоток имеют одинаковое направление токов, который проходит по проводникам, обращенным к ротору, от окружности к центру /или наоборот/ по стрелкам, показанным на фиг.1 и 2.

Вал 23 ротора установлен на подшипниках 24 и 25, установленных в стенках статора 2 и 3 и фиксирующихся крышками 26.

Ротор 22 состоит из двух дисков 27 и 28 /фиг.3 и 4/ с выполненными втулками 29 и 30, посредством которых они крепятся к валу. Между дисками 27 и 28 установлено несколько катушек 31 /5 шт./ с сердечниками 32 /фиг.3/. Все катушки расположены своими магнитными потоками /стрелки Ф/ в одну сторону, перпендикулярно плоскости вращения ротора. Катушки крепятся к дискам ротора посредством болтов 33 и 34, ввернутых в сердечники, головки которых служат в качестве полюсных наконечников. Для ослабления магнитного потока окружная поверхность катушек охватывается медными цилиндрами 45, а окружная поверхность дисков ротора охватывается медным ободом 35. Образовавшееся пространство между катушками 36 заполняется диэлектрической массой, например, компаундом. Все катушки ротора соединены между собой последовательно, образуя вместе роторную обмотку возбуждения, концы которой выведены и соединены с контактными кольцами 37 и 38 /фиг.2/, расположенными с левой и правой сторон ротора, и закреплены на валу 23. Контактные кольца 37 и 38 находятся в постоянном контакте с неподвижными контактными кольцами 39 и 40, закрепленными на стенках статора, и соединены с подводящими клеммами 41 и 42 /фиг.5/. Обмотка возбуждения ротора подключена относительно статорных обмоток параллельно. Неподвижные контактные кольца удерживаются поджимными пружинами 43 и 44, установленными в специальных гнездах, выполненных во втулках статорных стенок 5. Контактные кольца 37 и 38, 39 и 40 /подвижные и неподвижные/ снабжены изоляцией со стороны вала, ротора и стенок статора /не показано/.

Работа электромашины в режиме электромотора

При подаче напряжения переключателем П /фиг.5/ переменного или постоянного тока ток будет поступать одновременно на все три обмотки /на роторную и две статорные/. Ток в обмотках статора 15 и 16 будет проходить по указанным стрелкам /J/ фиг.1 и 2, вокруг сердечников 6 и 7 или 14 /одно и то же/. Так как секции на дисках 6 и 7 разделены прорезями 17, то магнитные силовые линии соосных катушек /секций/ будут частично прерваны прорезями 17 и электрическое поле каждой секции будет выдавливаться наружу, увеличивая общее электрическое поле, направленное к центру вала. Одновременно с этим будет создаваться магнитное поле ротора в поеречном сечении ротора /стрелки Ф/ посредством катушек 31. В данном варианте все пять катушек /электромагнитов/ будут создавать поперечный магнитный поток /Ф/, который будет взаимодействовать с полем токовых проводников каждой секции, имеющих радиальное направление с двух сторон ротора. Поэтому магнитный поток /Ф/ ротора будет проходить через полюсные наконечники 33 и 34 /болты/, через обмотки секций 15, стенку статора 2, цилиндрический корпус 1, правую стенку статора 3, через обмотки секций 16 и возвратится снова на полюсные сердечники 33 и 34. Магнитный поток замкнется.

Если воспользоваться правилом левой руки, для двигателей, то выяснится, что ротор должен будет вращаться по часовой стрелке. При одновременной смене направления тока во всех трех обмотках вращение ротора остается прежним. Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить направление тока в якорной или статорной обмотках, для чего необходимо поменять выводы 41 и 42 местами /фиг.5/.

Работа электромашины в режиме генератора

Так как установлено, что момент машины, который является для двигателя вращающим, для генератора будет являться тормозящим и поэтому будет размагничивать сердечники ротора. Для сохранения остаточного магнетизма в сердечниках необходимо, при параллельном подключении обмоток возбуждения, концы роторной обмотки возбуждения 41 и 42 /фиг.5/ поменять местами. Так как статорные обмотки подключены параллельно друг другу, то ток с них сниматься будет одновременно и поэтому с противолежащих секций ток будет складываться, т.е. импульсы тока будут удваиваться, а поскольку ротор содержит нечетное число катушек /5 шт./, а статор имеет четное число токовых секций /8 на левой и 8 на правой сторонах/, то импульсы тока будут сниматься на выходе непрерывно, сглаженно, но тем не менее, можно предполагать, что за один оборот ротора будет происходить сорок импульсов.

Регулировка оборотов в режиме работы электромотора и мощность тока на выходе, в режиме генератора, осуществляется за счет изменения тока на входе роторной обмотки /не показано/. Если электромашина способна изменять скорость вращения ротора в больших пределах в режиме электромотора от переменного однофазного тока, то отпадает надобность использовать постоянный ток, что очень важно для эксплуатации электромашин.

Изобретение относится к области машиностроения. Электрическая машина включает в себя статор с токовыми обмотками, ротор с обмотками возбуждения, вал с подшипниками и неподвижные контактные кольца с кольцедержателями. Ротор состоит из двух дисков с втулками, закрепленными на валу, между которыми установлены в аксиальной плоскости несколько индукционных катушек с сердечниками, которые закреплены к дискам болтами. Головки болтов используются в качестве полюсных наконечников. Все катушки охвачены медными цилиндрами и соединены между собой последовательно и с соблюдением односторонней направленности магнитного потока. Входящий и выходящий концы общей обмотки возбуждения ротора соединены с неподвижными контактными кольцами, закрепленными на валу с левой и правой сторон ротора, которые находятся в постоянном контакте с неподвижными контактными кольцами, закрепленными на стенках статора, и удерживаются поджимными пружинками. Неподвижные контактные кольца соединены с общими клеммами статора параллельно. Обмотка статора состоит из двух частей, расположенных с левой и правой сторон ротора, и закреплена на стенках статора, каждая часть обмотки статора содержит несколько токовых секций, намотанных на кольцеобразном диске. Токовые секции соединены между собой последовательно на каждом кольцевом диске, образуя левую и правую обмотки статора, которые подключены между собой параллельно и параллельно обмотке ротора. Техническим результатом является улучшение функциональных характеристик изобретения, а также повышение надежности работы. 5 ил.

Электрическая машина универсального типа, включающая в себя статор с токовыми обмотками, ротор с обмотками возбуждения, вал с подшипниками и неподвижные контактные кольца с кольцедержателями, отличающаяся тем, что ротор состоит из двух дисков с втулками, закрепленными на валу, между которыми установлены в аксиальной плоскости несколько индукционных катушек с сердечниками, которые закреплены к дискам болтами, головки которых используются в качестве полюсных наконечников, все катушки охвачены медными цилиндрами и соединены между собой последовательно и с соблюдением односторонней направленности магнитного потока, входящий и выходящий концы общей обмотки возбуждения ротора соединены с неподвижными контактными кольцами, закрепленными на валу с левой и правой сторон ротора, которые находятся в постоянном контакте с неподвижными контактными кольцами, закрепленными на стенках статора, и удерживаются поджимными пружинками, установленными на стенках статора, неподвижные контактные кольца соединены с общими клеммами статора параллельно, обмотка статора состоит из двух частей, расположенных с левой и правой сторон ротора, и закреплена на стенках статора, каждая часть обмотки статора содержит несколько токовых секций, намотанных на кольцеобразном диске, причем каждая секция уложена во впадины, выполненные с внешней и внутренней сторон кольцевого диска, лежащие относительно друг друга в радиальной плоскости, каждая токовая секция с боков ограничивается изолированными бортами и отделяется друг от друга радиальными прорезями, выполненными на кольцевых дисках, кольцевые диски с уложенными токовыми секциями установлены на втулки стенок статора и прикреплены к ним окружными внутренними поверхностями посредством уголков, по окружной поверхности оба кольцевых диска охвачены цилиндрическими ободами, которые своими боковыми поверхностями крепятся к стенкам статора и к кольцевым дискам посредством уголков, токовые секции соединены между собой последовательно на каждом кольцевом диске, образуя левую и правую обмотки статора, которые подключены между собой параллельно и параллельно обмотке ротора.