ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2010 года по МПК H02K19/02 H02K19/16 H02K29/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям и электроприводам и высокочастотным электрическим генераторам.

Известны конструкции синхронных машин с трехфазной обмоткой якоря и обмоткой возбуждения индуктора (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 928 с.). Якорь выполняется неявнополюсным, несущим трехфазную распределенную разноименнополюсную р-периодную обмотку, индуктор выполняется явнополюсным или неявнополюсным, несущим разноименнополюсную р-периодную обмотку возбуждения. Электрическая связь с источником питания осуществляется непосредственно и при помощи щеточно-контактного узла. Наибольшее распространение получили синхронные машины, у которых обмотка якоря подключается к нагрузке (в режиме генератора) или к источнику трехфазного напряжения (в режиме двигателя) непосредственно, а обмотка возбуждения индуктора соединена с контактными кольцами и подключается к постоянному источнику напряжения через скользящие контакты при помощи щеток. Синхронные машины малой мощности могут изготавливаться и в обращенном исполнении, когда электрический контакт с обмоткой возбуждения осуществляется непосредственно, а с обмоткой якоря - через щеточно-контактный узел. Недостатком этих электрических машин является сложность выполнения распределенной обмотки якоря. Применение в этих машинах распределенной обмотки якоря снижает их надежность по сравнению с катушечной сосредоточенной обмоткой якоря. Кроме этого, синхронные машины данного класса в режиме двигателя имеют малые пусковые моменты, и для пуска их в ход применяют специальные меры.

Известен принятый за прототип синхронный электродвигатель (а.с. СССР SU №1345291 А1, МПК Н02К 19/02, бюл. №38, 1987 г., автор А.Ф.Шевченко), содержащий статор с трехфазной обмоткой и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, статор выполнен с явно выраженными полюсами, причем числа полюсов статора Z_S и ротора Z_R выполнены в соотношении Z_R=Z_S±k, где Z_S=3·k, а k=1, 2, 3, …, катушки обмотки статора, принадлежащие одной фазе и расположенные на полюсах, сдвинутых на 360 эл. град., включены встречно. Недостатком описанного синхронного электродвигателя является наличие статора только с трехфазной обмоткой якоря, что уменьшает возможные применения данного устройства.

Целью настоящего изобретения является достижение высоких энергетических показателей электрической машины с электромагнитным возбуждением при высоком удельном (отнесенном к массе активных материалов) моменте на валу.

Существенным признаком, отличающим настоящее изобретение от прототипа, является наличие щеточно-контактного узла, позволяющего питать обмотку возбуждения электрической машины с электромагнитным возбуждением значительным постоянным (выпрямленным) током и таким образом повысить удельную мощность, а также плавно регулировать выходными параметрами электрической машины.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа явно выраженных полюсов якоря при выполнении сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки и числа пар полюсов индуктора при выполнении индуктора явнополюсным, несущим разноименнополюсную р-периодную катушечную обмотку возбуждения, электрической машины с электромагнитным возбуждением.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение применения электрической машины с электромагнитным возбуждением, обладающей высокой технологичностью, надежностью, ремонтопригодностью. С этой целью якорь выполняется с m-фазной сосредоточенной на полюсах якоря катушечной обмоткой и с возможностью применения каркасных катушек, возбуждение индуктора осуществляется при помощи обмотки возбуждения при питании ее постоянным (выпрямленным) током через контактные кольца и щетки.

При применении электрической машины с электромагнитным возбуждением в качестве синхронного двигателя питание обмотки якоря осуществляется:

- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,

- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,

- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

При применении электрической машины с электромагнитным возбуждением в качестве двигателя постоянного тока питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от m-фазного электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

Обмотка возбуждения индуктора может подключаться через контактные кольца и щетки к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения или к выходу диодного m-фазного моста А.Н.Ларионова, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.

Электрическая машина с электромагнитным возбуждением может работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора ЭДС прямоугольной формы.

В настоящем изобретении магнитный поток возбуждения создается разноименнополюсной p-периодной катушечной обмоткой возбуждения явнополюсного индуктора, а m-фазная катушечная обмотка якоря размещена на полюсах сердечника якоря. Индуктор является ротором, а якорь - статором. Возможны исполнения электрической машины с электромагнитным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.

Сущность изобретения поясняется чертежами: фиг.1 - общий вид электрической машины с электромагнитным возбуждением с внутренним индуктором и внешним якорем, фиг.2÷10 - примеры реализации изобретения в виде поперечных сечений сердечников якоря и активного индуктора электрической машины с электромагнитным возбуждением, схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря и включение обмоток якоря на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов якоря (МДС).

В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей электрической машины с электромагнитным возбуждением между числом полюсов якоря Z₁, числом пар полюсов индуктора р и числом фаз обмотки якоря m=3, 4, 5, 6… установлена связь (1):

Для получения максимального удельного момента на валу электрической машины с электромагнитным возбуждением число полюсов якоря Z₁, число пар полюсов индуктора р, число фаз обмотки якоря m, число модулей с связаны равенствами (2) и (3):

где m=3, 4, 5, 6…, с=1, 2, 3, 4 … Модулем электрической машины с электромагнитным возбуждением является соотношение полюсов якоря и пар полюсов индуктора «элементарной машины» в составе электрической машины с электромагнитным возбуждением. Модуль представляет собой неделимую дробь и определяется соотношением М_Z=m/(m-1). Число модулей может быть не менее одного и определяется равенством с=Z₁-p.

Катушки обмотки в фазе якоря должны быть соединены между собой таким образом (согласно или встречно), чтобы векторы наведенных в них ЭДС, геометрически складываясь, образовывали максимальную суммарную ЭДС фазы якоря электрической машины с электромагнитным возбуждением.

Катушки обмотки фазы якоря разных модулей могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, а при с=4, 6, 8, 10 … - последовательно-параллельно, т.е. смешанно.

На фиг.2÷10 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (2) и (3) в виде поперечных сечений сердечников якоря и активного индуктора электрической машины с электромагнитным возбуждением, схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря при включении обмоток якоря на источники напряжений с различным числом фаз и диаграмм токов (МДС). Соответствие фигур чертежей поперечных сечений сердечников якоря и активного индуктора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице. Буква m в таблице обозначает количество фаз обмотки якоря электрической машины с электромагнитным возбуждением, а m_ист - количество фаз источника напряжения. Положение сердечника активного индуктора относительно сердечника якоря на фигуре в двигательном режиме соответствует моменту времени, при котором показано положение векторов токов на соответствующей фигуре схемы соединения катушек m-фазной обмотки якоря (таблица).

  Соответствие фигур чертежей поперечных сечений сердечников якоря и активного индуктора и фигур схем соединения катушек m-фазных обмоток якоря Фигура m Z₁ р с m_ист чертежа поперечного сечения схемы обмотки и диаграмма токов (мдс) 2 3 3 15 10 5 3 4 5 4 16 12 4 4 6 7 5 15 12 3 5 8 9 6 12 10 2 6 8 10 6 12 10 2 3

На фиг.3 представлена схема соединений катушек 3-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.

На фиг.5 представлена схема соединений катушек 4-фазной обмотки якоря с подключением на 4-фазный источник напряжения.

На фиг.7 представлена схема соединений катушек 5-фазной обмотки якоря с подключением на 5-фазный источник напряжения.

На фиг.9 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 6-фазный источник напряжения.

На фиг.10 представлена схема соединений катушек 6-фазной обмотки якоря с подключением на 3-фазный источник напряжения.

Рассмотрим конструкцию электрической машины с электромагнитным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, фиг.2). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 1 якоря выполнен шихтованным из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в корпусе 2, выполненном из стали или из сплава алюминия. На каждом из полюсов 10 якоря размещена катушечная обмотка 3 якоря. Катушки обмотки 3 якоря выполняются из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины и могут наматываться на намоточных станках непосредственно и затем изолироваться либо наматываться на каркасы, выполненные из изоляционных материалов. Индуктор при помощи подшипников 4, вала 5 и подшипниковых щитов 6 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из стали. Активная часть индуктора состоит из шихтованного из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью пакета 14 с полюсами 7, втулки 8, выполненной из материала с высокой магнитной проницаемостью, катушечной обмотки возбуждения 9 индуктора, изоляционной неэлектропроводной втулки 11, контактных колец 12 и щеточно-пружинного узла со щетками 13. С целью повышения технологичности выполнения обмоточных работ полюса 7 индуктора можно выполнять отъемными из материала с высокой магнитной проницаемостью и крепить их непосредственно к втулке 8. На каждом из полюсов 7 индуктора размещена катушечная обмотка возбуждения 9 индуктора, которая соединена с контактными кольцами 12. При помощи щеточно-пружинного узла к контактным кольцам 12 прилегают графитовые или медно-графитовые щетки 13, образуя скользящий контакт. Щетки 13 через соединительные провода подключаются к источнику постоянного (выпрямленного) напряжения. Катушечная обмотка возбуждения 9 индуктора выполняется из обмоточного медного провода или медной обмоточной шины. Контактные кольца 12 выполняются из меди. Магнитный поток активного индуктора (фиг.1, фиг.2) выходит из полюсов 7 индуктора с полярностью «N», пронизывает воздушный зазор между индуктором и якорем, проходит через полюса якоря, ярмо якоря, вновь через полюса якоря, пронизывает воздушный зазор между индуктором и якорем, входит в полюса 7 индуктора с полярностью «S» и замыкается через ярмо индуктора и магнитопровод 8.

Электрическая машина с электромагнитным возбуждением может работать в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.2). На фазы обмотки 3 якоря из внешней цепи - цепи питания - непосредственно подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменную во времени МДС якоря. На фиг.3, 5, 7, 9, 10 представлены векторные диаграммы токов 15 для соответствующих многофазных обмоток якоря, представленных на этих же фигурах. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток якоря, изменяются во времени, и векторы токов 15 поворачиваются в осях координат xy. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 3 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер полюса 10 сердечника 1 якоря. Например, катушка СЗ - катушка фазы С, расположенная на третьем полюсе 10 сердечника 1 якоря. На фиг.3, 5, 7, 9, 10 обозначены направления токов в катушках обмотки 3 якоря в соответствии с проекцией векторов токов на ось у. При этом полюса 10 якоря, на которых расположены катушки обмотки 3 якоря, образуют южные полюса «S» и северные полюса «N» якоря. Вследствие взаимодействия переменной МДС якоря с постоянной МДС индуктора, созданной постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения 9 индуктора, к ротору приложен вращающий момент, т.е. при изменении питающих напряжений, поданных на обмотку 3 якоря с частотой f (Гц), ротор вращается с синхронной частотой вращения n=60·f/р (об/мин). Направление вращения ротора на фигурах показано стрелкой с буквой «n».

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n магнитный поток активного индуктора, пронизывая воздушный зазор и полюса 10 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в полюсах 10 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках обмотки 3 якоря переменную ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки - замкнута, то по обмотке 3 якоря протекает ток, электрическая мощность отдается потребителю.

Фазы обмотки якоря могут быть соединены в звезду, а также в многоугольник. Катушки обмотки фазы якоря разных модулей могут быть соединены между собой последовательно, параллельно, а при с=4, 6, 8, 10 … - последовательно-параллельно, т.е. смешанно.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям и электроприводам, а также к высокочастотным электрическим генераторам. Предлагаемая электрическая машина с электромагнитным возбуждением содержит шихтованный якорь с явно выраженными полюсами, m-фазная обмотка которого состоит из катушек, охватывающих по одному полюсу якоря, и индуктор с явно выраженными полюсами и расположенной на них разноименнополюсной р-периодной катушечной обмоткой возбуждения, при протекании по которой постоянного тока образуется чередующаяся полярность полюсов индуктора, состоит из модулей - «элементарных машин». При соблюдении в такой электрической машине определенных соотношений между числом полюсов якоря, числом пар полюсов индуктора, числом фаз обмотки якоря и числом модулей достигается технический результат, состоящий в получении большого удельного вращающего момента при низких частотах вращения в двигательном режиме или большой удельной мощности при высоких частотах в генераторном режиме. Изменением тока возбуждения индуктора в предлагаемой электрической машине с электромагнитным возбуждением достигается плавная регулировка ее выходных параметров. 15 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением, содержащая статор с обмоткой якоря и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, отличающаяся тем, что сердечник якоря выполнен шихтованным с явно выраженными полюсами, на полюсах якоря расположена катушечная m-фазная обмотка якоря, индуктор выполнен с явно выраженными полюсами, на полюсах индуктора расположена разноименнополюсная p-периодная катушечная обмотка возбуждения, при этом между числом полюсов якоря Z₁, числом пар полюсов индуктора р, числом фаз обмотки якоря
m=3, 4, 5, 6 … установлена связь: .

2. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.1, отличающаяся тем, что число полюсов якоря Z₁=m·с, число пар полюсов индуктора р=(m-1)·с, где c=1, 2, 3, 4 … - число модулей в составе электрической машины с электромагнитным возбуждением.

3. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи, индуктор - внутри.

4. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь - внутри.

5. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя, питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты.

6. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя, питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты.

7. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного двигателя, питание обмотки якоря осуществляется от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

8. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве двигателя постоянного тока питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента.

9. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по любому из пп.5-8, отличающаяся тем, что питание обмотки возбуждения индуктора осуществляется от независимого источника постоянного напряжения.

10. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по любому из пп.5-8, отличающаяся тем, что питание обмотки возбуждения индуктора осуществляется через m-фазный мост А.Н.Ларионова непосредственно от m-фазной обмотки якоря.

11. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что при с>1 катушки обмотки якоря разных модулей одной и той же фазы соединены последовательно.

12. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что при с>1 катушки обмотки якоря разных модулей одной и той же фазы соединены параллельно.

13. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что при с=4, 6, 8, 10 … катушки обмотки якоря разных модулей одной и той же фазы соединены последовательно-параллельно (смешанно).

14. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в звезду.

15. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в многоугольник.

16. Электрическая машина с электромагнитным возбуждением по п.2, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в звезду через m-фазный мост А.Н. Ларионова и обмотку возбуждения индуктора.