ДВИГАТЕЛЬ С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОТОКОМ И ТУРБОДВИГАТЕЛЬ С ДВИГАТЕЛЕМ С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОТОКОМ ТАКОГО РОДА Российский патент 2011 года по МПК H02K21/24 H02K7/18 H02H7/08 H02P9/00 

В качестве генераторов электрической мощности зачастую применяют синхронные генераторы. Машины такого рода при их выполнении в качестве ротора (роторного поршня) имеют внешнюю обмотку (обмотку статора), которая генерирует вращающееся магнитное поле. Для генерирования поля на индукторе (роторе) расположены либо постоянные магниты, либо обмотка возбуждения В таких двигателях с вращающимся магнитным полем частота вращения ротора равна частоте вращающегося поля. Для уменьшения потерь вихревых токов статор выполнен из шихтованных, электрически изолированных друг от друга листов магнитного железа. Обмотка статора заложена в расположенные параллельно оси канавки между обращенных радиально вовнутрь полюсов статора и перекоммутирована При перемещении ротора с вращающимися изменяющимися магнитными полями они преодолевают воздушный зазор между полюсами ротора и статора и прорезают обмотки статора. Там из-за изменяющихся с каждым оборотом ротора магнитных полей возникает переменное напряжение, частота которого синхронна с частотой вращения ротора. Посредством подходящего расположения и соединения обмоток ротора синхронный двигатель может вырабатывать одно - или многофазовое переменное напряжение. В режиме генератора активная мощность определяется посредством угла выбега ротора, который определяется как угол поворота между ротором нагруженного двигателя и ненагруженного двигателя. Если угол поворота слишком большой, частота вращения двигателя сильно увеличивается, и двигатель за счет центробежной силы его деталей может быть разрушен. В таком рабочем состоянии он должен быть как можно скорее отключен и вновь синхронизирован.

Прежде всего при использовании в области авиации электрический/механический доступ к генератору в силу очевидных причин не возможен. Помимо этого электромеханический КПД синхронных двигателей ограничен не в последнюю очередь из-за лобовых частей обмоток.

Двигатели с поперечным потоком, по своей общей конструкции родственные синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, являются двигателями, которые в противоположность обычным двигателям с диаметральной обмоткой имеют обмотку по периметру. Магнитный поток протекает поперечно (перпендикулярно) к плоскости вращения. Ротор имеет несколько расположенных по оси друг рядом с другом колец постоянных магнитов, состоящих из одиночных магнитов. Они сориентированы в радиальном направлении с чередующимся магнитным направлением. Ротор имеет одну или несколько обмоток по периметру, которые содержат входящие друг в друга слабомагнитные полюсы. Когда ротор вращается относительно статора, через каждую катушку статора протекает магнитный переменный поток, который индуцирует напряжение генератора.

Развязка магнитного и электрического контура в двигателях с поперечным потоком облегчает определение параметров каждого из них. Помимо этого отсутствуют обычные в синхронных двигателях т.н. лобовые части обмотки, которые не способствуют формированию момента. Работающие по принципу поперечного потока двигатели могут тем самым в силу конструктивного выполнения иметь существенно меньшие омические потери по сравнению с сопоставимым по силе тяги мотором с продольным потоком. Тем самым возможен более мелкий полюсный шаг, из чего уже на малых частотах вращения складывается больший вращающий момент. Однако двигатели с поперечным потоком имеют сложную механическую конструкцию. Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов позволяют достичь более высоких КПД, однако необходимые для этого постоянные магниты требуют больших затрат.

С упомянутыми недостатками как синхронных, так и обычных двигателей с поперечным потоком в отдельных применениях еще можно мириться, однако в области авиации в силу высоких требований безопасности они являются неприемлемыми. В данном случае, возможно, случающиеся неисправности должны быть заблаговременно обнаружены, а возможность их избежания является решающей. Этому способствует допускающая ошибки конструкция силового агрегата и его компонентов, которая в случае неисправности не влечет за собой последующие повреждения.

Поэтому в основу рассматриваемого изобретения положена проблема разработки двигателя с поперечным потоком, который имеет высокую собственную надежность в работе, и который при все же случающейся неполадке возможно перевести в безопасное состояние (fail-safe - ссохраняющий работоспособность при отказе отдельных элементов).

Для решения этой проблемы изобретение описывает двигатель с поперечным потоком, в котором ротор имеет несколько, расположенных по оси друг рядом с другом колец постоянных магнитов, которые образованы отдельными магнитами с чередующейся в радиальном направлении магнитной ориентацией, статор по меньшей мере частями концентрически охватывает ротор с образованием воздушного зазора и имеет одну или несколько катушек статора, которые сориентированы соосно по отношению к кольцам постоянных магнитов, каждая из катушек статора имеет два подсоединения и на ее обращенной воздушным зазором к ротору стороне перекрыта входящими друг в друга полюсами, которые обращены к кольцам постоянных магнитов ротора и каждый из них расположен на одной линии с одним из отдельных магнитов, управляемый активный источник реактивной мощности, который имеет для каждой катушки статора два подсоединения, с которыми соединена соответствующая катушка статора, по меньшей мере одно контрольное устройство, которое в случае неисправности в одной или нескольких катушек статора вырабатывает управляющие сигналы для активных источников реактивной мощности так, что два подсоединения соответствующей катушки статора низкоомно соединены друг с другом.

В одном конструктивном исполнении катушки статора вставлены в статоре между двумя мягкомагнитными дисками статора, которые имеют на их обращенном воздушным зазором к ротору крае попеременно входящие друг в друга полюсы. На обращенной от воздушного зазора стороне катушки статора неразрезной край огибает один или оба диска статора катушки статора.

Благодаря такому выполнению генератора с более высокой компонентой магнитного поля рассеивания получают длительную стойкость к коротким замыканиям, которая в случае короткого замыкания понижает действующее (эффективное) значение тока до рабочего значения тока так, что отсутствует угроза нагрева или же перегрева. Помимо этого посредством источника реактивной мощности генератор переводится в безопасное рабочее состояние.

Контрольное устройство может быть очень просто устроено и настроено таким образом, чтобы в случае неисправности обнаруживать одно или несколько следующих состояний:

- короткое замыкание витка катушки статора,

- короткое замыкание нескольких витков катушки статора,

- короткое замыкание всех витков катушки статора,

- однократное замыкание на корпус катушки статора,

- многократное замыкание на корпус катушки статора,

- однократное замыкание на корпус нескольких катушек статора,

- многократное замыкание на корпус нескольких катушек статора,

- низкоомное соединение между двумя катушками статора,

- высокоомное соединение внутри катушки статора,

- высокоомное соединение между двумя катушками статора.

В одном конструктивном исполнении изобретения контрольное устройство может быть настроено для того, чтобы регистрировать протекающие в катушках статора токи и/или падения напряжения на катушках статора и сравнивать их друг с другом для обнаружения неисправности в одной или нескольких катушках статора.

Тем самым вызываемые посредством коротких замыканий или разрывов изменения ЭДС (электродвижущей силы), т.е. прилагаемого к подсоединениям ненагруженных катушек статора напряжения (=«электродвижущая сила»), и импеданса катушки в одной катушке статора по сравнению с другими катушками статора могут быть очень быстро распознаны. При этом отсутствуют какие-либо повышенные требования точности к трансформатору тока или трансформатору напряжения, т.к. в этих случаях импеданс и ЭДС изменяются значительно.

В одном дальнейшем конструктивном исполнении изобретения контрольное устройство может быть настроено для того, чтобы посредством расположенных на одной или нескольких катушках статора температурных датчиков регистрировать нагревы соответствующих катушек статора для обнаружения перегрузок, коротких замыканий или т.п. соответствующих катушек статора.

Это позволяет надежное, выборочное для каждой из катушек статора распознавание также скрытых неисправностей, которые позволяют себя обнаружить только за счет увеличенных потерь.

В одном дальнейшем конструктивном исполнении изобретения контрольное устройство может быть настроено для того, чтобы посредством цепи контроля потенциала контролировать замыкания на корпус одной или нескольких катушек статора для контроля изоляции.

В одном конструктивном исполнении изобретения активный источник реактивной мощности может иметь две полумостовые схемы включения электрических мощностей. При этом обе полумостовые схемы подключены для каждой из катушек статора в виде схемы полного моста. При этом необходимо отметить, что для преобразования выдаваемой при работе двигателем с поперечным потоком выходной мощности так или иначе применяют вентильный преобразователь. Этот вентильный преобразователь содержит в большинстве случаев полумостовые схемы такого рода для переключения электрических мощностей и поэтому выполняет в рассматриваемой конфигурации согласно изобретению двойную функцию: вентильного преобразователя и источника реактивной мощности.

Предпочтительно, обе полумостовые схемы имеют по меньшей мере два полупроводниковых переключателя, которые подключены последовательно В зависимости от переключаемых (реактивных) мощностей также возможно подключать параллельно несколько последовательно подключенных полупроводниковых переключателей такого рода. Каждый из полупроводниковых переключателей имеет управляющий вход. Первый полупроводниковый переключатель имеет первое силовое подсоединение, которое выполнено с возможностью соединения с потенциалом высокого напряжения. Второй полупроводниковый переключатель имеет второе силовое подсоединение, которое выполнено с возможностью соединения с потенциалом низкого напряжения. Второе силовое подсоединение каждого первого полупроводникового переключателя соединено с первым силовым подсоединением соответствующего второго полупроводникового переключателя с образованием подключения для катушки статора.

Далее, каждый из полупроводниковых переключателей может иметь безынерционный диод, который расположен параллельно обоим силовым подсоединениям соответствующего полупроводникового переключателя.

Контрольное устройство в случае неисправности управляет активным источником реактивной мощности таким образом, что в обеих полумостовых схемах либо вторые полупроводниковые переключатели остаются включенными в проводящем состоянии, а первые полупроводниковые переключатели остаются неуправляемыми, либо первые полупроводниковые переключатели остаются включенными в проводящем состоянии, а вторые полупроводниковые переключатели остаются неуправляемыми. В обоих случаях ток короткого замыкания направляется по контролируемому пути через соответствующий включенный в проводящем состоянии полупроводниковый переключатель.

Далее, изобретение предусматривает, что в двигателе с поперечным потоком катушки статора и их линейная токовая нагрузка сконфигурированы таким образом и имеют такие параметры, что в случае неисправности никогда не возникает намагничивающая сила, достигающая номинальной намагничивающей силы (=номинальный ток × число витков) Тем самым гарантируется, что даже при коротком замыкании обмотки в целом может протекать лишь ток ниже номинального значения. Это основано на том обстоятельстве, что отдаваемый катушкой статора ток со своей стороны приводит к дополнительному магнитному потоку через катушку статора, посредством чего в катушке статора самонаводится дополнительная часть напряжения, которая противодействует соответствующему изменению тока. Эта часть самоиндукции при пассивной оконечной нагрузке катушки статора за счет потребителя или также при коротком замыкании катушки статора ведет лишь к ограниченному току, а именно ниже номинального значения. В противоположность этому необходимый для полной отдачи мощности номинальный ток может образоваться только посредством взаимодействия катушки статора с источником реактивной мощности. Без активного генератора реактивной мощности, т.е. в случае неисправности, даже в случае короткого замыкания, никогда не образуется намагничивающая сила, которая приближенно достигает номинальной. Тем самым даже при коротком замыкании полной катушки статора образуется лишь ток менее номинального значения. Однако при коротком замыкании только одной части катушки статора, или же даже одного витка, локально протекающий там ток может достигать номинального значения или даже превышать его.

Возбуждение от постоянных магнитов ведет к постоянно наводимому напряжению в обмотке статора двигателя с поперечным потоком до тех пор, пока его ротор вращается относительно его статора. Тем самым отключение возникающего в случае короткого замыкания тока принципиально невозможно. Протекающий в случае короткого замыкания ток за счет выбора параметров в соответствии с изобретением максимально достигает значения номинального тока, которое долговременно может проводить обмотка. С другой стороны, ток короткого замыкания на месте неисправности представляет собой такую проблему, что на месте короткого замыкания даже через неопределенное сопротивление перехода локально высвобождается большая мощность, зачастую даже возникает электрическая дуга, которая способна длительное время, если не постоянно, гореть. Изобретение предлагает защиту против этой опасности посредством контролируемого короткого замыкания катушки статора

Другая опасность могла бы возникнуть при отключении инвертора или же соотнесенного полумоста при больших оборотах генератора, т.к. без ослабляющей поле части тока наведенное напряжение через безынерционный диод могло бы нагрузить подключенный промежуточный контур постоянного напряжения до недопустимо больших напряжений Изобретение обеспечивает защиту также и против этого посредством контролируемого короткого замыкания соответствующей катушки статора.

За счет этих мер двигатель с поперечным потоком во всем диапазоне частоты вращения при любых условиях долговременно остается в рабочем состоянии, не создавая угрозы прилегающим деталям. Лишь отдаваемая мощность уменьшается в соответствии с числом замкнутых накоротко катушек статора.

Все это приносит существенные преимущества для использования двигателя с поперечным потоком в соответствии с изобретением в области авиации.

Помимо этого по сравнению с обычными конструктивными исполнениями генераторов возможно выполнение, экономящее очень много конструктивного пространства (при сравнимой выходной мощности).

Другое существенное преимущество концепции согласно изобретению заключается в том, что инерционная масса ротора увеличивается лишь за счет магнитно-активных компонентов, в то время как все другие части мотора (катушки, магнитное обратное замыкание и т.п.) приданы статору. Тем самым возможно достижение особенно большого соотношения развиваемой электродвигателем силы к инерционной массе.

За счет очень просто выполненной, имеющей форму кольцевого диска компоновки катушки(-ек) статора электродвигателя возможно удерживать воздействующие на катушку силы вибрации настолько малыми, что вибрации катушки или трение катушки о стенку отсека катушек статора являются ничтожными. Тем самым возможно обойтись минимальным изоляционным материалом или же обшивочным материалом отсека катушек статора. Это также способствует компактности и надежности общей компоновки. Помимо этого это способствует большой удельной мощности также и при малых концепциях согласно изобретению, т.к. коэффициент наполнения (объем катушек в отсеке катушек статора на общий объем отсека катушек статора) является высоким.

Статор может быть выполнен известным способом из деталей, изготовленных из электротехнической листовой стали. Однако исходя из упрощения изготовления также возможно его по меньшей мере частичное изготовление в виде мягкомагнитной порошковой формовки, к примеру из спрессованного / или спеченного металлического порошка. Предпочтительно, статор изготовлен из массивного железа, т.к. даже при повышенных динамических требованиях характеристики вихревых токов в массивном железе являются удовлетворительными.

Несмотря на то что в вышеприведенном тексте речь шла о двигателе с поперечным потоком в виде генератора, также понятно, что тем самым возможен как режим генератора, так и двигательный (приводной) режим. Под термином «двигатель с поперечным потоком» в соответствии с изобретением понимают как генераторы, так и двигатели. Тем самым за счет изобретения возможно применять генератор для преобразования доступного крутящего момента в электрический ток. С другой стороны, электродвигатель в двигательном режиме может также приводить во вращение детали. При этом реализация изобретения возможна как в виде двигателя с внутренним ротором, так и в виде двигателя с наружным ротором.

За счет описанной выше конфигурации используется структурно обусловленная, относительно большая паразитная индуктивность статора или же катушки статора так, что в случае продолжительного короткого замыкания протекающий через катушку статора ток постоянно находится в некритичном, низком диапазоне. Посредством получаемой тем самым длительной стойкости к коротким замыканиям может быть обеспечена собственная (внутренняя) безопасность, в силу чего предлагаемая конструкция наилучшим образом подходит для авиационного сектора. Дополнительно управляемое отключение подверженной неисправности катушки статора обеспечивает избыточную, системно-независимую надежность.

Помимо этого изобретение предусматривает перевод тока короткого замыкания между отдельными участками обмотки катушки статора посредством контролируемого короткого замыкания всей катушки статора в безопасный диапазон.

Наконец, в другом конструктивном выполнении изобретения посредством специального выполнения катушки статора возможен вывод тока короткого замыкания с минимальным риском наружу. Для этого по меньшей мере одна из катушек статора образована из нескольких кольцевых участков, при этом в каждом случае несколько кольцевых участков образуют кольцо, которое расположено по отношению к соседним кольцам по существу концентрично, каждый кольцевой участок на по меньшей мере одном из своих двух концов соединен с находящимся далее снаружи или далее внутри кольцевым участком, и находящиеся радиально совсем снаружи кольцевые участки или радиально совсем внутри кольцевые участки на одном из их обоих концов соединены с находящимися радиально совсем внутри кольцевыми участками или же радиально совсем снаружи кольцевыми участками. Этот аспект изобретения, т.е. каким образом катушка статора может быть преимущественно выполнена, может быть использован согласно изобретению также независимо от управляемого посредством контрольного устройства источника реактивной мощности с существенным увеличением искробезопасности двигателя с поперечным потоком. Однако комбинированное использование предлагает особо высокую защиту от неисправностей.

Изобретение может быть использовано с преимуществом в передвижных или же стационарных применениях. Однако прежде всего изобретение используется во взаимосвязи с турбодвигателем, прежде всего газовой турбиной, прежде всего авиационной газовой турбиной, т.к. в этом контексте специфичные преимущества изобретения имеют особую значимость.

При этом двигатель с поперечным потоком соединен прежде всего без возможности поворота с вращающимся валом турбодвигателя. При использовании в авиационных газовых турбинах двигатель с поперечным потоком в области турбины низкого давления соединен с валом низкого давления, который легко доступен в задней части авиационной газовой турбины.

Как уже было упомянуто выше, двигатель с поперечным потоком может применяться в качестве генератора или в качестве двигателя/стартера. Однако двигатель с поперечным потоком преимущественно объединяет обе функции в одном, в виде т.н. стартового генератора. Изобретение может быть использовано с преимуществом в передвижных или же стационарных применениях.

Дальнейшие признаки, свойства, преимущества и возможные варианты осуществления будут понятны для специалиста из последующего описании, в котором приводится ссылка на прилагаемые чертежи.

Показано на:

фиг.1 - схематическое, частично в продольном разрезе изображение двигателя с поперечным потоком согласно изобретению в качестве стартового генератора газовой турбины, прежде всего авиационной газовой турбины,

фиг.2 - схематический, увеличенный частичный вид в перспективном разобранном изображении электродвигателя, который показан на фиг.1 в виде стартового генератора,

фиг.3 - схематическое изображение управляемого, активного источника реактивной мощности, который соединен с катушкой статора двигателя с поперечным потоком,

фиг.4 - схематическое изображение катушки статора двигателя с поперечным потоком согласно изобретению в виде сверху.

На фиг.1 показан двигатель с поперечным потоком в качестве стартового генератора в частичном продольном разрезе. С установленным с возможностью вращения валом 18 турбины 18 низкого давления (не представленном, так же как и газовая турбина в целом, из соображений наглядности) соединен без возможности поворота ротор 52 генератора 50. Для этого стартовый генератор может быть прежде всего прифланцован к валу. Ротор 52 имеет выполненную в виде полого цилиндра опору 54, на внешней поверхности которой закреплены несколько расположенных соосно по отношению к срединной продольной оси А, рядом друг с другом колец 56 постоянных магнитов. Кольца 56 постоянных магнитов образованы отдельными магнитами 56a, 56b, … с чередующейся в радиальном направлении магнитной ориентацией N, S, N, S (см. также фиг.2). Стартовый генератор 50 имеет статор 58, который выполнен из мягкомагнитного материала, например из выполненных из электротехнической листовой стали деталей. Также возможно его выполнение из спрессованного или спеченного металлического порошка. Статор 58 концентрически огибает ротор 52 с образованием воздушного зазора 60 и имеет несколько катушек 62 статора, которые сориентированы соосно по отношению к кольцам 56 постоянных магнитов и на одной с ними прямой. Каждая катушка 62 статора имеет два подсоединения 62a, 62b и на ее обращенной воздушным зазором 60 к ротору 52 стороне перекрыта мягкомагнитными, входящими друг в друга полюсами 64. Эти полюса 64 расположены на выполненном из электротехнического железа кольцевом диске 66a, 66b, на его соответствующей внутренней кромке вдоль всего внутреннего периметра. Полюса 64 входят друг в друга по принципу клювообразных полюсов, которые обращены к кольцам 56 постоянных магнитов ротора 52 и каждый их них расположен на одной прямой с единичными отдельными магнитами 56a, 56b. Это показано в деталях на фиг.2. Один или оба выполненных из электротехнической стали дисков 66a, 66b имеют на их внешней кромке кольцевое поперечное ребро 66с, которое имеет такие размеры, что оба выполненных из электротехнической стали диска 66a, 66b в собранном состоянии охватывают соответствующую катушку 62 статора. Полюса 64 обоих выполненных из электротехнической стали дисков 66а, 66b изолированы друг от друга посредством соответствующего промежутка. В соответствии с количеством катушек статора или же магнитных колец в генераторе (см. фиг.1) собирают показанные на фиг.2 конфигурации.

Необходимо отметить, что в данном случает интеграция стартового генератора в газовую турбину на валу низкого давления происходит в области турбины низкого давления, однако это может происходить и в другом месте. Для каждой из катушек 62 статора с двумя подсоединениями 62a, 62b предусмотрен электронно-управляемый, активный источник 70 реактивной мощности. Помимо этого предусмотрено по меньшей мере одно контрольное устройство 68, которое соединено с источником 70 реактивной мощности и в случае неисправности в одной или нескольких катушках 70 статора выдает управляющие сигналы для источника 70 реактивной мощности так, что два подсоединения 62a, 62b низкоомно (другими словами - накоротко) соединяются друг с другом.

Было установлено, что с этой конфигурацией, прежде всего в случае описываемого здесь использования в области авиации, возможно обнаружение большого числа различных неисправностей и приведение их в безопасное рабочее состояние. К ним относятся короткие замыкания одной, нескольких или всех обмоток одной или нескольких катушек 62 статора, или высокоомное соединение внутри одной катушки 62 статора, а также высокомное соединение между двумя катушками 62 статора.

Контрольное устройство 68 настроено для регистрации протекающих в катушках 62 статора токов и падений напряжений на катушках 62 статора и сравнения их друг с другом для обнаружения неисправности в одной или нескольких катушках 62 статора. Помимо этого контрольное устройство 68 настроено для регистрации нагрева катушек 62 статора посредством расположенных на некоторых катушках 62 статора температурных датчиков 74 для выявления перегрузок, коротких замыканий и т.п. указанных катушек 62 статора.

Помимо этого контрольное устройство 68 настроено посредством предназначенной для контроля изоляции схемы 76 контроля потенциалов для обнаружения замыканий на корпус одной или нескольких катушек 62 статора. Точное расположение предназначенных для этого температурных датчиков и датчиков тока/напряжения на катушках статора для обеспечения наглядности в деталях не представлено.

На фиг.3 показан источник 70 реактивной мощности. Он имеет две полумостовые схемы 80, 82 для включения электрических нагрузок. Каждая из обеих полумостовых схем 80, 82 имеет по меньшей мере два, основанных на МОП - транзисторах полупроводниковых реле 84, 86; 84', 86' нагрузки, которые включены последовательно.

Каждое из полупроводниковых реле 84, 86 является n-каналом МОП - транзистора с управляющим входом G (=затвор). Первый полупроводниковый переключатель имеет первое силовое подсоединение S (=исток), которое выполнено с возможностью соединения с потенциалом V_ss высокого напряжения. Второе полупроводниковое реле 86 имеет второе силовое подсоединение D (=сток), которое может быть соединено с потенциалом V_dd низкого напряжения.

Второе силовое подсоединение D (=сток) каждого первого полупроводникового реле 84 соединено с первым силовым подсоединением S (=исток) каждого второго полупроводникового реле 86, образуя при этом подсоединение 62a, 62b катушки 62 статора. Каждое из полупроводниковых реле 84, 86; 84', 86' имеет внутренний безынерционный диод, включенный параллельно обоим силовым подключениям каждого из полупроводниковых реле и имеющий свойства кремневого полупроводникового диода с p-n-переходом.

Между потенциалом V_ss высокого напряжения и потенциалом V_dd низкого напряжения предусмотрен вспомогательный конденсатор 88. Управление МОП - транзистором происходит на его управляющих входах G через (не показаны) резисторы затвора посредством управляющей схемы ECU.

Управляющая схема включает в себя контрольное устройство 68 со схемой 76 контроля потенциалов и датчиками 74 температуры. Она способна посредством регистрации протекающих в катушках 62 статора токов или же падений напряжений на катушках 62 статора, а также температуры непосредственно обнаруживать неисправность и управлять в таком случае активным источником 70 реактивной мощности через управляющие входы таким образом, что в обеих полумостовых схемах 80, 82 либо вторые полупроводниковые реле 86, 86' остаются включенными в проводящее состоянии, а первые полупроводниковые реле 84, 84' остаются неуправляемыми, либо первые полупроводниковые реле 84, 84' остаются включенными в проводящем состоянии, а вторые полупроводниковые реле 86, 86' остаются неуправляемыми. В обоих случаях соответствующая катушка 62 статора замкнута накоротко. Также в случае, когда вышеупомянутое устройство исходит из того, что контролируемо получаемое короткое замыкание достигается посредством и так уже имеющегося у генератора вентильным преобразователем во взаимодействии с контрольным устройством 68, необходимо установить, что оно может быть также получено независимым от вентильного преобразователя переключателем (полупроводниковым реле или реле) и включено в рассматриваемое изобретение.

В случае производимого таким образом контролируемого короткого замыкания соответствующая катушка статора выдает лишь очень малую часть возможной пропорциональной номинальной мощности, в то время как преобразователь постоянного тока в переменный подводит (реактивный) ток пока еще регулируемо и к соответствующей катушке статора. Максимально воспринятый крутящий момент в соответствующем диске уменьшается на его составляющую в номинальном крутящем моменте. Тем самым уменьшается максимально воспринимаемый крутящий момент генератора в целом. Однако при возникновении неисправности во время выдачи очень малой мощности или вовсе в режиме холостого хода воспринятый крутящий момент может тем самым спонтанно возрасти.

Распространение короткого замыкания на другие катушки статора, прежде всего расположенные по соседству катушки статора, исключены в силу разделения посредством статорного железа. Защитные меры включаются достаточно быстро для того, чтобы предотвратить сквозное прожигание выполненного из электротехнического железа диска железа между катушками статора или повреждение соседней катушки за счет возникающего локального нагрева посредством выполненного из электротехнического железа диска.

Для наглядности на фиг.3 показана только одна катушка статора с соотнесенным с ней источником реактивной мощности/ вентильным преобразователем, который соотнесен с контрольным устройством 68. Однако в соответствии с изобретением все катушки статора выполнены таким образом, что соответствующие источники реактивной мощности/ вентильные преобразователи получают управляющие сигналы от одного общего контрольного устройства 68, которые получают их информацию от датчиков, расположенных на всех катушках статора генераторного статора. Т.к. для работы в режиме генератора вентильный преобразователь должен быть управляем посредством электронного управления таким образом, что протекающий пульсирующий ток в катушках статора преобразуется в соответствующий полезный (активный) ток, это электронное управление должно быть оснащено соответствующими датчиками и чувствительными по току/напряжению элементами и быть соответственно запрограммировано/сконфигурировано, а также обеспечивать функцию контрольного устройства 68.

Параметры катушек 62 статора и их линейной токовой нагрузки должны быть выбраны таким образом, чтобы в случае неисправности никогда не возникала намагничивающая сила, достигающая номинальной намагничивающей силы катушек 62 статора. Тем самым прежде всего в контролируемом случае короткого замыкания можно достичь, что в предпочтительном варианте осуществления изобретения установившийся за счет короткозамкнутых катушек статора ток составляет менее половины номинального тока. Структурно-обусловленный незначительный ток короткого замыкания такого рода означает существенную безопасность.

Каждая из катушек 62 статора выполнена из нескольких кольцевых участков 1a … 4d (см. фиг.4). В представленном конструктивном варианте кольцевые участки являются приблизительно разделенными на четыре части кольцами, из которых соответственно четыре участка с одинаковым радиусом кривизны вместе образуют кольцо с разрывами. При этом несколько колец (например, четыре) расположены по отношению к соседним кольцам по существу концентрически.

Каждый из отдельных кольцевых участков 1a … 4d имеет два конца. Одним из двух концов каждый кольцевой участок соединен с примыкающим кольцевым участком, расположенным далее снаружи, или с примыкающим кольцевым участком, расположенным далее внутри. Так, например, кольцевой участок 2b соединен на своем кольце с кольцевым участком 1a, а своим другим концом - с кольцевым участком 3c.

Расположенные радиально полностью снаружи или полностью внутри кольцевые участки 1a, 2a, 3a, 4a или же 1d, 2d, 3d, 4d соединены одним из их двух концов с расположенными полностью внутри или же полностью снаружи кольцевыми участками. Так, к примеру кольцевой участок 1d соединен одним своим концом с кольцевым участком 2a.

Отдельные концы кольцевых участков электропроводяще соединены с соединительными деталями 90. Соединительные детали 90 перекрещиваются между концами кольцевых участков. Поэтому фиг.3 показывает конструктивный вариант выполнения, каким образом соединительные элементы 90 могут быть снабжены соответствующими, подходящими друг к другу, открытыми со стороны края выемками 92.

В целом, за счет вышеописанного выполнения катушек статора возможно достижение особенно простой, а также малогабаритной и компактной конфигурации катушек 62 статора.

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к электрическим машинам, и касается выполнения двигателей с поперечным потоком, используемых, в частности, в области авиации. В предлагаемом двигателе с поперечным потоком ротор имеет несколько расположенных по оси друг рядом с другом колец постоянных магнитов, образованных отдельными магнитами с чередующейся в радиальном направлении магнитной ориентацией. Статор имеет несколько катушек, сориентированных соосно по отношению к кольцам постоянных магнитов ротора. Каждая из катушек статора имеет два подсоединения и на ее обращенной к ротору стороне перекрыта входящими друг в друга полюсами, которые обращены к кольцам постоянных магнитов ротора. Каждый из полюсов расположен на одной линий с одним из отдельных магнитов. Управляемый активный источник реактивной мощности имеет для каждой катушки статора два подсоединения, с которыми соединена соответствующая катушка статора. Контрольное устройство в случае неисправности в одной или нескольких катушках статора вырабатывает управляющие сигналы для активных источников реактивной мощности так, что два подсоединения соответствующей катушки статора низкоомно соединяются друг с другом. Кроме того, предлагаемый двигатель с поперечным потоком может быть использован в качестве стартового генератора для турбодвигателя и при этом соединен без возможности поворота с вращающимся валом турбодвигателя. Технический результат - обеспечение высокой собственной надежности в работе двигателя с поперечным потоком при одновременном обеспечении возможности его перевода в безопасное состояние при неполадках. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель с поперечным потоком, в котором
ротор (52) имеет несколько расположенных по оси рядом друг с другом колец (56) постоянных магнитов, которые образованы отдельными магнитами (56а, 56b, 56с, …) с чередующейся в радиальном направлении магнитной ориентацией (N, S),
статор (58), по меньшей мере, частями концентрически охватывает ротор (52) с образованием воздушного зазора (60) и имеет одну или несколько катушек (62) статора, которые сориентированы соосно по отношению к кольцам (56) постоянных магнитов,
каждая из катушек (62) статора имеет два подсоединения (62а, 62b) и на ее обращенной воздушным зазором (60) к ротору (52) стороне перекрыта входящими друг в друга полюсами (64), которые обращены к кольцам постоянных магнитов ротора и каждый из них расположен на одной линии с одним из отдельных магнитов (56а, 56b, 56 с, …),
управляемый активный источник (70) реактивной мощности, который имеет для каждой катушки (62) статора два подсоединения, с которыми соединена соответствующая катушка (62) статора,
по меньшей мере, одно контрольное устройство (68), которое в случае неисправности в одной или нескольких катушек (62) статора вырабатывает управляющие сигналы для активных источников (70) реактивной мощности так, что два подсоединения соответствующей катушки (62) статора низкоомно соединяются друг с другом.

2. Двигатель с поперечным потоком по п.1, в котором контрольное устройство (68) настроено таким образом, чтобы в случае неисправности обнаруживать одно или несколько следующих состояний:
короткое замыкание витка катушки статора,
короткое замыкание нескольких витков катушки статора,
короткое замыкание всех витков катушки статора,
однократное замыкание на корпус катушки статора,
многократное замыкание на корпус катушки статора,
однократное замыкание на корпус нескольких катушек статора,
многократное замыкание на корпус нескольких катушек статора, низкоомное соединение между двумя катушками статора, высокоомное соединение внутри катушки статора,
высокоомное соединение между двумя катушками статора.

3. Двигатель с поперечным потоком по п.2, в котором контрольное устройство (68) настроено для того, чтобы регистрировать протекающие в катушках статора токи и/или падения напряжения на катушках статора и сравнивать их друг с другом для обнаружения неисправности в одной или нескольких катушках статора.

4. Двигатель с поперечным потоком по п.2, в котором контрольное устройство (68) настроено для того, чтобы посредством расположенных на одной или нескольких катушках статора температурных датчиков регистрировать нагревы соответствующих катушек статора для обнаружения перегрузок, коротких замыканий или т.п.соответствующих катушек статора.

5. Двигатель с поперечным потоком по п.2, в котором контрольное устройство (68) настроено для того, чтобы посредством цепи контроля потенциала контролировать замыкания на корпус одной или нескольких катушек статора для контроля изоляции.

6. Двигатель с поперечным потоком по любому из пп.1-5, в котором активный источник (70) реактивной мощности имеет две полумостовые схемы включения электрических мощностей.

7. Двигатель с поперечным потоком по п.6, в котором обе полумостовые схемы имеют, по меньшей мере, два последовательно подключенные полупроводниковых переключателя, и
каждый полупроводниковый переключатель имеет управляющий вход (G), первый полупроводниковый переключатель имеет первое силовое подсоединение (S), которое выполнено с возможностью соединения с потенциалом высокого напряжения (VSS),
второй полупроводниковый переключатель имеет второе силовое подсоединение (D), которое выполнено с возможностью соединения с потенциалом низкого напряжения (VDD), и
второе силовое подсоединение (D) каждого первого полупроводникового переключателя соединено с первым силовым подсоединением (S) соответствующего второго полупроводникового переключателя с образованием подключения для катушки статора.

8. Двигатель с поперечным потоком по п.7, в котором контрольное устройство в случае неисправности управляет активным источником реактивной мощности таким образом, что в обеих полумостовых схемах либо
вторые полупроводниковые переключатели остаются включенными в проводящем состоянии, а первые полупроводниковые переключатели остаются неуправляемыми, либо
первые полупроводниковые переключатели остаются включенными в проводящем состоянии, а вторые полупроводниковые переключатели остаются неуправляемыми.

9. Двигатель с поперечным потоком по п.8, в котором каждый из полупроводниковых переключателей имеет безинерционный диод, который расположен параллельно к обоим силовым подсоединением соответствующего полупроводникового переключателя.

10. Двигатель с поперечным потоком по одному из пп.1-5, в котором катушки статора и их линейная токовая нагрузка имеют такие параметры, что в случае неисправности никогда не возникает намагничивающая сила, достигающая номинальной намагничивающей силы.

11. Двигатель с поперечным потоком по любому из пп.1-5, в котором ротор является мягкомагнитной порошковой формовкой, предпочтительно из спрессованного и/или спеченного металлического порошка.

12. Двигатель с поперечным потоком по любому из пп.1-5, в котором, по меньшей мере, одна из катушек статора образована из нескольких кольцевых участков (1a … 4d), при этом
в каждом случае несколько кольцевых участков (1a … 4d) образуют кольцо (1а, 2а, 3а, 4а; … 1d, 2d, 3d, 4d), которое расположено по отношению к соседним кольцам по существу концентрично,
каждый кольцевой участок (1a … 4d) на, по меньшей мере, одном из своих двух концов соединен с находящимся далее снаружи или далее внутри кольцевым участком, и
находящиеся радиально полностью снаружи кольцевые участки (1d, 2d, 3d, 4d) или радиально полностью внутри кольцевые участки (1а, 2а, 3а, 4а) на одном из их обоих концов соединены с находящимися радиально полностью внутри кольцевыми участками (1а, 2а, 3а, 4а) или же радиально полностью снаружи кольцевыми участками (1d, 2d, 3d, 4d).

13. Двигатель с поперечным потоком по любому из пп.1-5 в котором ротор, по меньшей мере, частично выполнен из мягкомагнитного материала.

14. Турбодвигатель, прежде всего газовая турбина, прежде всего авиационная газовая турбина с двигателем с поперечным потоком по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что двигатель с поперечным потоком соединен без возможности поворота с вращающимся валом турбодвигателя.

15. Турбодвигатель по п.14, отличающийся тем, что двигатель с поперечным потоком выполнен в виде генератора.

16. Турбодвигатель по п.14, отличающийся тем, что двигатель с поперечным потоком выполнен в виде стартового генератора.