РЕАКТИВНАЯ МАШИНА Российский патент 2011 года по МПК H02K19/24 H02K19/22 H02K1/06 

Область техники

Изобретение относится к области электротехники, конкретно к устройству электрических машин, и может быть использовано в составе исполнительных механизмов систем автоматического управления, например в системах управления положением и (или) позиционированием регулирующего (управляющего) органа, в частности в системах управления и защиты ядерных реакторов.

Известна реактивная машина, содержащая зубчатый статор с Z₁ равномерно распределенными зубцами, охваченными катушками 2р-полюсной обмотки управления (см., например, книгу авт. А.В.Иванова-Смоленского «Электрические машины». Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980, с.180, рис.20-5). Недостатком этой машины является зависимость пускового момента при ее работе в двигательном режиме от начального углового положения ротора, вплоть до нулевого или отрицательного значения момента, при определенных угловых положениях ротора.

Известна также электрическая машина (шаговый двигатель), которая способна работать как индукторная в двигательном режиме, и как реактивная - в генераторном режиме, благодаря использованию постоянных магнитов на роторе и совмещенной обмотки якоря на статоре, с соотношением числа пар полюсов двигательного и генераторного режимов 2:1. Генераторный режим обеспечивается подключением емкостной нагрузки к выводам средних точек параллельных ветвей в одной или нескольких фазах многофазной обмотки якоря (см. авт. свид. СССР №1454208, МПК⁷ H02K 37/00, опубл. 20.11.1999 г., Бюл. №32, ч.II).

Однако в известной электрической машине магнитоэлектрический пакет используется для создания полного рабочего магнитного потока поля возбуждения разноименно-полюсной синхронной машины. Для получения необходимой мощности или момента постоянные магниты, которые создают это поле, должны обладать достаточно большим объемом, поэтому магнитоэлектрический пакет ротора, предназначенный для работы исключительно в генераторном режиме, приходится увеличивать, за счет осевой длины зубчатого магнитопровода ротора, который создает вращающий момент в двигательном режиме. В связи с этим недостатком этой машины является плохие массогабаритные показатели, кроме этого эта машина имеет сложную конструкцию обмотки якоря со значительным числом выводов для соединения с внешними цепями, что особенно нежелательно при соединении внешних цепей с обмоткой якоря посредством гермовводов.

Наиболее близкой к заявляемой машине является реактивная машина, которая содержит зубчатый статор с Z₁ равномерно распределенными зубцами, охваченными катушками 2р-полюсной обмотки якоря, с установленным внутри статора зубчатым ротором (см., например, книгу авт. Д.Э.Брускина и др. Электрические машины, ч.2. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1979, с.147, рис.9-16, где показан вариант исполнения ротора с числом зубцов Z₂=Z₁-2p).

Число зубцов ротора этой машины определяется из соотношения

где Z₁ - число зубцов статора;

- Z₂ - число зубцов ротора;

- p - число пар полюсов многофазной обмотки якоря.

Однако эту машину сложно использовать в генераторном режиме работы, поскольку при работе и в двигательном, и в генераторном режимах все участки ее магнитной цепи непрерывно меняют свою намагниченность на противоположную, что приводит к отсутствию участков остаточной намагниченности. Указанный недостаток существенно ограничивает область применения известной электрической машины.

Целью изобретения является расширение области применения реактивной машины, за счет обеспечения возможности перехода ее работы в генераторный режим путем обеспечения самовозбуждения на емкостной нагрузке.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемой реактивной машине, содержащей зубчатый статор с Z₁ равномерно распределенными зубцами, охваченными катушками 2р-полюсной однофазной или многофазной обмотки якоря, внутри которого установлен зубчатый ротор с количеством зубцов, равном Z₂=Z₁±2p, на роторе установлен дополнительный магнитопровод, состоящий из расположенных с ним на общем валу зубчатого пакета с числом зубцов, равном Z₂, и кольцеобразного постоянного магнита, намагниченного в осевом направлении, одна плоскость которого примыкает к торцевой поверхности зубчатого ротора, а другая плоскость - к торцевой поверхности зубчатого пакета дополнительного магнитопровода, причем обмотка якоря снабжена дополнительными выводами для подключения конденсаторов, а активное сопротивление каждой ее фазы составляет менее одной четвертой разности максимального и минимального индуктивного сопротивления на установившейся частоте принудительного вращения ротора в генераторном режиме.

Пример осуществления изобретения поясняется чертежами, где:

- фиг.1 - продольный разрез по Б-Б (см. фиг.3) в варианте с трехфазной двухполюсной обмоткой якоря;

- фиг.2 - поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения, в варианте с трехфазной двухполюсной обмоткой якоря;

- фиг.3 - вид ротора реактивной машины по фиг.1 со стороны магнитоэлектрического пакета;

- фиг.4 - электрическая схема соединения катушек в варианте с трехфазной двухполюсной обмоткой якоря;

- фиг.5 - поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения в варианте с четырехфазной двухполюсной обмоткой якоря и двумя катушками на каждом полюсе;

- фиг.6 - ротор по фиг.5 со стороны магнитоэлектрического пакета в поперечном и продольном разрезах;

- фиг.7 - электрическая схема соединения катушек в варианте с четырехфазной обмоткой якоря.

На чертежах позициями отмечены:

- 1 - статор;

- 2 - зубцы статора;

- 3 - катушки;

- 4 - зубчатый ротор;

- 5 - вал ротора;

- 6 - фланец;

- 7 - фланец;

- 8 - когтеобразные полюсные выступы фланца 6;

- 9 - когтеобразные полюсные выступы фланца 7;

- 10 - постоянный магнит.

Описание изобретения (пример).

Устройство содержит (см. фиг.1 и 2) статор 1 с Z₁ равномерно распределенными зубцами 2, охваченными катушками 3, и зубчатый ротор 4. Катушки 3 соединены в m-фазную звезду и образуют 2р-полюсную обмотку якоря.

Минимальное число фаз обмотки якоря составляет m=3 (см. фиг.3). Каждый полюс в ее фазе образован одной катушкой. Так, в двухполюсном варианте обмотки, представленной на фиг.3, число пар полюсов 2р=2, поэтому при обтекании фазы током одна катушка образует «южный» полюс и одна катушка образует «северный» полюс обмотки. Общее число зубцов и катушек или катушечных групп, по одной на каждом зубце, составляет Z₁=2p×m, что в варианте с трехфазной двухполюсной обмоткой якоря составляет шесть.

Число зубцов зубчатого магнитопровода ротора для реактивной машины определяется соотношением Z₂=Z₁±2p, и в представленном на фиг.1÷3 варианте исполнения реактивной машины оно равно четырем.

Ротор 4 снабжен магнитоэлектрическим пакетом (см. фиг.2), состоящий из установленного на валу ротора 5 фланцев 6 и 7 с когтеобразными полюсными выступами 8 и 9, между которыми установлен кольцеобразный постоянный магнит 10. Магнитоэлектрический пакет образует по окружности Z₂ полюсов чередующейся полярности, т.е. количество полюсов равное числу зубцов зубчатого магнитопровода ротора 4. В изображенном на фиг.2 и 3 варианте таких полюсов два: один «северный» и один «южный». Магнит 10 намагничен в осевом направлении. Одна его плоскость примыкает к торцевой поверхности зубчатого фланца 6, другая его плоскость примыкает к торцевой поверхности фланца 7 магнитоэлектрического пакета.

Ротор установлен в статоре и закрыт подшипниковыми щитами с подшипниками (см. фиг.1). Катушки соединены в многофазную, например трехфазную обмотку якоря (см. фиг.3, где индекс при цифровом обозначении поз.3 обозначает номер каждой из них, отсчитываемый вдоль окружности статора, начиная от катушки, произвольно выбранной за первую). Фазы обмотки сопряжены между собой в звезду и подсоединены к зажимам А, В, С соответствующих фаз. Допускается также соединение в многоугольник или независимое включение фаз в разные электрические цепи. При этом активное и индуктивное сопротивления фаз обмотки якоря подобраны таким образом, что активное сопротивление фазы составляет менее одной четвертой разности ее максимального и минимального индуктивного сопротивления. Таким индуктивным сопротивлением фаза должна обладать на установившейся частоте принудительного вращения ротора в генераторном режиме. Максимальное значение индуктивности фазы имеет место при совпадении пространственной оси фазы с осями зубцов зубчатого ротора 4. Минимальное значение индуктивности фазы имеет место при совпадении пространственных осей полюсов с осями пазов (межзубцовых промежутков) зубчатого ротора 4.

Реактивная машина работает следующим образом.

При подключении зажимов А, В, С обмотки якоря к многофазному источнику переменного напряжения в ее рабочем зазоре создается вращающееся 2р-полюсное магнитное поле. Это поле замыкается через зубчатый ротор 4 и приводит его во вращение с частотой в сторону вращения поля, при Z₂=Z₁+2p, или в сторону, противоположную направлению вращения поля, при Z₂=Z₁-2p. Некоторая часть магнитного потока ответвляется в зубчатый пакет 6 дополнительного магнитопровода и пересекает зазор между ним и статором 1 с зубцами 2 в обратном направлении, обтекая постоянный магнит 10. Если в этом режиме (при подключенном источнике трехфазного напряжения) к валу 5 машины подсоединить механическую нагрузку, то реактивная машина будет работать двигателем, совершая полезную работу.

При обесточивании машины и приведении во вращение ее вала от внешней механической нагрузки с некоторой установившейся угловой частотой ω_y, машина способна работать в генераторном режиме, вырабатывая электрическую энергию. При этом, если к обмотке якоря подключить конденсаторы (С1÷С3 см. фиг.4), то машина будет развивать тормозной электромагнитный момент.

В этом режиме машина работает следующим образом.

Магнитный поток постоянного магнита 10 замыкается через фланец 6 и его когтеобразные полюсные выступы 8, воздушный зазор между ними и зубцами 2 статора 1, через зубцы 2 и статор 1. Далее этот поток вновь замыкается через зубцы 2 статора 1, теперь уже в обратном направлении. После пересечения воздушного зазора между зубцами 2 статора и зубчатым ротором 4 поток замыкается с противоположной торцевой стороны (плоскости) постоянного магнита 10, через зубчатый ротор 4 и фланец 7 с его когтеобразными полюсными выступами 9.

Поток постоянного магнита 10 наводит ЭДС на зажимах А, В, С. Так как к этим зажимам подключены конденсаторы С1÷С3, по обмотке якоря потечет намагничивающий ток. Он создает 2р=2 - полюсное магнитное поле реакции якоря.

Поле реакции якоря замыкается в радиальном направлении, по пути наименьшего магнитного сопротивления. Оно минует постоянный магнит и замыкается через зубцы 2 статора 1, зазор между ним и ротором, через зубцы 2 статора 1, зазор между ним и зубчатым магнитопроводом ротора 4, зубчатый магнитопровод ротора 4, и далее в обратном направлении через зазор и статор. Вследствие небольшой величины магнитного сопротивления поток реакции якоря будет большим, по сравнению с начальным, обусловленным только полем постоянного магнита 10 магнитоэлектрического пакета. Это приводит к еще большему увеличению тока, вызывающему дальнейший рост потока реакции якоря, и так далее, до тех пор, пока насыщение магнитной цепи двигателя, образованной участками деталей поз.1, 2 и 4, не ограничит нарастание магнитного потока. В этом состоянии будет иметь место резонанс напряжений, обусловленный равенством индуктивного сопротивления обмотки якоря машины и емкостного сопротивления конденсаторов С1÷С3.

Изложенный процесс называется процессом самовозбуждения синхронного генератора. Он возможен при соблюдении следующего условия (см. книгу авт. А.В.Иванова-Смоленского «Электрические машины». Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980, с.585, фиг.57-10)

R_ф - активное сопротивление фазы обмотки якоря;

X_d - индуктивное сопротивление генератора по продольной оси;

X_q - индуктивное сопротивление генератора по поперечной оси.

Преобразование условия (1) применительно к обмотке якоря предложенной реактивной машины, работающей в генераторном режиме, дает один из отличительных признаков заявляемого технического решения

,

где X_max - максимальное индуктивное сопротивление фазы обмотки якоря на частоте принудительного вращения ротора в генераторном режиме;

- ω_y=2π·f. Оно имеет место при совпадении пространственной оси фазы с осями зубцов зубчатого магнитопровода ротора 4.

X_max=ω_yL_max,

где L_max - максимальная индуктивность фазы. Она обусловлена максимальной проводимостью воздушного зазора под полюсами с катушками данной фазы.

- X_min - минимальное индуктивное сопротивление на частоте принудительного вращения ротора в генераторном режиме. Оно имеет место при совпадении пространственной оси фазы с осями пазов зубчатого магнитопровода ротора 4.

X_min=ω_yL_min,

где L_min - минимальная индуктивность фазы. Она обусловлена минимальной проводимостью воздушного зазора с катушками данной фазы.

Емкость С конденсатора, необходимого для самовозбуждения реактивной машины в генераторном режиме, выбирается таким образом, чтобы емкостное сопротивление X_C на установившейся частоте вращения ротора находилось в пределах

,

где

Предложенная машина может быть выполнена с любым числом фаз m обмотки якоря и при любой схеме подключения конденсаторов, предусмотренной схемой обмотки якоря. Например, машина с четырехфазной (m=4) двухполюсной, 2р₁=2, обмоткой якоря (фиг.4-6) в соответствии с предлагаемым техническим решением, содержит

равномерно распределенных зубцов 2 на статоре 1. Число зубцов зубчатого магнитопровода ротора может составлять

Z₂=Z₁±2p₁=8±2=6 (как на фиг.5) или 10.

Катушки 3 в этой модификации предлагаемой реактивной машины подразделены на две последовательно соединенные секции с равным числом витков. Секции в фазах включены последовательно-параллельно, с включением секций одной и той же катушки в разные параллельные ветви (фиг.7).

Эта машина работает аналогично трехфазной, которая была рассмотрена выше. При этом конденсаторы, необходимые для самовозбуждения в генераторном режиме, можно подключать параллельно каждой фазе: А, В, С и D, без электрического сопряжения фаз между собой (на фиг.7 не показано).

По сравнению с прототипом предложенная машина обладает более широкой областью применения, поскольку она способна переходить в генераторный режим после полного обесточивания, вырабатывать по окончании процесса самовозбуждения электрическую мощность и развивать тормозной электромагнитный момент.

По сравнению с базовым изделием (см. второй из рассмотренных аналогов) она обладает более высокими массогабаритными показателями, за счет значительно (в 3-5 раз) меньших размеров магнитоэлектрической секции на роторе, которая предназначена исключительно для создания остаточного магнитного потока двигателя, а не рабочего магнитного потока возбуждения. В отличие от базового изделия функцию рабочего магнитного потока в генераторном режиме в предлагаемой реактивной машине выполняет поток реакции якоря.

Предполагается использование предлагаемой реактивной машины в исполнительном механизме системы управления и защиты ядерного реактора, совмещающего функции позиционирования, перемещения и аварийного опускания регулирующего органа. Работы находятся в стадии технического проекта.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к реактивным электрическим машинам, и может быть использовано в системах автоматического управления положением и перемещением регулирующего органа. Предлагаемая реактивная машина содержит зубчатый статор с Z₁ зубцами, охваченными катушками m-фазной 2р-полюсной обмотки якоря, снабжена зажимами для подключения конденсаторов, и ротор, на валу которого установлен зубчатый магнитопровод с Z₂=Z₁±2р зубцами. На валу установлен также магнитоэлектрический пакет, образующий по окружности ротора Z₂ полюсов чередующейся полярности. Активное сопротивление каждой фазы обмотки якоря составляет менее одной четвертой разности ее максимального и минимального индуктивного сопротивления, определяемого на установившейся частоте принудительного вращения ротора в генераторном режиме. Благодаря введению магнитоэлектрического пакета на роторе, а также использованию обмотки с обозначенным соотношением активных и индуктивных параметров, предлагаемая реактивная машина способна работать в генераторном режиме путем самовозбуждения на емкостную нагрузку, развивая при этом тормозной электромагнитный момент, что обеспечивает достижение технического результата, состоящего в расширении области использования реактивной машины. 7 ил.

Реактивная машина, содержащая зубчатый статор с равномерно распределенными зубцами, каждый из которых охвачен катушками однофазной или многофазной обмотки якоря с четным числом пар полюсов, и установленный внутри статора зубчатый ротор, магнитопровод которого имеет количество зубцов, большее или меньшее количества зубцов статора, при этом разница между количеством зубцов статора и ротора равна числу полюсов обмотки якоря, отличающаяся тем, что активное сопротивление каждой фазы обмотки якоря составляет менее одной четвертой разности ее максимального и минимального индуктивного сопротивления, определяемого при установившейся частоте вращения ротора в генераторном режиме, причем обмотка якоря снабжена дополнительными выводами для подключения емкостной нагрузки, а на роторе установлен постоянный магнит, снабженный дополнительным зубчатым магнитопроводом, образующим по окружности ротора полюса чередующейся полярности, количество которых равно числу зубцов ротора.