ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С МОДУЛИРОВАННОЙ МДС ЯКОРЯ Российский патент 2011 года по МПК H02K19/10 H02K19/16 H02K1/06 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и электрическим генераторам, касается конструктивного исполнения электрических машин с контактными кольцами и может быть использовано в системах автоматики, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, многофазных синхронных электрических двигателей и генераторов преобразователей частоты и многофазных источников питания электрическим током.

Известны конструкции синхронных машин с трехфазной обмоткой якоря и обмоткой возбуждения индуктора (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. Стр.490÷513). Якорь выполняется неявнополюсным, несущим трехфазную распределенную разноименно-полюсную р-периодную обмотку, индуктор выполняется явнополюсным или неявнополюсным, несущим разноименно-полюсную 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, которая имеет меньшую 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, a 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, увеличение удельного (отнесенного к массе активных материалов) момента на валу, снижение пульсаций вращающего момента, вибрации и шума электрической машины за счет выполнения ее многофазной и с модулированной магнитодвижущей силой (далее - МДС) якоря.

Существенным признаком, отличающим настоящее изобретение от прототипа, является наличие щеточно-контактного узла, позволяющего питать обмотку возбуждения индуктора значительным постоянным (выпрямленным) током и, следовательно, повысить электромагнитные нагрузки, а также плавно управлять выходными параметрами электрической машины.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа явно выраженных полюсов якоря при выполнении сосредоточенной на них m-фазной катушечной обмотки якоря и числа явно выраженных полюсов индуктора при выполнении сосредоточенной на них катушечной обмотки возбуждения индуктора электрической машины с модулированной МДС якоря.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение применения электрической машины с контактными кольцами, обладающей высокой технологичностью, надежностью, ремонтопригодностью, обеспечение высоких энергетических показателей, большого удельного вращающего момента на валу в режиме электрического двигателя и большой удельной мощности в режиме электрического генератора электрической машины с модулированной МДС якоря.

С целью достижения задачи и технического результата изобретения статор содержит шихтованный из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью сердечник якоря с явно выраженными полюсами и катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, ротор содержит шихтованный из листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью сердечник индуктора с явно выраженными полюсами и катушечной обмоткой возбуждения, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе индуктора по одной на полюсе, создающей при протекании по ней постоянного (выпрямленного) тока магнитный поток возбуждения индуктора с образующейся в воздушном зазоре чередующейся полярностью «N-S» магнитных полюсов. Сердечник индуктора насажен на втулку или непосредственно на вал (при малых диаметрах ротора). С целью повышения технологичности обмоточных работ и увеличения коэффициента заполнения паза явно выраженные полюса индуктора могут выполняться отъемными и крепиться непосредственно к втулке или валу (при малых диаметрах вала). Кроме этого ротор может быть выполнен с когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой возбуждения индуктора. Возможны исполнения машины с модулированной МДС якоря с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.

Обмотка возбуждения индуктора через контактные кольца и щетки может подключаться к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения, а также - к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря через диодный m-фазный мост.

При применении электрической машины с модулированной МДС якоря в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря электрическим током может осуществляться:

- 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. Питание обмотки возбуждения индуктора электрическим током в этом случае может осуществляться непосредственно от источника постоянного (выпрямленного) напряжения, либо от выходных концов фаз m-фазной обмотки якоря через диодный m-фазный мост.

При применении электрической машины с модулированной МДС якоря в качестве электрического двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря электрическим током может осуществляться прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. В этом случае обмотка возбуждения индуктора подключена непосредственно к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения и получает от него питание электрическим током. В случае применения электрической машины с модулированной МДС якоря в качестве электрического двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением обмотка возбуждения индуктора подключена к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря через диодный m-фазный мост и получает от нее питание электрическим током.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1, фиг.3 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов электрической машины с модулированной МДС якоря с активным ротором,

фиг.2, фиг.4 - примеры реализации изобретения в виде схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря с подключением m-фазных обмоток якоря в режиме электрического двигателя на источники m-фазных напряжений, векторных диаграмм фазных токов якоря и соответствующих им диаграмм МДС якоря,

фиг.5 - общий вид электрической машины с модулированной МДС якоря с внешним якорем и внутренним индуктором.

В соответствии с настоящим изобретением для получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу электрической машины с модулированной МДС якоря число явно выраженных полюсов якоря Z_1P, число фаз m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m, число явно выраженных полюсов индуктора Z_2P связаны равенствами (1) и (2):

причем при m=3, 5, 7, 9, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=1, 2, 3, 4, …, при m=4, 6, 8, 10, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=2, 4, 6, 8, …, катушки обмотки в фазе якоря соединены между собой встречно в магнитном отношении, начала фаз обмотки якоря по порядку, начиная с первой фазы, принадлежат катушкам, сосредоточенным на явно выраженных полюсах якоря, расположенных относительно друг друга, начиная с первого полюса, на угловом расстоянии β=2·t_1P, где t_1P=360°/Z_1P - полюсное деление якоря.

Следует отметить, что направление вращения индуктора в режиме работы электрической машины с модулированной МДС якоря электрическим двигателем противоположно направлению вращения кругового магнитного поля якоря, созданного многофазной системой переменных электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря. Реверсирование электрического двигателя осуществляется сменой чередования фаз обмотки якоря относительно первой фазы на противоположное.

Фазы m-фазной обмотки якоря могут быть соединены между собой в «звезду» или в «многоугольник».

На фиг.1-4 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с равенствами (1) и (2). Положение векторов фазных токов на векторной диаграмме, направление электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря схемы соединений катушек m-фазной обмотки якоря, и диаграмма МДС якоря, показанные на фиг.2, и положение возбужденного индуктора относительно сердечника якоря электрической машины в двигательном режиме, показанное на фиг.1, соответствуют одному и тому же моменту времени. Положение векторов фазных токов на векторной диаграмме, направление электрических токов, протекающих по катушкам обмотки якоря схемы соединений катушек m-фазной обмотки якоря, и диаграмма МДС якоря, показанные на фиг.4, и положение возбужденного индуктора относительно сердечника якоря электрической машины в двигательном режиме, показанное на фиг.3, соответствуют одному и тому же моменту времени.

Рассмотрим конструкцию электрической машины с модулированной МДС якоря с внутренним индуктором и внешним якорем (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 2 якоря имеет явно выраженные полюса 3 и выполнен шихтованным из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Он запрессован в корпусе 1, который может быть выполнен из стали или из сплава алюминия. Возможен также и бескорпусный вариант. На каждом из явно выраженных полюсов 3 сердечника 2 якоря размещена катушка обмотки 4 якоря. Катушки обмотки 4 якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Они изолируются от ярма и явно выраженных полюсов 3 сердечника 2 якоря корпусной изоляцией. Индуктор при помощи подшипников 11, вала 5 и подшипниковых щитов 10 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из стали. Активная часть индуктора состоит из шихтованного из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью сердечника 7 с явно выраженными полюсами 8, насаженного на втулку 6, выполненную металлической. На явно выраженных полюсах 8 индуктора расположена катушечная обмотка 9 возбуждения индуктора, катушки которой, расположенные на соседних полюсах, соединены между собой согласно в магнитном отношении и выполнены из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. На валу 5 насажена изоляционная неэлектропроводная втулка с контактными кольцами 12, и присоединенными к ним выводными концами обмотки 9 возбуждения индуктора, электрическая связь которой с источником постоянного (выпрямленного) напряжения осуществляется через скользящий контакт при помощи щеточно-пружинного узла со щетками 13. С целью повышения технологичности выполнения обмоточных работ и повышения коэффициента заполнения паза явно выраженные полюса 8 индуктора могут быть выполнены отъемными из материала с высокой магнитной проницаемостью. В этом случае они крепятся непосредственно к втулке 6, выполненной из материала с высокой магнитной проницаемостью. При этом при малых диаметрах ротора вал 5 и втулка 6 могут представлять собой единую деталь, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Электрическая машина с модулированной МДС якоря может работать в двигательном и генераторном режимах.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). На фазы обмотки 4 якоря подают переменное напряжение, по обмотке протекает переменный ток, наводящий переменную во времени модулированную МДС якоря. На фиг.2 показана векторная диаграмма фазных токов якоря и диаграмма МДС якоря для схемы соединений катушек 10-фазной обмотки якоря, представленной на этом же чертеже. На фиг.4 показана векторная диаграмма фазных токов якоря и диаграмма МДС якоря для схемы соединений катушек 9-фазной обмотки якоря, представленной на этом же чертеже. Симметричные многофазные напряжения, поданные на зажимы этих обмоток, изменяются во времени, и векторы токов на векторных диаграммах поворачиваются в осях координат ху против часовой стрелки. Направления электрических токов, показанные на схемах соединений катушек обмоток якоря, соответствуют моменту времени, когда фазные токи на векторных диаграммах проецируются на ось ординат. Катушки обмотки 4 якоря названы буквой, обозначающей принадлежность к соответствующей фазе, и цифрой, обозначающей номер явно выраженного полюса 3 сердечника 2 якоря. Например, катушка D7 - катушка фазы D, расположенная на седьмом явно выраженном полюсе 3 сердечника 2 якоря. При протекании по катушкам обмотки 4 якоря переменного электрического тока явно выраженные полюса 3 якоря, намагничиваясь, образуют изменяющиеся во времени южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N» с переменной модулированной МДС якоря. При возбуждении явно выраженных полюсов 8 индуктора постоянным (выпрямленным) током, протекающим по обмотке возбуждения 9 индуктора через контактные кольца 12 и щетки 13 от источника постоянного (выпрямленного) напряжения, в воздушном зазоре образуются неизменяющиеся во времени и с постоянной МДС южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N» индуктора с чередующейся полярностью. Вследствие взаимодействия переменной модулированной МДС якоря с постоянной МДС индуктора к ротору приложен однонаправленный вращающий момент. В соответствии с настоящим изобретением за один период изменения магнитного поля ротор поворачивается на два полюсных деления индуктора, т.е. на 2·t_2P, где t_2P=360°/Z_2P. Вследствие этого при изменении питающих напряжений, поданных на обмотку якоря с частотой f (Гц), ротор перемещается с синхронной частотой вращения n=120·f/Z_2P (об/мин). Направление вращения ротора на фиг.1 и фиг.3 показано стрелкой с буквой «n».

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). На обмотку возбуждения 9 индуктора от источника питания подают постоянное (выпрямленное) напряжение. При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения 9 индуктора через контактные кольца 12 и щетки 13 от источника постоянного (выпрямленного) напряжения, пронизывая воздушный зазор и явно выраженные полюса 3 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в явно выраженных полюсах 3 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках обмотки 4 якоря переменную ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по обмотке 4 якоря протекает переменный электрический ток и электрическая мощность отдается потребителю.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и электрическим генераторам, касается особенностей конструктивного исполнения электрических машин с контактными кольцами и может быть использовано в системах автоматики, в качестве тяговых управляемых и неуправляемых электроприводов, ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, многофазных синхронных электрических двигателей и электрических генераторов преобразователей частоты, а также в качестве многофазных источников питания электрическим током. Предлагаемая электрическая машина с модулированной МДС якоря содержит статор, сердечник якоря которого набран из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и имеет явно выраженные полюса с катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, и ротор, содержащий шихтованный из листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью сердечник индуктора с явно выраженными полюсами и катушечной обмоткой возбуждения, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе индуктора по одной на полюсе. При протекании по обмотке возбуждения индуктора постоянного (выпрямленного) тока в воздушном зазоре образуется чередующаяся полярность «N-S» магнитных полюсов индуктора. Катушки обмотки якоря в фазе соединяются между собой встречно в магнитном отношении, чередование начал фаз в схеме соединений катушек обмотки якоря выполняется определенным образом, а между числом явно выраженных полюсов якоря, числом фаз m-фазной обмотки якоря, числом явно выраженных полюсов якоря в фазе и числом явно выраженных полюсов индуктора выполняются определенные соотношения. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в обеспечении высоких энергетических показателей, большого удельного вращающего момента на валу в режиме электрического двигателя и большой удельной мощности в режиме электрического генератора при снижении пульсаций вращающего момента, вибрации и шума электрической машины за счет выполнения ее многофазной и с модулированной магнитодвижущей силой якоря, а наличие обмотки возбуждения индуктора позволяет плавно управлять выходными параметрами машины. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электрическая машина с модулированной МДС якоря, содержащая статор с обмоткой якоря и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, отличающаяся тем, что статор содержит шихтованный из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью сердечник якоря с явно выраженными полюсами и катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, ротор содержит шихтованный из листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью сердечник индуктора с явно выраженными полюсами и катушечной обмоткой возбуждения, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе индуктора по одной на полюсе, число явно выраженных полюсов якоря Z_1P, число фаз m-фазной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m, число явно выраженных полюсов индуктора Z_2P связаны равенствами (1) и (2):


причем при m=3, 5, 7, 9, … число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=1, 2, 3, 4, …, при m=4, 6, 8, 10, … число явно выраженных полюсов якоря в фазе Z_1m=2, 4, 6, 8, …, катушки обмотки в фазе якоря соединены между собой встречно в магнитном отношении, начала фаз обмотки якоря по порядку, начиная с первой фазы, принадлежат катушкам, сосредоточенным на явно выраженных полюсах якоря, расположенных относительно друг друга, начиная с первого полюса, на угловом расстоянии β=2·t_1P, где t_1P=360°/Z_1P - полюсное деление якоря.

2. Электрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что якорь расположен снаружи, индуктор - внутри.

3. Электрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что индуктор расположен снаружи, якорь - внутри.

4. Электрическая машина с модулированной МДС якоря по п.2 или 3, отличающаяся тем, что ротор выполнен с когтеобразными полюсами и кольцевой обмоткой возбуждения индуктора.

5. Электрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты.

6. Электрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты.

7. Электрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве синхронного электрического 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 модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что при применении ее в качестве электрического 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 модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что обмотка возбуждения индуктора через контактные кольца и щетки подключена к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения.

10. Электрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что обмотка возбуждения индуктора через контактные кольца и щетки подключена к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря через диодный m-фазный мост.

11. Электрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в «звезду».

12. Электрическая машина с модулированной МДС якоря по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки якоря соединены в «многоугольник».