МНОГОФАЗНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2024 года по МПК H02K1/20 H02K5/04 H02K44/12 H02K9/14 

Устройство относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в области обратимых электрических машин переменного тока, способных работать как в двигательном, так и в генераторном режимах.

Известны электрические машины переменного тока (синхронная и асинхронная), имеющие на статоре многофазную обмотку, уложенную в пазы магнитопровода статора, каждая отдельная фазная обмотка которой представляет собой одну или несколько многовитковых полюсных катушек, соединенных последовательно или параллельно (А.В. Иванов-Смоленский. Электрические машины. М.: Энергия, 1980, 928 с.).

Недостатком таких электрических машин является то, что для изготовления их статорных обмоток требуется значительное количество дорогостоящего цветного металла (как правило, меди).

Известен асинхронный электродвигатель, способный работать как в двигательном, так и в генераторном режимах, статорная обмотка которого является многостержневой, состоящей из металлических стержней, одни концы которых подключены к источнику многофазного переменного напряжения (например, к многофазному преобразователю частоты), а другие соединены вместе металлическим короткозамыкающим кольцом (А.В. Бражников. «Многофазный асинхронный электродвигатель». Патент РФ № RU 127268 U1, опубл. 20.04.2013 г.).

Недостатком такого электродвигателя является то, что для изготовления его статорной обмотки требуется значительное количество дорогостоящего цветного металла (например, меди или алюминия).

Наиболее близким к предлагаемому устройству является взятый за прототип многофазный электродвигатель переменного тока, способный работать как в двигательном, так и в генераторном режимах, статорная обмотка которого является многостержневой, стержни которой и короткозамыкающее кольцо выполнены полыми из материала, обладающего электроизоляционными свойствами, и заполнены жидким или газообразным электропроводящим веществом. При этом концы стержней, присоединенные к короткозамыкающему кольцу, выполнены открытыми и герметично присоединены к отверстиям, выполненным в короткозамыкающем кольце, так что внутренние полости стержней статорной обмотки и короткозамыкающего кольца образуют единое внутреннее пространство, заполненное жидким или газообразным электропроводящим веществом, а противоположные концы стержней статорной обмотки, не присоединенные к короткозамыкающему кольцу, герметично закрыты втулками из электропроводящего материала, к которым присоединены электрические провода, предназначенные для подключения стержней статорной обмотки к фазам источника многофазного переменного напряжения (А.В. Бражников, В.И. Пантелеев, Н.Н. Довженко, А.Н. Пахомов, А.С. Встовский. «Многофазный электродвигатель переменного тока». Патент РФ № RU 224998 U1, опубл. 11.04.2024 г. Бюл. № 11).

Недостатком такого электродвигателя является сложность изготовления полой многостержневой обмотки статора и обусловленная ею высокая себестоимость изготовления электродвигателя в целом.

Задачей предлагаемого устройства является снижение себестоимости, повышение надежности и технологичности изготовления многофазной электрической машины переменного тока.

Достигается это тем, что в пазах магнитопровода статора электрической машины переменного тока размещены полые трубки, выполненные из материала, обладающего электроизоляционными свойствами, при этом одни концы трубок выполнены открытыми и напротив них в крышке корпуса машины имеются сквозные отверстия, а противоположные концы трубок закрыты втулками из электропроводящего материала, к которым присоединены электрические провода, и электрическая машина помещена в герметично закрытую капсулу, заполненную жидким или газообразным электропроводящим веществом.

В качестве жидкого электропроводящего вещества, заполняющего герметично закрытую капсулу, внутрь которой помещается электрическая машина переменного тока, могут использоваться, например, электролиты.

В качестве газообразного электропроводящего вещества, заполняющего герметично закрытую капсулу, внутрь которой помещается электрическая машина переменного тока, могут использоваться, например, разреженные газы, обладающие электропроводностью (N. Tesla, “Apparatus for Transmission of Electrical Energy”, Patent USA No 649,621 dated 15.05.1900; N. Tesla, “Art of Transmitting Electrical Energy through the Natural Medium”, Patent USA No 787,412 dated 18.04.1905; L. Anderson, “Nikola Tesla on His Work with Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony, and Transmission of Power”, Twenty First Century Books, Breckenridge, CO, USA, 2002, 241 p.; Б.Н. Ржонсницкий, Никола Тесла. Первая отечественная биография, М.: Яуза, Эксмо, 2009. 256 с.), в том числе и разреженный воздух.

В зависимости от конструкции ротора электрическая машина будет являться синхронной или асинхронной.

Пазы магнитопровода статора электрической машины располагаются параллельно оси вращения ротора машины.

Каждая из трубок, расположенных в пазах магнитопровода статора, вместе с заполняющим ее жидким или газообразным электропроводящим веществом представляет собой одну отдельную фазу статора электрической машины.

Массив электропроводящего вещества, находящегося внутри герметично закрытой капсулы в непосредственной близости от сквозных отверстий в крышке корпуса электрической машины, ведущих к открытым концам трубок, расположенных в пазах магнитопровода статора, выполняет функцию короткозамыкающего кольца.

Все конструктивные элементы многофазной электрической машины переменного тока и герметично закрытая капсула, внутрь которой помещается машина, выполняются из материалов, не вступающих в химические связи с жидким или газообразным электропроводящим веществом, заполняющим герметично закрытую капсулу.

При такой конструкции статора многофазной электрической машины переменного тока обеспечивается полная взаимная независимость направлений токов внутри трубок, расположенных в пазах магнитопровода статора, что необходимо для реализации фазно-полюсного управления в двигательном режиме работы машины (см., например: A.V. Brazhnikov, and N.N. Dovzhenko, “Control Potentials and Advantages of Multiphase AC Drives”, in Proc. of 29th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference “PESC ’98”, Fukuoka, Japan, May 17-22, 1998, Vol. 2, pp. 2108-2114; А.В. Бражников, В.И. Пантелеев, Н.Н. Довженко «Фазно-полюсное управление многофазными асинхронными инверторными электроприводами» // Электрика, № 3, 2005. – С. 22-27) и недостижимо для пазов статора в случае обмотки барабанного типа, так как в последнем случае из-за выполнения фазных обмоток в виде замкнутых контуров направления токов в двух пазах, в которых размещен один отдельно взятый контур, всегда противоположны.

Изложенная сущность поясняется графически.

На Фиг. 1 представлено предлагаемое устройство в разрезе, где 1 – электропроводящие втулки, 2 – полые трубки, выполненные из материала, обладающего электроизоляционными свойствами, 3 – магнитопровод статора электрической машины, 4 – электрические провода, предназначенные для подключения к фазам источника многофазного переменного напряжения (если электрическая машина используется как электродвигатель переменного тока) или к фазам многофазного потребителя электрической энергии (если электрическая машина используется как электрогенератор переменного тока), 5 – уплотнитель, 6 – жидкое или газообразное электропроводящее вещество, заполняющее полые трубки, 7 – массив жидкого или газообразного электропроводящего вещества, находящегося в непосредственной близости от открытых концов полых трубок, 8 – зазор между статором и ротором, 9 – ротор двигателя, 10 – валопровод, 11 – герметично закрытая капсула, 12 – подшипники, 13 – крышки корпуса электрической машины, 14 – корпус электрической машины, 15 – сквозные отверстия в крышке корпуса электрической машины.

На Фиг. 2 представлена 3D-модель внутреннего устройства многофазной электрической машины переменного тока в разобранном виде.

Многофазная электрическая машина переменного тока работает следующим образом.

В двигательном режиме работы электрической машины при подключении втулок 1, установленных в полых трубках 2, которые размещены в пазах магнитопровода 3 статора электрической машины, к источнику многофазного переменного напряжения с помощью электрических проводов 4, проходящих через уплотнитель 5, в жидком или газообразном электропроводящем веществе 6, находящемся внутри трубок 2, возникает система многофазных переменных токов, замыкающихся в массиве 7 жидкого или газообразного электропроводящего вещества, находящегося в непосредственной близости от открытых концов трубок 2. При этом массив 7 жидкого или газообразного электропроводящего вещества выполняет функцию короткозамыкающего кольца, в результате чего в зазоре 8 между статором и ротором возникает вращающееся магнитное поле, приводящее во вращение ротор 9, ось которого проходит через валопровод 10, установленный на герметично закрытой капсуле 11, и зафиксирована в подшипниках 12, закрепленных в крышках 13 корпуса 14 электрической машины. В крышках 13 корпуса 14 электрической машины имеются сквозные отверстия 15 для обеспечения возможности проникновения жидкого или газообразного электропроводящего вещества из массива 7 внутрь трубок 2. Уплотнитель 5 и валопровод 10 обеспечивают герметичность в местах стыковки капсулы 11 с валом ротора 9 и с электрическими проводами 4.

В генераторном режиме работы электрической машины при вращении ее ротора 9 в жидком или газообразном электропроводящем веществе 6, находящемся внутри трубок 2, наводится многофазная система электродвижущих сил, и в итоге вырабатывается электрическая мощность, передаваемая многофазному потребителю электрической энергии или в питающую сеть.

В том случае, если электрическая машина предназначена для работы в электропроводящей среде (например, она находится в разреженном воздухе верхних слоев атмосферы или в морской, речной и другой водной среде, кроме дистиллированной воды), то электрическая машина может использоваться без помещения ее в герметично закрытую капсулу 11.

При такой конструкции статора многофазной электрической машины переменного тока обеспечивается полная взаимная независимость направлений токов внутри трубок, расположенных в пазах магнитопровода статора, что необходимо для реализации фазно-полюсного управления в двигательном режиме работы машины с целью увеличения вращающего момента на валу ротора.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в снижении себестоимости и повышении надежности и технологичности изготовления электрической машины переменного тока вследствие простоты ее конструкции и уменьшения количества дорогостоящих цветных металлов (меди и алюминия), необходимых для изготовления этой машины. Последнее приведет к снижению потребностей в цветных металлах всей мировой промышленности в целом, что в свою очередь приведет к уменьшению объемов производства этих металлов и, как следствие, к улучшению экологической ситуации в мире.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в области обратимых электрических машин переменного тока, способных работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Технический результат заключается в повышении надежности и технологичности изготовления многофазной электрической машины переменного тока. Многофазная электрическая машина переменного тока имеет на статоре магнитопровод, в котором выполнены пазы. В пазах магнитопровода статора машины размещены полые трубки, выполненные из материала, обладающего электроизоляционными свойствами. Одни концы трубок выполнены открытыми и напротив них в крышке корпуса электрической машины имеются сквозные отверстия. Противоположные концы трубок закрыты втулками из электропроводящего материала, к которым присоединены электрические провода. Электрическая машина помещена в герметично закрытую капсулу, заполненную жидким или газообразным электропроводящим веществом. 2 ил.

Многофазная электрическая машина переменного тока, имеющая на статоре магнитопровод, в котором выполнены пазы, отличающаяся тем, что в пазах магнитопровода статора машины размещены полые трубки, выполненные из материала, обладающего электроизоляционными свойствами, при этом одни концы трубок выполнены открытыми и напротив них в крышке корпуса электрической машины имеются сквозные отверстия, а противоположные концы трубок закрыты втулками из электропроводящего материала, к которым присоединены электрические провода, и электрическая машина помещена в герметично закрытую капсулу, заполненную жидким или газообразным электропроводящим веществом.