Асинхронная машина Российский патент 2025 года по МПК H02K17/28 H02K3/28 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам.

Известны трехфазные коллекторные машины, в которых при помощи механического коммутатора во вторичную цепь вводится дополнительная ЭДС частоты скольжения. (А.В. Иванов-Смоленский, Электрические машины, М., «Энергия», 1980 г., стр. 791).

Наиболее близким по технической сущности является трехфазный коллекторный двигатель с питанием со стороны статора (А.В. Иванов-Смоленский, Электрические машины, М., «Энергия», 1980 г., стр. 798-799). Названный двигатель имеет жесткие механические характеристики и широкие пределы регулирования. Недостатком его является наличие механического коммутатора, что ограничивает его мощность и диапазон регулирования условиями коммутации, а также сложность конструкции, ведущая к уменьшению надежности и увеличению стоимости.

Целью изобретения является введение в цепь ротора дополнительной ЭДС частоты скольжения без применения механического коммутатора.

Указанная цель достигается тем, что асинхронная машина снабжена установленным аксиально на общем валу дополнительным узлом, состоящим из двух аксиальных магнитопроводов, имеющих разделенные рабочим воздушным зазором статорные и роторные части с расположенными на них статорной и роторной обмотками, при этом обмотка статора дополнительного узла содержит две последовательно соединенные части, расположенные на аксиальных составляющих его статора, сдвинута относительно обмотки статора машины на угол в сторону вращения и соединена параллельно с ней, а обмотка ротора дополнительного узла содержит две соответствующие его статорной обмотке части, одна из которых соединена последовательно с обмоткой ротора машины, а вторая часть обмотки ротора дополнительного узла является короткозамкнутой.

Ввод в цепи ротора дополнительных ЭДС осуществляется индукцией дополнительного магнитного поля с потоками Ф₁₁ и Ф₁₂ в магнитопроводах дополнительного узла, возбуждаемого при нагрузке системой контуров, включающих в себя контур статора дополнительного узла и соответствующие ему обмотки ротора.

Причиной возбуждения дополнительного магнитного поля является невозможность, в общем случае, равенства МДС соответствующих обмоток ротора и статора, входящих в названную систему контуров.

В соответствии со свойствами первичного контура индукционного преобразователя потоки дополнительного магнитного поля связаны соотношением

Ф₁₁ ⋅ ω₁₁+Ф₁₂ ⋅ ω₁₂=0,

и индуктируют в индуктивно связанных с ними цепях ротора дополнительного узла, соответственно, дополнительные ЭДС

а уравнения баланса напряжений цепей ротора приобретают структуру

E₂+E₂₁+E_21д=I₂₁ ⋅ Z₂₁,

E₂₂+E_22д=I₂₂ ⋅ Z₂₂.

Следствием углового сдвига аксиально расположенных многофазных обмоток статора машины и дополнительного узла, подключенных к сети переменного напряжения, является пространственно-временной сдвиг соответствующих им вращающихся полей и процессов само- и взаимоиндукции.

Соотношение векторов ЭДС взаимоиндукции обмоток ротора, сцепленных с соответствующими полями намагничивания машины и дополнительного узла, регламентируется соотношениями (см. Пояснительную записку)

При этом

при

где Е₁, Е_1н - ЭДС самоиндукции контуров статора, подключенных к сети переменного напряжения, машины и дополнительного узла, соответственно,

Е₂, E₂₁ - ЭДС взаимоиндукции соединенных последовательно обмоток ротора машины и дополнительного узла, соответственно,

Е_2о - общая ЭДС Е₂+Е₂₁ обмотки ротора, включающей обмотку ротора машины ω₂ и дополнительного узла ω₂₁,

Е₂₂ - ЭДС взаимоиндукции короткозамкнутой обмотки ω₂₂ ротора дополнительного узла,

Е_21д, Е_22д - дополнительные ЭДС частоты скольжения, индуктированные в обмотках ротора дополнительного узла, соответственно,

Ф₁₁, Ф₁₂ - потоки дополнительного магнитного поля в магнитопроводах дополнительного узла, соответственно,

I₁, I_1н - компенсационные составляющие токов обмоток статора, подключенных к сети переменного напряжения, машины ω₁ и дополнительного узла ω₁₁, ω₁₂, соответственно,

I₂₁, I₂₂ -токи обмотки ω₂(ω₂₁) ротора машины и короткозамкнутой обмотки ω₂₂ дополнительного узла, соответственно,

ω₁₁, ω₁₂ - число витков обмотки статора дополнительного узла,

ω₂, ω₂₁ - число витков обмотки ротора машины и части обмотки ротора дополнительного узла, составляющих общую обмотку, соответственно,

ω₂₂ - число витков короткозамкнутой обмотки ротора дополнительного узла,

S₁₁, S₁₂ - площадь воздушного зазора аксиальных магнитопроводов дополнительного узла,

Z₂₁, Z₂₂ - комплексы сопротивлений обмоток ротора машины и дополнительного узла, соответственно,

Z₁, Z_1н - комплексы сопротивлений обмоток статора машины и статора дополнительного узла, соответственно,

Z_m, Z_тн - комплексы главных сопротивлений обмоток статора машины и статора дополнительного узла, соответственно,

α - угол поворота обмотки статора дополнительного узла относительно обмотки статора машины в сторону вращения поля,

ƒ₂ - частота электрических величин ротора.

На фиг. 1 изображена схема электрического и магнитного сопряжения машины с дополнительным узлом;

на фиг. 2 изображена векторная диаграмма напряжений цепей ротора машины и дополнительного узла.

Асинхронная машина с обмоткой статора 1 фиг. 1 и обмоткой ротора 2 снабжена дополнительным узлом 3, установленным аксиально на одном валу с машиной.

Дополнительный узел 3 состоит из двух разделенных нерабочим неферромагнитным промежутком магнитопроводов 4 и 5 с установленными на них статорной и роторной обмотками, каждая из которых состоит из двух частей, 6 и 7, 8 и 9, соответственно.

Последовательно соединенные части обмотки статора 6 и 7 дополнительного узла соединены параллельно с обмоткой 1 статора машины, подключенной к сети переменного напряжения, и сдвинуты относительно ее на угол эл.град, в сторону вращения поля.

Статорные обмотки 6 и 7 дополнительного узла сопряжены через рабочий воздушный зазор с частями 8 и 9 обмотки ротора дополнительного узла, соответственно.

Обмотка 2 ротора машины и обмотка 8 ротора дополнительного узла соединены последовательно, что предполагает равенство числа фаз этих обмоток.

В работе асинхронной машины используются магнитные поля, возбуждаемые при нагрузке электрическими контурами, неоднородными в пределах сечения общего магнитопровода.

Неоднородность электрических контуров, связанных общей магнитной цепью, предполагает, по крайней мере, две параллельные ветви магнитопровода, разделенные нерабочим неферромагнитным промежутком, число витков общей обмотки на которых различно.

Обмотка статора дополнительного узла, подключенная к сети переменного напряжения, включает в себя две последовательно соединенные обмотки: обмотку 6 фиг. 1 с числом витков а)11 и обмотку 7 с числом витков ш₁₂.

Вторичным контуром для обмотки 6 статора дополнительного узла является обмотка 8 ротора дополнительного узла с числом витков ω₂₁, индуктивно связанная с ней магнитопроводом дополнительного узла 4 с сечением воздушного зазора S₁₁, а вторичным контуром для обмотки 7 статора дополнительного узла - обмотка 9 его ротора с числом витков ω₂₂, индуктивно связанная с ней магнитопроводом 5 дополнительного узла с сечением воздушного зазора S₁₂.

При этом обмотка 8 ротора дополнительного узла включена последовательно в контур обмотки 2 ротора машины, а обмотка 9 ротора дополнительного узла является короткозамкнутой.

В общем случае такая система индуктивно связанных контуров не обеспечивает компенсации первичным контуром МДС вторичных контуров, что служит причиной возбуждения при нагрузке дополнительного магнитного поля с потоками Ф₁₁ - в магнитопроводе 4 и Ф₁₂ - в магнитопроводе 5 дополнительного узла.

В соответствии со свойствами первичного контура индукционного преобразователя потоки дополнительного магнитного поля находятся в соотношении

Ф₁₁ ⋅ ω₁₁ + Ф₁₂ ⋅ ω₁₂=0,

а их потокосцепления с обмотками ротора соответствуют дополнительным ЭДС:

E_21д - в части обмотки ротора дополнительного узла 8, сцепленной с потоком Ф₁₁,

E_22д - в части обмотки ротора дополнительного узла 9, сцепленной с потоком Ф₁₂,

при этом уравнения балансов напряжений обмоток ротора изменят структуру

Е₂+E₂₁+E_21д = I₂₁ ⋅ Z₂₁,

E₂₂+E_22д = I₂₂ ⋅ Z₂₂,

где Е₂ и E₂₁, Е₂₂ - ЭДС взаимоиндукции обмоток ротора машины и дополнительного узла, соответственно,

При этом

при

что является следствием сдвига обмоток статора ω₁₁, ω₁₂ дополнительного узла относительно обмотки статора ω₁ машины.

Учет величины и пространственно - временных координат дополнительного магнитного поля, а также его потокосцеплений с обмотками 8 и 9 ротора в уравнениях напряжений обмоток ротора машины и дополнительного узла определяют параметры конструкции дополнительного узла из условия

при дискретном значении скольжения s* из интервала 0<s*≤1, см. фиг. 2.

Рассчитанные из поставленного условия параметры дополнительного узла обеспечивают активный характер тока I₂₁ ротора машины при требуемых скольжении s* из интервала 0<s*≤1 и пространственно - временных координатах ЭДС взаимоиндукции обмотки ротора машины (угол θ на диаграмме напряжений обмотки ротора машины), см фиг. 2.

Электромагнитный момент машины в режиме, соответствующем скольжению s* возбуждается током ротора и полем намагничивания обмотки ω₁ статора. Пространственно-временные параметры взаимодействия соответствуют углу θ, см. фиг. 2.

Преимуществом предлагаемого решения является отсутствие механического коммутатора и связанных с ним ограничений.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - устранение механической коммутации при введении в цепь ротора дополнительной ЭДС частоты скольжения. Для достижения указанного технического результата асинхронная машина снабжена установленным аксиально на общем валу дополнительным узлом, состоящим из двух аксиальных магнитопроводов, имеющих разделенные рабочим воздушным зазором статорные и роторные части с расположенными на них статорной и роторной обмотками. Обмотка статора дополнительного узла содержит две последовательно соединенные части, расположенные на аксиальных составляющих его статорного магнитопровода, сдвинута относительно обмотки статора машины на угол град. эл. в сторону вращения и соединена параллельно с ней. Обмотка ротора дополнительного узла содержит две соответствующие его статорной обмотке части, одна из которых соединена последовательно с обмоткой ротора машины, а вторая часть обмотки ротора дополнительного узла является короткозамкнутой. 2 ил.

Асинхронная машина с введением в цепь ротора дополнительной ЭДС частоты скольжения, отличающаяся тем, что снабжена установленным аксиально на общем валу дополнительным узлом, состоящим из двух аксиальных магнитопроводов, имеющих разделенные рабочим воздушным зазором статорные и роторные части с расположенными на них статорной и роторной обмотками, при этом

обмотка статора дополнительного узла содержит две последовательно соединенные части, расположенные на аксиальных составляющих его статорного магнитопровода, сдвинута относительно обмотки статора машины на угол град. эл. в сторону вращения и соединена параллельно с ней,

а обмотка ротора дополнительного узла содержит две соответствующие его статорной обмотке части, одна из которых соединена последовательно с обмоткой ротора машины, а вторая часть обмотки ротора дополнительного узла является короткозамкнутой.