Электрическая машина Советский патент 1993 года по МПК H02K19/38 H02K19/36 H02K16/04 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к двухякорным электрическим машинам переменного или. постоянно-переменного токов, применяемых в качестве электропривода повышенной надежности, а тйкже могут быть использованы в качестве генераторов переменного тока или преобразователей рода тока.

Известны двухякорные электрические машины переменно-постоянного тока, используемые о качестве электрогенераторов, например генератор синхронный трехфазного тока типа МСК-2 5500-1500, по ТУ 16- 512.448-78, кл. Н 02 К 19/38, 19/36, 16/04, принятый за прототип. В прототипе подлине корпуса статора установлены два независимых магнитопровода с обмотками якорей переменного тока. На едином валу ротора установлены два независимых индуктора с обмотками возбуждения постоянного тока. Ротор установлен на подшипниках скольжения.

. Основные недостатки прототипа следующие: большие масса и габариты, повышенные потери из-за наличия двух индукторов с двумя обмотками возбуждения.

Цель изобретения - уменьшение массо- габаритов, расширение функционального назначения.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа электрическая машина выполнена с якорями переменного тока, размещенными на внешнем и внутреннем коаксиально установленных статорах, с совмещенным индуктором, выполненным в виде проводящего полого цилиндра, разделенного с одного торца вдоль образующей на длине активных частей якорей на изолированные части с числом, равный числу полюсов якорей, жестко механически сочлененные с ферромагнитным кольцом, снабженным кольцевой герметичной камерой с размещенным в ней другим ферромагнитным кольцом, установленным с возможностью свободного вращения, с пазами, заполненными немагнитным проводящим материалом, замкнутым по торцам короткозамыкающи- ми кольцами, снабженными жидкометалли- ческими контактами, соединенными с соответствующими частями проводящего полого цилиндра, пазы обращены к цилиндрической поверхности ферромагнитного диска, снабженного пазами с числом, равным

Ё

VI

Ч

-U

го VI

00

числу пазов другого ферромагнитного кольца, и кольцевой униполярной обмоткой возбуждения и размещенного на торце одного из статоров; кроме того, проводящий полый цилиндр выполнен из ферромагнитного материала с высокопроводящими немагнитными стержнями, замкнутыми с торца короткозамыкающим кольцом; кроме того, подшипниковые опоры выполнены электромагнитными, на торцах проводяа1его полого цилиндра установлены ферромагнитные кольца, разделенные в радиальном направлении немагнитными вставками, снабженные на внешней и внутренней цилиндрических поверхностях кольцевым рифлением, размещенные внутриЗ-образного магнитопровода, снабженного основной и дополнительной униполярными обмотками возбуждения и кольцевым рифлением на ответных ферромагнитному кольцу поверхностях; кроме того, установлены страховочные опоры в виде подшипников качения, снабженных корытообразными кольцами, заполненными смазочным материалом, и размещенных на осях, параллельных оси вращения торцов проводящего полого цилиндра, вблизи его цилиндрической поверхности; кроме того, кольцевые рифления 3-образного магнитопровода заполнены немагнитным ан- тифрикционным материалом; кроме того, од- на из обмоток якорей переменного тока снабжена полупроводниковым коммутато- ром вентильной машины.

Отличительные признаки изобретения: якоря переменного тока размещены на внешнем л внутреннем коаксиально установленных статорах, индукторы совмещены и выполнены в виде полого проводящего цилиндра, разделенного с одного торца вдоль цилиндра, на длине активных частей якорей на изолированные части с числом, равным числу полюсов якорей, жестко механически и электрически соединенные с якорем униполярного возбудителя; якорь униполярного возбудителя размещен в герметичной кольцевой камере,выполненной в ферромагнитном кольце, установленном на индукторе; проводящий полый цилиндр выполнен из ферромагнитного материала, заполненного продольными высокопроизводящими стержнями; подшипниковые опоры выполнены электромагнитными; страховочные опоры выполнены на подшипниках качения с корытообразными кольцами, заполненными смазкой, и размещены на осях, параллельных оси вращения полого цилиндра; одна из обмоток якорей снабжена полупроводниковым коммутатором вентильной машины.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема электрической машины; на фиг,2 сечение А-А на фиг. 1 (индуктор синхронной машины); на фиг.З - сечение Б-Б на фиг.1 (униполярный возбудитель); на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1 (магнитная опора). Электрическая машина содержит внешний магнитопровод 1 с обмоткой якоря 2 и выходными клеммами 3, внутренний магнитопровод 4 с обмоткой 5 и выходными клеммами 6 или полупроводниковым коммутатором 7

0

с выходными клеммами постоянного тока,

индуктор 8 с униполярным возбудителем 9, магнитными опорами ,10, страховочными опорами 11, валом 12.

Индуктор (ротор) 8 синхронной машины

5 выполнен в виде ферромагнитного цилиндра 13 с немагнитными высокопроводящими (медными) стержнями-14 и разделен вдоль образующей изоляцией 15 на части с числом, равным числу полюсов, замкнутые с

0 торца короткозамыкающим кольцом 16. Индуктор 8 может быть также выполнен из полого проводящего немагнитного цилиндра, из алюминиевой поковки. При этом цилиндр 8 разрезается только с торца

5 униполярного возбудителя 9 на длине до конца внешнего 1 и внутреннего 4 магнито- проводов (на длине активных частей якорей). Короткозамыкающее кольцо 16 отсутствует, его функцию выполняет нераз0 резанная часть полого цилиндра 8.

Униполярный возбудитель 9 состоит из дополнительного ферромагнитного кольца 17, жестко механически закрепленного на индукторе 8 с герметичной кольцевой каме5 рой 18с размещенным в ней другим ферромагнитным кольцом 19, установленным с возможностью свободного вращения, с пазами 20, заполненными немагнитным высокопроводящим материалом (медью) 21,

0 замкнутыми по торцам короткозамыкающи- ми кольцами 22, снабженными жидкометал- лическими контактами, соединенными с соответствующими полярностями с высокопроводящими стержнями 14 индуктора 8.

5 Пазы 20 обращены к цилиндрической поверхности ферромагнитного диска 23, снабженного пазами 24 с числом, равным числу пазов другого ферромагнитного кольца 19, и униполярной обмоткой воз0 буждения 25.

Магнитные опоры 10 выполнены электромагнитными. На торцах высокопроводящего цилиндра 8 установлены ферромагнитные 5 кольца 26, снабженные на внешней и внут-: ренней цилиндрических поверхностях кольцевым рифлением (выступами и впадинами), размещенные внутри 3-образного магнитопровода 27, снабженного основной 28 и дополнительной 29 униполярными обмотками

возбуждения и кольцевым рифлением на ответных ферромагнитному кольцу 26 поверхностям. Основная 28 и дополнительная 29 униполярные обмотки возбуждения установлены выше и ниже аксиальной оси сим- метрииЗ-образного магнитопровода 27. Ферромагнитные кольца 26 разделены в радиальном направлении немагнитными вставками 30. Страховочные опоры 11 выполнены о виде подшипников качения и размещены на осях, параллельных оси вращения индуктора 8. Подшипники качения снабжены корытообразными кольцами 31 и заполнены смазочным материалом.

Устройство работает следующим образом.

Работа в сети переменного тока, режим работы двигательный.

При подаче тока в униполярную обмотку 28 возбуждения магнитных опор 10 вЗ-об- разном магнитопроводе 27 возникает два магнитных потока. Первый магнитный поток проходит в радиальном направлении ферромагнитное кольцо 26 и замыкается через его цилиндрические поверхности. Второй магнитный поток проходит в аксиальном направлении ферромагнитное кольцо 26 и замыкается через его торцовую поверхность и торцовую поверхность 3-образного магнитопровода 27. При прохождении первого и второго магнитных потоков в воздушных зазорах цилиндрических поверхностей ферромагнитного кольца 26 возникают магнитные силы, которые стремятся совместить магнитные оси кольцевых выступов рифлений ферромагнитного кольца 26 и ответных сторон3-образного магнитопровода 27, тем самым создается аксиальная сила магнитной опоры. Кроме того, между цилиндрическими поверхностями ферромагнитного кольца 26 иЗ-образного магнитопровода 27 возникают радиальные силы магнитного тя- жения. Величина первого магнитного потока не зависит от радиального положения ферромагнитного кольца 26 в магнитопроводе 27, поскольку результирующий магнитный зазор для этого магнитного потока определяется только суммой величин наружного и внутреннего воздушных зазоров ферромагнитного кольца 26. Это справедливо только в случае отсутствия магнитного потока по окружности ферромагнитного кольца 26. Для этой цели ферромагнитное кольцо 26 разделено немагнитными вставками 30. При вышеизложенных условиях радиальные магнитные силы с внешней и внутренней поверхностей ферромагнитного кольца 16, создаваемые первым магнитным потоком, равны между собой, в связи с чем одностороннее магнитное тяжение от первого

й

магнитного потока отсутствует. Второй магнитный поток при неравномерных наружном и внутреннем воздушных зазорах создает одностороннюю силу магнитного

5 тяжения, однако ее величина может достигать несущественных значений за счет выбранного соотношения площадей цилиндрической поверхности ферромагнитного кольца 26 и его торцовой поверхности.

10 При прохождении второго магнитного потока в воздушном зазоре торца ферромагнитного кольца 26 и торца 3-образногб магнитопровода 27 возникают две составляющие магнитной силы - радиальная и ак

15 спальная. Радиальная составляющая этой силы стремится совместить магнитные оси торца ферромагнитного кольца 26 и ответной стороны Э-образного магнитопровода 27, тем самым создается радиальная (подь-.

20 емная) сила магнитной опоры. Аксиальная составляющая этой силы является силой одностороннего тяжения и должна составлять лишь часть от аксиальной силы магнитной опоры. Это достигается выбросом соотно25

шения площадей цилиндрических поверхностей и торцовой площади ферромагнитного кольца 26.

При подаче тока в дополнительную обмотку 29 возбуждения возникают два допол0 нительных магнитных потока. В зависимости от направления магнитного потока он может увеличивать первый основной магнитный поток в воздушном зазоре цилиндрических поверхностей ферромагнитного кольца 26,

5 одновременно ослабляя его торцовой магнитный поток, или наоборот. Это позволяет регулировать соотношение аксиальной и радиальной сил магнитной опоры и снижать отрицательный эффект одностороннего маг0 нитного тяжения от второго магнитного потока. Тем самым достигается регулирование величин радиальной и аксиальной«сил магнитных опор.

Увеличение тока в униполярных обмот5 ках 28 и 29 возбуждения происходит до тех пор, пока индуктор 8 не всплывет на магнитных опорах и наружный и внутренний воздушные зазоры ферромагнитного кольца 26 не достигнут требуемых значений. Затем

0 производится включение обмоток якорей 2 и 5 в сеть переменного тока. При этом индуктор 8 придет во вращение с частотой, близкой к синхронной частоте вращения электромагнитного поля в воздушном зазо5 ре электрической машины. При подаче возбуждения в униполярную обмотку 25 возбуждения в униполярном возбудителе 9 возникает униполярный магнитный поток, основной путь замыкания которого проходит по зубцам ферромагнитного диска 23,

зубцам ферромагнитного кольца 22, ферромагнитному кольцу 17. Между зубцами ферромагнитного диска 23 и ферромагнитного кольца 22 возникает магнитная сила, удерживающая ферромагнитное кольцо 22 неподвижным относительно ферромагнитного диска 23. Под действием униполярного магнитного потока на короткозамыкающих кольцах 22, и их жидкометаллических контактах изведется униполярная ЭДС, Под действием этой ЭДС по замкнутой цепи, образованной индуктором 8 и униполярным возбудителем 9, потечет постоянный ток и в индукторе 8 возбудится магнитный поток, при этом индуктор 8 втянется в синхронизм с электромагнитным поле обмоток якорей 2 и 5 электрической машины. Получение заданного значения тока возбуждения индуктора 8 достигается регулированием величины тока возбуждения в униполярной обмотке 25 возбуждения.

Работа в сети постоянно-переменного тфка.

При работе в сети постоянно-переменного тока обмотка якоря, например 5 снабжена коммутатором 7, Коммутатор 7 представляет силовой инвертор, выполняемый на управляемых полупроводниковых приборах (тиристорах). Тиристоры управляются отдатчика углового положения индуктора 8 (ротора) (ДПР) относительно осей фаз посредством вспомогательных полупроводниковых формирователей-усилителей прямоугольных импульсов, преобразующих сигналы ДПР, При подведении постоянного напряжения к выходным зажимам коммутатора 7 работа ДПР обеспечивает бесконтактное включение элементов коммутатора 7 в такой последовательности, чтобы в секциях обмотки якоря 5 ток имел неизменное направление в зоне данной магнитной полярности. При этом частота вращения индуктора 8 поддерживается постоянной, соответствующей заданной частоте напряжения в обмотке якоря 2, клеммы 3. Величина выходного напряжения на клеммах.3 регулируется током возбуждения в индукторе 8, а входного напряжения - углом управления тиристором

коммутатора 7. Для обеспечения надежной работы в аварийных ситуациях электрическая машина снабжается страховочными опорами 11, которые могут устанавливаться и по торцам индуктора 8 на статоре электрической машины. Надежную смазку страхо- вочныхопор 11 можно обеспечить установкой

на наружной поверхности подшипников качения корытообразных колец 31, надежно удерживающих смазку при вращении под-. .шипников. Оси вращения страховочных опор параллельны оси вращения индуктора

8 и должны находиться в непосредственной близости к цилиндрической поверхности индуктора 8. Число страховочных опор по

окружности индуктора 8 выбирается из конструктивных соображений .(не менее трех). Для повышения надежности при ударах в аварийных режимах целесообразно канавки рифлений магнитных опор заполнить антифрикционным немагнитным материалом. . В зависимости от разработанной конструкции элетктрической машины обмотки якорей 2 и 5 могут включаться параллельно или последовательно,

. Преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в уменьшении массогабаритов и расширении диапазона регулирования, так как якори переменного тока размещены на

внешнем и внутреннем коаксиально установленных статорах, индукторы совмещены, выполнены в виде полого проводящего цилиндра и снабжены магнитными опорами, возбудитель выполнен униполярным с

якорем, размещенным в герметичной полости ферромагнитного кольца, жестко закрепленного на совмещенном индукторе, одна из обмоток якорей снабжена управляемым полупроводниковым коммутатором.

Использование: электрические машины для электроприводов повышенной надежности, генераторы переменного тока, преобразователи рода тока. Сущность изобретения: электрическая машина содержит два коаксиально размещенных статора с обмотками, полый цилиндрический ротор с обмоткой возбуждения, размещенный между статорами, и униполярный возбудитель, причем ротор электрической машины выполнен как единое целое с ротором возбудителя и установлен на магнитных опорах вращения, 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения 1. Электрическая машина, содержащая статор с двумя якорями переменного тока, два индуктора с обмотками возбуждения, подшипниковые опоры, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения массогабаритов, расширения функционального назначе- ния, она выполнена с якорями переменного тока, размещенными на внешнем и внутреннем коаксиально установленных статорах, с совмещенным индуктором, выполненным в виде проводящего полого цилиндра, разделенного с одного торца вдоль образующей на длине активных частей якорей на изолированные части с числом, равным числу полюсов якорей, жестко механически сочлененные с ферромагнитным кольцом, снабженным кольцевой герметичной камерой с размещенным в ней другим ферромагнитным кольцом, установленным с возможностью свободного вращения, с пазами, заполненными немагнитным проводящим материалом, замкнутым по торцам короткозамыкающими кольцами, снабженными жидкометзллическими контактами, соединенными с соответствующими частями проводящего полого цилиндра, пазы обращены к цилиндрической поверхности ферромагнитного диска, снабженного пазами с числом, равным числу пазов другого ферромагнитного кольца, и кольцевой униполярной обмоткой возбуждения и размещенного на торце одного из статоров.

0

5

0

рифлением, размещенные внутри 3-образ- ного магнитопровода, снабженного основной и дополнительной униполярными обмотками возбуждения и кольцевым рифлением на ответных ферромагнитному кольцу поверхностях.

А. Машина гто п.1,-отличающаяся тем, что установлены страховочные опоры в виде подшипников качения, снабженных корытообразными кольцами, заполненными смазочным материалом, и размещенных на осях, параллельных оси вращения торцов, проводящего полого цилиндра, вблизи его цилиндрической поверхности.

tiZt76it