Электрическая машина

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам и электроприводу. Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, состоит в обеспечении регулирования амплитуды выходного напряжения, снижении вибраций и акустического шума машины, а также в уменьшении риска возгорания машины в случае короткого замыкания в обмотках. Сущность данного изобретения состоит в том, что в электрической машине, содержащей ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих пакетов, а его обмотки выполнены из кольцевых секций, распределенных в аксиальном направлении и размещенных между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, согласно изобретению, на продольных замыкающих пакетах магнитопровода статора размещена обмотка управления, состоящая из секций, которые соединены между собой таким образом, что знаки намагничивающей силы этих секций чередуются в тангенциальном направлении. 4 ил.

 

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

Известна, например, многофазная индукторная электрическая машина (пат. РФ №2037940, опубл. в БИ №17, 1995), содержащая ротор из магнитопроводящего материала с зубцами на поверхности, проходящими в осевом направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих полос. Обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами. Недостатками аналога являются низкий выходной момент и мощность на выходном валу, большие масса и габариты.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является электрическая машина (пат. РФ №2241298, опубл. в БИ №33, 2004), содержащая ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных пакетов. Обмотки якоря выполнены кольцевыми, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между соседними магнитопроводящими кольцами. Каждая фаза может состоять из одной или нескольких кольцевых секций с различными знаками намагничивающей силы. Полярность постоянных магнитов на роторе чередуется в тангенциальном направлении. Число зубцов на магнитопроводящих кольцах статора выполнено в два раза меньше числа полюсов ротора, и зубцы магнитопроводящих колец, между которыми размещены кольцевые секции одной и той же фазы, смещены на угол, равный угловой ширине полюса ротора. А угловое положение зубцов магнитопроводящих колец различных фаз отличается на угол 2π/m эл. рад, где m - число фаз.

Однако указанная электрическая машина имеет ряд недостатков. В режиме генератора отсутствует возможность регулирования амплитуды выходного напряжения, не обеспечивается снижение вибрации и акустического шума машины, а также нет средств для уменьшения риска возгорания машины в случае короткого замыкания в обмотках. Задачей предлагаемого изобретения является создание электрической машины, в которой указанные недостатки устранены.

Это достигается тем, что у известной электрической машины, содержащей ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих пакетов, а его обмотки выполнены из кольцевых секций, распределенных в аксиальном направлении и размещенных между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, на продольных замыкающих пакетах магнитопровода статора размещена обмотка управления, состоящая из секций, которые соединены между собой таким образом, что знаки намагничивающей силы этих секций чередуются в тангенциальном направлении.

Размещение на продольных замыкающих пакетах магнитопровода статора дополнительной обмотки управления с чередующимся в тангенциальном направлении знаком намагничивающей силы позволяет изменять степень насыщения продольных замыкающих пакетов магнитопровода статора и регулировать за счет этого магнитный поток, созданный постоянными магнитами ротора. От магнитного потока зависит э.д.с. в фазах статора и выходное напряжение генератора, следовательно обеспечивается возможность управления выходным напряжением электрической машины в генераторном режиме.

Вибрация и акустический шум машины зависят от квадрата индукции магнитного поля в рабочем зазоре. При этом во многих электроприводах малые вибрация и акустический шум необходимы на частотах вращения значительно ниже номинальной частоты электрической машины. Наличие обмотки управления позволяет обеспечить снижение индукции магнитного поля в зазоре между ротором и статором путем увеличения тока в этой обмотке, что приводит к снижению вибрации и акустического шума электрической машины.

При коротком замыкании в обмотке статора машины на ходу при вращении ротора э.д.с. создает в обмотке статора токи короткого замыкания, намного превышающие номинальные, что может вызвать возгорание машины. Дополнительная обмотка управления за счет уменьшения магнитного потока дает возможность снизить э.д.с. и токи кроткого замыкания и уменьшает риск возгорания машины.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано осевое сечение предлагаемой электрической машины. На фиг.2 - диаметральное сечение машины А-А на фиг.1. На фиг.3 - диаметральное сечение машины В-В на фиг.1. На фиг.4 - диаметральное сечение машины С-С на фиг.1.

В электрической машине (фиг.1) в корпусе 1 размещен стальной ротор 2, имеющий постоянные магниты 3, намагниченные в радиальном направлении. Полярность постоянных магнитов 3 на поверхности ротора 2 (фиг.1-4) чередуется по угловой координате. В приведенной для примера конструкции двигателя на роторе 2 размещены шесть постоянных магнитов 3. В корпусе 1 двигателя неподвижно установлен статор, в состав которого входят магнитопроводящие кольца 4, 5, 6, 7, 8 и 9, набранные из отдельных пластин. Между парами магнитопроводящих колец 4-5, 6-7, 8-9 установлены три кольцевые обмотки 10, 11 и 12, являющиеся фазами статора. В общем случае каждая фаза двигателя может состоять из нескольких кольцевых секций.

Для замыкания магнитных потоков, проходящих через магнитопроводящие кольца 4 и 5, в корпусе 1 установлены продольные замыкающие пакеты 13 магнитопроводов, набранные из пластин и проходящие в аксиальном направлении. Аналогичные пакеты 14 магнитопроводов замыкают магнитные потоки, проходящие через магнитопроводящие кольца 6 и 7, а пакеты 15 магнитопроводов замыкают магнитные потоки, проходящие через магнитопроводящие кольца 8 и 9. На пакетах 13, 14 и 15 размещаются витки обмотки управления 16. При этом направление намотки обмотки управления 16 на пакеты 13 (14 и 15) чередуется в тангенциальном направлении.

Электрическая машина работает следующим образом. В режиме генератора ротор 2 машины приводится во вращение первичным двигателем (например, дизелем). Вместе с ротором 2 вращается его магнитное поле, созданное постоянными магнитами 3. Магнитный поток, созданный ротором 2 и связанный с фазой 10, проходит в радиальном направлении из ротора 2 через воздушный зазор в зубцы магнитопроводящего кольца 4, в осевом направлении - по пакетам 13, снова в радиальном направлении - по магнитопроводящему кольцу 5 и через зубцы кольца 5 и зазор в ротор 2. При вращении ротора 2 магнитный поток изменяется по величине и направлению, создавая в фазе 10 синусоидальную э.д.с. В фазах 11 и 12 генератора также индуцируются синусоидальные э.д.с., но смещенные по времени на треть и две трети периода.

Выходное напряжение генератора зависит от мощности и вида нагрузки. Стабилизация выходного напряжения генератора может быть обеспечена за счет регулирования э.д.с. Для этого в предлагаемой машине используется обмотка управления 16. При постоянном токе в обмотке 16 возникают управляющие магнитные потоки, проходящие в осевом направлении через пакеты 13, 14 и 15. На фиг.2-4 показаны управляющие магнитные потоки Ф, создаваемые обмоткой 16 в магнитопроводе первой фазы 10. Управляющие магнитные потоки, создаваемые обмоткой 16, проходят через пакеты 13 с чередующимся направлением при тангенциальном обходе, так как направление намотки обмотки 16 на пакетах 13, как было отмечено выше, чередуется, и замыкаются по магнитопроводящим кольцам 4 и 5. Поскольку зазоры между пакетами 13 и магнитопроводящими кольцами 4 и 5 минимальны, то небольшой намагничивающей силы обмотки управления 16 достаточно для изменения степени насыщения пакетов 13. Через пакеты 13 проходит также рабочий поток, созданный ротором 2, который индуцирует э.д.с. в обмотке 10. Очевидно, что рабочий поток, созданный ротором 2, при увеличении тока в обмотке управления 16 и повышении степени насыщения пакетов 13, будет уменьшаться, а значит, будет уменьшаться э.д.с. в обмотке 10 и выходное напряжение первой фазы. Аналогичным образом, ток обмотки управления 16 изменяет степень насыщения пакетов 14 и 15 и регулирует э.д.с. и напряжение второй 11 и третьей 12 фаз. Таким образом, с помощью дополнительной обмотки управления 16, размещенной на продольных замыкающих пакетах магнитопровода статора, осуществляется регулирование выходного напряжения машины.

Вибрация и акустический шум машины уменьшаются, если индукция магнитного поля в рабочем зазоре уменьшается. Уменьшением за счет увеличения тока в обмотке управления 16 рабочего магнитного потока и, следовательно, индукции магнитного поля в рабочем зазоре достигается уменьшение вибрации и акустического шума предлагаемой машины в режиме двигателя.

При возникновении короткого замыкания в обмотке электрической машины в генераторном или двигательном режиме при вращении ротора 2 по инерции магнитное поле ротора 2 индуцирует в обмотках 10, 11 и 12 э.д.с., которая создает ток короткого замыкания. Для предотвращения возгорания электрической машины необходимо уменьшить магнитный поток ротора 2, связанный с обмотками 10, 11 и 12 статора. В предлагаемой машине для этой цели используется обмотка управления 16. Ток обмотки 16 создает насыщение пакетов 13, 14 и 15 магнитопровода статора, в результате чего магнитный поток ротора 2, связанный с обмотками 10, 11 и 12 уменьшается, уменьшаются э.д.с. обмоток 10, 11 и 12 и токи короткого замыкания. Благодаря этому уменьшается опасность возгорания электрической машины при коротком замыкании.

Таким образом, в предлагаемой электрической машине размещение на продольных пакетах магнитопровода статора обмотки управления дает возможность регулирования магнитных потоков и э.д.с. фаз. За счет этого обеспечивается управление выходным напряжением электрической машины в генераторном режиме, уменьшение вибрации и акустического шума машины, а также снижение токов фаз при коротком замыкании и уменьшение тем самым риска возгорания машины. В прототипе для управления выходным напряжением в режиме генератора, для снижения вибрации и акустического шума, а также уменьшения токов короткого замыкания никаких технических средств нет.

Электрическая машина, содержащая ротор из магнитопроводящего материала с постоянными магнитами, полярность которых чередуется в тангенциальном направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих пакетов, а его обмотки выполнены из кольцевых секций, распределенных в аксиальном направлении и размещенных между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, отличающаяся тем, что на продольных замыкающих пакетах магнитопровода статора размещена обмотка управления, состоящая из секций, которые соединены между собой таким образом, что знаки намагничивающей силы этих секций чередуются в тангенциальном направлении.