Электрическая машина

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к электрическим машинам, и может быть использовано в качестве низкооборотных высокомоментных двигателей, низкооборотных генераторов и т.п. Сущность изобретения состоит в том, что в электрической машине, содержащей якорь с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой расположена на отдельном зубце, катушки в фазной группе соединены между собой встречно, число катушек в каждой катушечной группе якоря λ=2, 3, 4, 5, 6, 7... - целое положительное число, большее или равное 2, и индуктор с обмоткой возбуждения, полюса которого (индуктора) выполнены с чередующейся полярностью. При этом согласно данному изобретению катушки обмотки якоря объединены в группы таким образом, чтобы число зубцов якоря, число катушек в катушечной группе обмотки якоря, число катушечных групп в фазе обмотки якоря и число полюсов индуктора были связаны определенными соотношениями, что позволяет обеспечить достижение технического результата, состоящего в увеличении КПД и улучшении виброакустических показателей при одновременном удешевлении электрической машины и повышении ее надежности за счет отказа от постоянных магнитов. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в качестве низкооборотных высокомоментных двигателей и низкооборотных генераторов.

Известна электрическая машина переменного тока (Патент RU 2167482 С1, авторы Иванов-Смоленский А.В., Глазков В.П. МПК 7Н02КЗ/12, Н02К 3/04), содержащая катушки обмотки якоря, имеющие шаг, равный зубцовому делению, отличающаяся тем, что число пар полюсов р связано с числом пазов Z соотношением 1<Z/p<4, а число пазов на полюс и фазу меньше единицы. Недостатком аналога является недостаточно четкая проработка формулы изобретения. Так при Z/р=2 (т.е. Z=2·р) невозможно создание машины с числом фаз более одной, магнитное поле - пульсирующее, а приемлемых характеристик удается добиться лишь при вращающемся поле. Кроме того, наблюдается «залипание» - устойчивое положение, когда зубцы якоря встают напротив полюсов индуктора. Вывести машину из этого состояния крайне трудно. Кроме того, судя по фигурам чертежей, в аналоге речь идет о машине с возбуждением от постоянных магнитов, применимом лишь для машин малой и средней мощности.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является Электромеханический преобразователь (Патент RU 2302692 С1, авторы Авдонин А.Ф., Дашко О.Г., Захаренко А.Б. и др. МПК Н02К 19/10), содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов - магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружностям полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная, отличающийся тем, что число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число сердечников статора Z и число катушечных групп в фазе d связаны соотношениями:

p/d=k,

где k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5... - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5 и d равно четному числу (2, 4, 6...) обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно и

0,5<Z/(2·p)<2,

и при этом

Z/(2·p)≠1.

Недостатком прототипа является наличие постоянных магнитов на роторе, что ограничивает его применение для приводов в основном малой и отчасти средней мощности. Машины с электромагнитным возбуждением также широко применяются, в частности, для приводов средней и большой мощности. Кроме того, наличие двух индукторов ротора определяет торцевое крепление статора. Это накладывает ненужное ограничение на активную длину машины, что не позволяет добиться высоких энергетических показателей.

Целью настоящего изобретения является расширение границ применимости запатентованного ранее технического решения для машин средней и большой мощности. Постоянные магниты размагничиваются от воздействия больших токов, а при замене постоянных магнитов обмоткой возбуждения увеличивается надежность электрической машины, появляется дополнительная возможность регулирования скорости за счет изменения тока возбуждения. Кроме того, часто более целесообразно использовать только один индуктор ротора.

Поскольку в электрической машине настоящего изобретения необходима электрическая связь, либо скользящий контакт, либо гальванически развязанная трансформаторная связь и якоря (статора - в прототипе) с источником ЭДС, либо нагрузкой, и индуктора (ротора - в прототипе) с источником постоянного напряжения - любой из них может вращаться, в том числе и оба. Последнее нередко применяется в ветроустановках с вертикальной осью вращения, где якорь и индуктор вращаются в разные стороны. Итак, поскольку электрическую машину не всегда удается сделать бесконтактной, в настоящем изобретении якорь может быть и статором и ротором, а индуктор соответственно и ротором и статором - для достижения оптимальных характеристик привода.

Одним из лучших вариантов, как и в прототипе, является выполнение электрической машины исходя из соотношения:

2р=d(λ·m±1),

λ - число катушек в катушечной группе якоря.

Техническим результатом является существенное сокращение амплитуд высших гармонических составляющих зависимости ЭДС от времени, что приводит к снижению доли «добавочных» потерь мощности от высших гармонических и увеличению КПД электрической машины, как минимум, на 2÷4%. При этом за счет применения катушечной обмотки якоря изготовление электрической машины удешевляется. Применение индуктора с обмоткой возбуждения позволяет регулировать поток возбуждения и упрощает регулирование скорости электрической машины.

Настоящее изобретение поясняется чертежами.

Фиг.1 - эскиз поперечного сечения активной части электрической машины с внешним индуктором и внутренним якорем, Z=18, 2р=16. Катушки якоря и индуктора соединены последовательно.

Фиг.2 - эскиз поперечного сечения активной части электрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором, Z=24, 2р=26. Катушки якоря соединены последовательно, катушки индуктора соединены параллельно.

Фиг.3 - схема включения электрической машины, работающей в вентильном режиме, т.е. как двигатель постоянного тока, где в качестве коллектора используется транзисторный модуль.

Рассмотрим фиг.1 и 2. На зубцах 1 сердечника якоря размещена трехфазная обмотка 2, где буквами А, В, С обозначены начала соответствующих фаз, каждая фаза состоит из двух катушечных групп 3 и 4, соединенных последовательно. Следует отметить, что число катушечных групп в фазе может быть равно 1, 2, 3, 4... - целое положительное число, между собой они могут соединяться не только последовательно, но и параллельно (при d>1), а также образовывать параллельные ветви по нескольку последовательно соединенных катушечных групп в случае, если d=4, 6, 8, 10.... Для снижения числа высших гармонических в составе зависимости ЭДС от времени число катушек в катушечной группе якоря λ=2, 3, 4, 5, 6, 7... - целое положительное число большее или равное 2. На полюсах 5 индуктора, выполненного в форме цилиндра, намотана обмотка возбуждения 6, катушки соседних зубцов создают магнитный поток чередующейся полярности, где буквами D, E обозначены зажимы, на которые подается напряжение возбуждения. Катушки обмотки возбуждения 6 могут быть соединены между собой последовательно (фиг.1), параллельно (фиг.2) либо образовывать параллельные ветви по нескольку последовательно соединенных катушек при р=2, 3, 4, 5 ... Полюса 5 и ярмо 7 индуктора должны быть изготовлены при помощи механообработки из отливки или поковки конструкционной стали с высокой магнитной проницаемостью, например, стали 10. При частотах перемагничивания, меньших 10÷15 Гц, сердечник якоря, состоящий из зубцов 1 и ярма 8, может быть изготовлен аналогично сердечнику индуктора, состоящему из полюсов 5 и ярма 7. При больших значениях упомянутой частоты сердечник якоря должен быть шихтован из листов электротехнической стали. С целью снижения стоимости сердечников якоря и индуктора они могут быть изготовлены из порошкового магнитомягкого материала, например, путем прессования.

Катушки обмоток якоря 2 и индуктора 6 наматываются из обмоточного провода, например, медного эмаль-провода, на электроизолирующие каркасы либо на зубцовую (пазовую) изоляцию на каждый зубец. Для снижения электрических («омических») потерь катушечная группа, либо фаза обмотки якоря в целом, либо обмотка возбуждения может наматываться непрерывным проводом. Для упрощения и автоматизации технологии намотки обмоток якоря 2 и индуктора 6 сердечники якоря и индуктора могут быть выполнены разъемными, то есть зубцы 1 и ярмо 8, а также зубцы 5 и ярмо 7 изготавливаются отдельно. На зубцы 1 наматывается обмотка 2, а затем зубцы 1 скрепляют с ярмом 8. На зубцы 5 наматывается обмотка 6, а затем зубцы 5 скрепляют с ярмом 7. После окончания обмоточных работ для увеличения электрической прочности изоляции и повышения ее надежности производится пропитка обмотки лаком или компаундом.

Электрическая машина работает следующим образом при питании обмотки якоря трехфазным переменным напряжением. Магнитный поток каждой катушки обмотки возбуждения 6 проходит через зубец 5 индуктора, воздушный зазор, ближайший зубец 1 якоря, ярмо 8 якоря, следующий зубец 1 якоря, воздушный зазор, следующий зубец 5 индуктора и замыкается по ярму 7 индуктора. В двигательном режиме на зажимы каждой фазы обмотки 2 якоря электрической машины подается переменное напряжение, по обмотке протекает ток, вызывая вращающуюся МДС якоря. При протекании электрического тока в обмотке 2 якоря происходит силовое взаимодействие магнитного потока обмотки 2 якоря с магнитным потоком обмотки 6 индуктора. Перемещаясь, волна МДС якоря вращает индуктор. В ином случае вращается якорь, а индуктор - неподвижен. Магнитный поток обмотки возбуждения 6 перемещается от одного зубца якоря к следующему, при этом наводит электродвижущую силу (ЭДС) в проводниках обмотки 2 якоря, находящейся в пазах между зубцами 1. Величина ЭДС обусловлена величиной магнитного потока обмотки возбуждения 6 и частотой вращения. При вращении ротора синхронная машина будет отдавать механическую мощность в нагрузку. В режиме генератора ротор электрической машины (якорь или индуктор) приводится во вращение сторонним источником механической энергии, например, ветродвигателем, при этом вращающий момент прикладывают к ротору, например, с помощью шкива с ременной передачей. Поле обмотки возбуждения 6 пересекает проводники обмотки 2 якоря, в которых наводится ЭДС. Если цепь нагрузки замкнута, по обмотке якоря протекает ток. Получаемая при этом электрическая энергия передается в нагрузку.

Рассмотрим фиг.3. Она наиболее применима для автономного электропривода, например, мотор-колеса транспортного средства или ветрогенераторной установки. При питании обмотки 2 якоря от источника постоянного напряжения, например, аккумуляторных батарей 11 посредством транзисторного модуля 9 для эффективной работы машины в двигательном режиме вводится обратная связь по положению ротора. В трехфазной обмотке, когда якорь является статором, а индуктор - ротором, при помощи датчика в каждый момент времени транзисторным модулем 9, управляемым системой управления 10, должны быть запитаны от источника постоянного напряжения 11 те две фазы обмотки 2 якоря, центральные оси катушечных групп которых ближе к оси ближайшего по ходу поворота промежутка между зубцами индуктора, полярность включения катушечной группы якоря такова, чтобы зубцы якоря притягивались к следующему по ходу поворота полюсу индуктора, именно на зубцы этих двух фаз действует наибольшая электромагнитная сила. При использовании датчиков Холла в качестве чувствительного элемента датчика положения ротора, связанного с системой управления 10, датчики Холла могут быть размещены между статором и ротором на стороне статора, обращенной к полюсам ротора, непосредственно в основном рабочем воздушном зазоре между коронками зубцов. На фиг.3 якорь является статором, а индуктор является ротором, поэтому можно говорить о датчиках углового положения индуктора, действие которых основано на эффекте Холла, расположенных на якоре и обращенных своим чувствительным элементом к индуктору. Дополнительную магнитную систему для датчика положения ротора в этом случае создавать не надо. Следует отметить, что диоды обратного тока транзисторного модуля 9 позволяют работать схеме фиг.3 в генераторном режиме, заряжая аккумуляторные батареи 11. Обмотка якоря может быть соединена в звезду, как на фиг.1-3, а также в треугольник.

1. Электрическая машина, содержащая якорь, на сердечнике якоря из материала с высокой магнитной проницаемостью размещена многофазная катушечная обмотка, где каждая катушка расположена на отдельном зубце, катушки в фазной группе соединены между собой встречно, и индуктор, полюса которого обращены к якорю и имеют чередующуюся полярность, сердечник индуктора выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью и закреплен с возможностью вращения относительно якоря, число Z зубцов якоря и число р пар полюсов индуктора и число d катушечных групп в фазе связаны соотношениями:

1<Z/p<4,

при этом Z/p≠2 и

P/d=k,

где k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5... - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, если k - целое число, а при k - отличном от целого числа на 0.5 и d равном четному числу (2, 4, 6...) обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно, отличающийся наличием единственного индуктора, выполненного в форме цилиндра с полюсами, на полюсах индуктора намотана обмотка возбуждения, число катушек в катушечной группе якоря λ=2, 3, 4, 5, 6, 7... - целое положительное число, большее или равное 2, опорное статорное кольцо - отсутствует, зубцы якоря расположены на ярме.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что число полюсов индуктора устанавливают, исходя из соотношения:

2p=d(λ·m±1),

где m - число фаз.

3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся наличием датчиков углового положения индуктора, действие которых основано на эффекте Холла, расположенных на якоре и обращенных своим чувствительным элементом к индуктору.

4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что при d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки якоря соединены между собой последовательно.

5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что d>1 катушечные группы одной и той же фазы обмотки якоря соединены между собой параллельно.

6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что при d=4, 6, 8, 10... катушечные группы одной и той же фазы обмотки якоря соединены последовательно-параллельно.

7. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что катушки обмотки возбуждения соединены между собой последовательно.

8. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что катушки обмотки возбуждения соединены между собой параллельно.

9. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что при р=2, 3, 4, 5... катушки обмотки возбуждения соединены между собой последовательно-параллельно.

10. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка якоря питается от сети переменного тока.

11. Электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что обмотка якоря питается от управляемого инвертора, допускающего работу электрической машины в двигательном и генераторном режимах.

12. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка якоря соединена в звезду.

13. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что обмотка якоря соединена в треугольник.

14. Электрическая машина по любому из пп.1-13, отличающаяся тем, что индуктор расположен с внутренней стороны по отношению к якорю.

15. Электрическая машина по любому из пп.1-13, отличающаяся тем, что индуктор расположен с внешней стороны по отношению к якорю.