Синхронная машина постоянного тока

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, а именно к синхронным машинам постоянного тока. Сущность изобретения заключается в том, что пространственное положение обмотки ротора предлагаемой синхронной машины постоянного тока синхронизировано с мгновенными значениями магнитных потоков фазных обмоток. При этом синхронизация ротора с вращающимся полем осуществлена так, что в момент начала отсчета времени ротор занимает относительно осей фазных обмоток положение, обеспечивающее наибольшую эффективность работы машины. При необходимости (например, при пусконаладочных работах) ротор может быть зафиксирован в этом положении технологическим винтом, а статор машины выполнен из немагнитного материала. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в том, что в результате исследования электромагнитных процессов в предлагаемой синхронной машине постоянного тока получено максимальное среднее за период значение трансформаторной ЭДС в обмотке ротора и, как следствие, максимальная величина напряжения на щетках при работе данной электрической машины, например, в режиме генератора. 12 ил.

 

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к синхронным машинам.

Известна электрическая машина (см. патент РФ на изобретение №2144254, кл. Н02К 31/02, «Электрическая машина», Бюллетень изобретений, №1, 2000 г.), в которой, с целью получения постоянной составляющей ЭДС в обмотке ротора, частота его вращения синхронизирована с частотой сети переменного тока. Данная машина содержит магнитную систему, состоящую из ферромагнитного ротора, вала и полюсов, закрепленных на статоре, с обмоткой возбуждения, питающейся от источника переменного напряжения, обмотку ротора, уложенную в диаметрально противоположных пазах, два токосъемных кольца, соединенных с концами обмотки ротора, и неподвижные щетки. Недостатком упомянутой электрической машины является большой диаметральный габарит при незначительной постоянной составляющей ЭДС в цепи обмотки ротора.

Известна синхронная машина, содержащая статор с трехфазной обмоткой, ротор с обмоткой возбуждения, концы которой соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу и обеспечивающими через неподвижные щетки соединения обмотки возбуждения с сетью постоянного тока (см., например, книгу «Электрические машины и микромашины», Д.Э.Брускин, А.Е.Зохорович, B.C.Хвостов. - М.: Высшая школа, 1990, с.310, рис.8.1). Недостатком этой синхронной машины является сложная схема постоянного тока в цепи обмотки возбуждения: необходим или регулируемый источник постоянного тока (возбудитель) или управляемый выпрямитель (см., например, в той же книге с.315, рис.8.6).

Наиболее близким аналогом предлагаемой машины по совокупности существенных признаков является синхронная машина, содержащая ферромагнитный статор, совмещенный с трехфазной магнитной системой, ротор с обмоткой возбуждения, вращающейся синхронно с изменением мгновенного значения фазного магнитного потока и концы которой соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу, а также неподвижные щетки, соединяющие обмотку ротора с нагрузкой (см. патент РФ на изобретение №2168833, кл. Н02К 19/12, «Синхронная машина с самовозбуждением», Бюллетень изобретений, №16, 2001 г.). Недостатком этой синхронной машины является шунтирование части магнитного потока фазных обмоток ферромагнитным статором, что ослабляет рабочий поток, проникающий через воздушный зазор в ротор, повышает потери мощности в статоре и снижает эффективность работы машины в целом. Кроме того, начальное положение обмотки ротора относительно оси фазной обмотки А при пуске машины выбрано не оптимальным по критерию максимума среднего за период значения трансформаторной ЭДС, что также снижает эффективность использования конструкции машины.

Задачей заявленного изобретения является создание синхронной машины, лишенной указанных недостатков.

Техническим результатом изобретения является получение средней за период максимальной величины трансформаторной ЭДС в обмотке ротора и, как следствие, максимального постоянного напряжения на щетках при работе машины, например, в режиме генератора.

Технический результат достигается тем, что в синхронной машине постоянного тока, содержащей статор с закрепленными на нем тремя магнитопроводами с фазными обмотками, намотанными в плоскостях, нормальных к оси вращения, уложенными в дугообразных пазах магнитопроводов, выполненных на их внутренней и внешней поверхностях, и радиальных пазах так, что оси фазных обмоток параллельны оси вращения и сдвинуты в пространстве на угол 120°, причем каждая фазная обмотка в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения, занимает часть сектора, соответствующего центральному углу 120° и ограниченного осевым размером ярма магнитопровода, а обмотка ротора намотана в двух взаимно перпендикулярных плоскостях так, что каждый ее виток состоит из двух секций, одна из которых расположена в плоскости, нормальной к оси вращения, и уложена в кольцевом пазу ротора, а другая, состоящая из двух частей, в плоскости, проходящей через ось вращения, в аксиальных, диаметрально противоположных пазах ротора по обе стороны от кольцевого паза, при этом пространственное положение обмотки ротора синхронизировано с мгновенным значением магнитных потоков фазных обмоток, концы обмотки ротора соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу и имеющими электрический контакт с неподвижными щетками, ротор установлен относительно оси фазной обмотки А в момент начала отсчета времени, когда мгновенное значение синусоидального магнитного потока фазы А равно нулю, в положение, определяющееся углами или между биссектрисой центрального угла 120°, соответствующего фазе А, и радиусом, проходящим через точку пересечения линии, параллельной оси вращения посредине аксиального паза, и окружности в плоскости, перпендикулярной оси вращения, посредине кольцевого паза, с возможностью фиксации ротора в этом положении технологическим винтом, а статор выполнен из немагнитного материала.

Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает в процессе электромагнитного взаимодействия трехфазного магнитного поля с обмоткой ротора максимальное среднее за период значение трансформаторной ЭДС при ЭДС вращения, равной нулю, что приводит к максимальной величине постоянного напряжения на щетках.

На фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5 изображена принципиальная конструктивная схема предлагаемой машины, на фиг.6 - виток обмотки ротора в пространстве (заимствовано из прототипа), фиг.7 и фиг.8 поясняют постановку и план решения задачи, на фиг.9, фиг.10, фиг.11 и фиг.12 представлены результаты расчетов по поиску оптимального начального положения ротора.

Синхронная машина постоянного тока (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5) содержит статор 1 в виде полого цилиндра из немагнитного материала с закрепленными на нем тремя магнитопроводами 2 (фиг.4). Магнитопровод 2 имеет два полюса 3 и ярмо 4, образованные двумя дугообразными пазами на внутренней 5 и внешней 6 поверхностях магнитопровода 2. На ярме 4 намотана фазная обмотка 7, показанная в виде одного витка. Магнитопроводы 2 с фазными обмотками 7 закреплены на статоре 1 так, что оси 8 фазных обмоток 7 параллельны оси вращения (на фиг.2 они показаны точками рядом с обозначением фаз А, В, С) и сдвинуты в пространстве на 120°, а оси полюсов 3 перпендикулярны оси вращения и пересекаются на ней тоже под углом 120°. Оси полюсов фаз А, В и С обозначены на фиг.2 - оа, оb, ос соответственно. Магнитопроводы 2 с фазными обмотками 7 образуют симметричную трехфазную систему (фиг.5, статор 1 не показан). Между фазами А, В и С имеются радиальные пазы 9 для размещения лобовых частей фазных обмоток 7. На статоре 1 крепятся соосно два подшипниковых щита 10 и 11, в которых запрессованы подшипники 12, внутренней обоймой посаженные на вал 13. Через пластмассовую втулку 14 на валу 13 закреплены два токосъемных кольца 15, имеющие электрический контакт со щетками 16 (щеткодержатель не показан). На валу 13 закреплен ротор 17, имеющий на внешней поверхности кольцевой паз 18, выточенный в плоскости, перпендикулярной оси вращения и параллельной плоскостям витков фазных обмоток 7 так, что середина осевых размеров кольцевого паза 18 и ярма 4 магнитопровода 2 совпадают. Ротор 17 имеет также два аксиальных диаметрально противоположных паза 19 и 20 по обе стороны от кольцевого паза 18. Так что на пересечении аксиальных 19 и 20 и кольцевого 18 пазов каждый из них разделен на две половины. В пазах 18, 19 и 20 уложена обмотка ротора 21, изображенная в виде одного витка. Каждый виток 21 намотан в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в плоскости кольцевого паза 18 и аксиальных пазов 19 и 20. На фиг.1 и фиг.2 направление намотки витка 21 показано стрелками. Отметим, что на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5 фазные обмотки 7 трехфазной магнитной системы (фиг.5) и обмотка 21 ротора 17 изображены уложенными в изоляционные трубки. На фиг.6 показан виток 21 обмотки ротора 17 в пространстве. Провода аb, fe, dc и gh уложены в аксиальных пазах 19 и 20 ротора 17, а провода fng и cmb в кольцевом пазе 18 ротора 17. На фиг.3 изображен технологический винт 22, фиксирующий при необходимости (например, при пусконаладочных работах) оптимальное начальное положение ротора 17 с обмоткой 21 относительно магнитопровода 2 фазы А (подробней см. ниже). На фиг.4 и фиг.5 отверстие под технологический винт 22 не показано.

Предлагаемая синхронная машина постоянного тока работает, например в режиме генератора, следующим образом.

Из описания конструкции следует, что магнитное поле трехфазной магнитной системы предлагаемой синхронной машины является одновременно пульсирующим Ф_n и вращающимся Ф_вр, при этом зоны их взаимодействия с проводниками обмотки 21 ротора 17 (фиг.6) различны. Оси полюсов 3 пересекаются на оси вращения машины под углом 120°, поэтому в воздушном зазоре между полюсами 3 и ротором 17 магнитное поле вращается как в любой электромагнитной трехфазной системе. Назовем эту зону зоной вращающегося поля Ф_вр. Но в этой зоне вращаются синхронно с полем Ф_вр проводники аb, fe, dc и gh (фиг.6) обмотки 21 ротора 17. Поэтому ЭДС вращения е_вр в витке фиг.6 равна нулю. Одновременно провода fng и cmb обмотки 21 ротора 17 вращаются в зоне пульсирующего потока (объем, ограниченный центральным углом 120°, соответствующим магнитопроводу 2 фазы, и осевым размером р ярма 4 (см. фиг.1)) в плоскости, параллельной плоскостям витков фазных обмоток 7, в силу чего в любой момент времени провода fng и cmb пересекаются пульсирующими магнитными потоками Ф_П, создающимися токами фазных обмоток 7. По этой причине в проводах fng и cmb возбуждается трансформаторная ЭДС е_mp, среднее значение которой за период одной и той же полярности. В режиме холостого хода машины напряжение на щетках 16 постоянно и равно среднему за период значению трансформаторной ЭДС e_mp.

Это доказано в материалах патента РФ №2168833, однако остался нерешенным вопрос об оптимальном (по критерию максимума е_mp) начальном положении ротора 17 с обмоткой 21 относительно начала отсчета времени t=0 при пуске машины, за который принят момент времени, когда мгновенное значение синусоидального магнитного потока фазы А равно нулю. Ниже на основании математического анализа находится упомянутое оптимальное начальное положение ротора 17 и обмотки 21.

На фиг.7. дан разрез предлагаемой синхронной машины плоскостью А-А (фиг.1), где показаны ярмо 4 каждого магнитопровода 2, фазные обмотки 7, оси фазных обмоток фаз А, В и С 8, радиальные пазы 9 и провода fng и cmb (стрелками показано направление намотки, остальные детали фиг.2 не показаны), изображенные в положении когда угол α между биссектрисой центрального угла 120°, соответствующего фазе А, и радиусом оk, проходящим через точку k (фиг.2 и фиг.7), лежащую на пересечении линии, проведенной посредине аксиального паза 19 параллельно оси вращения, и окружности, проходящей через середину кольцевого паза 18 в плоскости, перпендикулярной оси вращения, равен нулю (α=0). Величина этого угла может быть любой в пределах 360°≥α≥0 и определяет начальное положение обмотки 21 ротора 17 при работе машины. Задача заключается в том, чтобы найти такие значения угла α, когда трансформаторная ЭДС в проводникам fng и cmb e_mp максимальна. Отметим, что на фиг.7 показана зона пульсирующего потока фазы А, ограниченная центральным углом 120° и осевым размером р ярма 4 магнитопровода 2 (см. фиг.1), с другой стороны длина дуги 120° по внутреннему радиусу R_вн ярма 4, умноженная на осевой размер р ярма 4, есть максимальная площадь S_m, через которую проходит пульсирующий магнитный поток Ф_n фазы, пересекая проводники fng и cmb и входя в ротор 17 (на фиг.7 не показан),

При вращении ротора 17 провода fng и cmb в течение периода непрерывно меняют свое положение относительно зон пульсирующих потоков Ф_n фаз. Поэтому площадь, через которую проходит пульсирующий поток фазы, пересекающий проводники fng и cmb (назовем эту площадь активной), за все время периода изменяется.

Рассмотрим сначала, как изменяются активные площади фаз при вращении проводника fng из начального положения, показанного на фиг.7. В этом положении активные площади фазы A S_a=0,5·S_m, фазы В S_в=0, фазы С S_c=S_m. При повороте обмотки 21 ротора 17 на угол, например, ωt=30° провод займет положение f'n'g'. Тогда активные площади будут S_с=0,75·S_m, S_в=0, S_c=0,75·S_m и так далее. Изменение мгновенного значения активной площади всех фаз за период показано на фиг.8 для α=0. Сплошной, штрихпунктирной и пунктирной линиями изображены зависимости S_a (t), S_в (t) и S_c (t) соответственно. Отметим, что физическим смыслом нормирующей функции F, используемой в прототипе (см. описание к патенту РФ №2168833), является фактически активная площадь фаз.

Как было указано выше, в обмотке 21 ротора 17 предлагаемой синхронной машины имеет место только трансформаторная ЭДС от фаз А, В и С соответственно

где B_а, B_в В_с - магнитные индукции пульсирующих полей фаз А, В и С.

Разлагая трапецеидальные периодические функции фиг.8 в ряды Фурье (см., например, кн.: И.Н.Бронштейн и К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Наука, М.: 1965, с.556), получаем для нашего случая

Зависимости (5), (6) и (7) написаны при предположении, что S_m=1 (см. формулу (1)).

В симметричной трехфазной магнитной системе мгновенные значения индукции фаз изменяются по законам

а их производные будут

Зная соотношения (5), (6), (7) и (11), (12), (13), можно по формулам (2), (3), (4) рассчитать зависимости трансформаторных ЭДС e_a(t), e_b(t), е_с(t) в проводе fng от воздействия пульсирующего магнитного потока каждой фазы от времени при любом угле α в течение периода 2π≥α≥0. Для оценки среднею за период значения ЭДС при различных углах α необходимо взять интегралы от (2), (3), (4) за период и их сложить

а затем найти максимум функции f(α).

Данная задача была решена в среде пакета программ для математических и инженерных расчетов MATHCAD v.11.

При расчетах в выражениях (11), (12) и (13) амплитуда В_m·ω была принята за единицу В_m·ω=1.

На фиг.9 показана аппроксимация функций фиг.8 рядами Фурье (5), (6), (7), на фиг.10 представлен график зависимости (14). Последний показывает, что при и функция (14) имеет максимальные по модулю значения. Следовательно, начальные положения обмотки 21 ротора 17, соответствующие данным величинам угла α, являются оптимальными. На фиг.11 даны графики зависимостей (2), (3), (4), полученные при оптимальном угле а также сумма их мгновенных значений за период (показано жирной линией). Средняя за период постоянная составляющая трансформаторной ЭДС в проводе fng равна 0,79 от амплитудного значения E_m=B_m·S_m·ω одной фазы. Отметим, что на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 ротор 17 с обмоткой 21 изображен в одном из оптимальных положений, а именно при

Подобным образом были проведены расчеты для определения максимального значения трансформаторной ЭДС в проводе cmb за период. Результаты оказались идентичными, приведенным выше для ЭДС в проводе fng. На фиг.12 показан график изменения мгновенного значения ЭДС в обмотке 21 ротора 17 за период (суммарная ЭДС проводов fng и cmb), средняя величина которой составляет 1,58 от амплитуды ЭДС одной фазы. Отметим, что в прототипе это число составляет лишь 1,368. Это свидетельствует о том, что в прототипе начальное положение обмотки якоря взято не оптимальным (см. описание патента РФ на изобретение №2168833, фиг.7). В оптимальном начальном положении ротор машины (см. там же) должен быть сдвинут на угол 30° против часовой стрелки.

Достоинством предлагаемой синхронной машины является повышение эффективности ее работы за счет повышения рабочего магнитного потока в зазоре машины и за счет определения оптимального начального положения ротора. Кроме того, существенно упрощается схема возбуждения предлагаемой машины. При подключении к щеткам 16 сопротивления по обмотке 21 ротора 17 пойдет постоянный ток, который будет одновременно и током возбуждения. Поэтому ток возбуждения автоматически увеличивается с ростом нагрузки, что повышает устойчивость работы машины без специальных систем регулирования тока возбуждения (см., например, кн.: Б.Ф.Токарев. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1990, с 415). Но главный результат в том, что фактически получен генератор постоянного тока, не содержащий в силовой цепи коллектора, других коммутаторов или выпрямителей. Дальнейшие исследования электромагнитных процессов в заявляемой машине приведут к разработке и промышленному использованию нового класса электрических машин.

Синхронная машина постоянного тока, содержащая статор с закрепленными на нем тремя магнитопроводами с фазными обмотками, намотанными в плоскостях, нормальных к оси вращения, уложенными в дугообразных пазах магнитопроводов, выполненных на их внутренней и внешней поверхностях, и радиальных пазах так, что оси фазных обмоток параллельны оси вращения и сдвинуты в пространстве на угол 120°, причем каждая фазная обмотка в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения, занимает часть сектора, соответствующего центральному углу 120° и ограниченного осевым размером ярма магнитопровода, а обмотка ротора намотана в двух взаимно перпендикулярных плоскостях так, что каждый ее виток состоит из двух секций, одна из которых расположена в плоскости, нормальной к оси вращения, и уложена в кольцевом пазу ротора, а другая, состоящая из двух частей, в плоскости, проходящей через ось вращения, в аксиальных, диаметрально противоположных пазах ротора по обе стороны от кольцевого паза, при этом пространственное положение обмотки ротора синхронизировано с мгновенными значениями магнитных потоков фазных обмоток, концы обмотки ротора соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу и имеющими контакт с неподвижными щетками, отличающаяся тем, что ротор установлен относительно оси фазной обмотки А в момент начала отсчета времени, когда мгновенное значение синусоидального магнитного потока фазы А равно нулю, в положение, определяющееся углами α=π/2 и α=3π/2 между биссектрисой центрального угла 120°, соответствующего фазе А, и радиусом, проходящим через точку пересечения линии, параллельной оси вращения посредине аксиального паза, и окружности в плоскости, перпендикулярной оси вращения, посередине кольцевого паза, с возможностью фиксации ротора в этом положении технологическим винтом, а статор выполнен из немагнитного материала.