Электрическая машина постоянного тока
Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в улучшении массо-габаритных характеристик и упрощении конструкции. Электрическая машина постоянного тока (МПТ) содержит обмотку якоря кольцевого типа. Магнитопровод якоря выполнен из кольцевых пакетов шихтованной стали, замкнутых по наружному диаметру внешним магнитопроводом. Магнитопровод индуктора выполнен из профилированных кольцевых пакетов шихтованной стали, сдвинутых относительно друг друга на электрический угол одного импульса, равный частному от деления ширины одного импульса на число пакетов индуктора, и разделенных между собой кольцевыми немагнитными промежутками. Обмотка индуктора создает одноименно полюсное магнитное поле. Воздушный зазор выполнен с периодическим изменяющимся значением на длине каждого полюсного деления по закону изменения магнитной индукции, обеспечивающей индуцирование в обмотке якоря однополярных импульсов переменной эдс на каждом полюсном делении. Внешний магнитопровод индуктора выполнен стержневым с охватами, скрепляющими сердечник статора. Сердечник якоря разделен на зоны прямых и обратных импульсов эдс, соотносящихся с зонами попарных пакетов прямых и обратных импульсов магнитопровода ротора. 3 ил.
Изобретение относится к машинам постоянного тока и может быть использовано как для генерирования электрической энергии постоянного тока, таки для электропривода механизмов.
Известны машины постоянного тока по патенту RU 2565384 С2, (51) МПК, HO2К 25/00 (2006.01) HO2К 19/20 (2006/01), HO2К 1/06 (2006.01), опубликовано 20.10.2015 Бюл. 29, принятый за аналог. Прототипом данного технического решения принята конструкция машины достоянного тока по патенту RU 2666970 С1, (51) МПК, HO2К 19/20 (2006.01), HO2К 1/12 (2006.01), опубликовано 18.09.2018, Бюл. №26 В прототипе машина постоянного тока содержит статор с сердечником якоря, с пакетами шихтованной стали с пазами по его расточке, разделенными кольцевыми немагнитными промежутками, с другими пазами на внешнем диаметре сердечника якоря с лобовыми частями обмотки якоря, соотносящиеся с пазами на расточке якоря с активными частями обмотки якоря, с другими прорезями по дну этих пазов, образующих насыщающие магнитные участки с дополнительными прорезями, с внешним магнитопроводом и обмоткой индуктора, ротор с магнитопроводом индуктора из кольцевых профилированных пакетов с одноименно полюсными делениями, с взаимным сдвигом соседних пакетов, разделенных между собою кольцевыми немагнитными промежутками на электрический угол сдвига, равный частному от деления ширины полюсного деления на число кольцевых промежутков между соседними пакетами, с воздушным зазором, изменяющимся на ширине полюсного деления в соответствии с законом изменения индукции магнитного потока, обеспечивающим индуцирование в обмотке якоря однополярных импульсов однопериодной ЭДС синусоидального типа с амплитудой затухающей практически до нулевого значения на ширине каждого полюсного деления по закону экспоненты.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- Внешний магнитопровод индуктора выполняется в виде массивного полого цилиндра, установленного на зубцах внешнего диаметра сердечника якоря из шихтованной стали, что практически не позволяет их использования для движения магнитного потока индуктора в аксиальном направлении. Это приводит к резкому увеличению требуемого поперечного увеличения массы и габаритов машины постоянного тока (МПТ),
- Использование в конструкции магнитопровода ротора профилированных дисков с одним направлением однонаправленных импульсов ЭДС не допускает увеличить активную длину сердечника якоря свыше (35÷40)% диаметра расточки статора, ограничиваемую допустимым значением индукции в поперечном сечении магнитопровода ротора, что ограничивает значение максимально допустимой, номинальной мощности машины постоянного тока особенно для быстроходных машин.
- Конструктивное исполнение МПТ с двумя независимыми обмотками якорей под северным и южным полюсами резко усложняет конструкцию МПТ и связано с большими технологическими трудностями.
Цель изобретения - устранение указанных недостатков в машине постоянного тока. Указанная цель достигается тем, что другие пазы на внешнем диаметре сердечника якоря выполняются установочными, внешний магнитопровод индуктора выполняется в виде продольных стержней из листовой стали с торцевыми захватами, стягивающими сердечник статора и размещаются в установочные пазы на внешнем диаметре сердечника якоря, лобовые части обмотки якоря устанавливаются между соседними продольными стержнями индуктора, сердечник статора разделен промежутками на зоны прямых и обратных однонаправленных однополярных импульсов с установленными в них обмотками индуктора, на роторе установлены попарно чередующиеся пакеты из профилированных дисков прямых и обратных однополярных импульсов однонаправленной ЭДС, соотносящиеся с соответствующими зонами прямых и обратных импульсов сердечника якоря, при этом профилированные диски в зонах прямых импульсов устанавливаются в направление значения угла полюсной дуги от начального значении αнач=0 до конечного значения равного αкон=Pi,
профилированные диски в зонах обратных импульсов устанавливаются в направление значения угла полюсной дуги от начального значении αнач=Pi до конечного значения равного αкон=0.
Отличительные признаки изобретения:
- Внешний магнитопровод индуктора выполняется стержневым с охватами, скрепляющими сердечник статора, что позволяет значительно улучшить массо-габаритные характеристики МПТ и упростить ее конструктивное исполнение;
- Создание симметричного импульса однополярной однонаправленной ЭДС путем суммирования магнитно не связанных импульсов ЭДС на активной длине витка обмотки якоря прямого направления и импульсов ЭДС обратного направления,
- Сердечник якоря разделен на зоны прямых и обратных импульсов ЭДС, соотносящимися с зонами попарных пакетов прямых и обратных импульсов магнитопровода ротора, что позволяет выполнить МПТ с большим числом катушек возбуждения и многократно увеличить максимальное значение мощности МПТ.
Предложенное соответствует критерию существенные отличия, так как из известного перечня информации установленного нормативным документом (п. 127-23-1-74) технические решения с признаками подобными заявленным не обнаружены. На фиг. 1 схематически изображена в продольном разрезе машина постоянного тока, на фиг. 2 фрагмент ее поперечного сечения статора, на фиг. 3 изображены импульсы ЭДС в относительных единицах (Еотн=Еα/Емах) на ширине полюсного деления. Машина постоянного тока включает статор с сердечником 1, с пазами 7 по его расточке, с другими установочными пазами 8, с дополнительными прорезями 9, с лобовыми частями 10 обмотки якоря, с активными частями 11 обмотки якоря, с другими прорезями 12 по дну пазов 7 и обмотками индуктора 2, ротор с магнитопроводом индуктора из кольцевых профилированных дисков 14, с воздушным зазором 15, внешний магнитопровод в виде продольных стержней 16 из листовой стали с торцевыми захватами 17, устанавливаются в установочные пазы 8, лобовые части 10 обмотки якоря устанавливаются между соседними продольными стержнями 16, сердечник статора 1 разделен промежутками на зоны (18, 19), (20, 21), (22, 23), прямых и обратных импульсов ЭДС обмотки якоря 11, попарно чередующиеся пакеты профилированных дисков прямых (18, 21, 22) и обратных (19, 20, 23) импульсов однополярной однонаправленной ЭДС обмотки якоря 11 соответственно соотносятся с зонами прямых и обратных импульсов обмотки якоря.
Устройство работает следующим образом.
При вращении ротора МПТ от первичного двигателя (турбины) во все обмотки индуктора (2), разделяющих сердечник якоря (1) на зоны прямых и обратных импульсов ЭДС, подается ток возбуждения. Ток возбуждения каждой попарной зоны прямых и обратных импульсов сердечника якоря создает независимые магнитные потоки равного значения. Магнитный поток проходит от обмотки возбуждения (2) вдоль продольных стержней (16) внешнего магнитопровода индуктора, спинку сердечника якоря (1), зубцы якоря, через зоны пакета прямых импульсов северного полюса (зона 18), воздушный зазор (15), пакет профилированных дисков (14) прямых импульсов, вал ротора, профилированные диски (14), пакет обратных импульсов профилированных дисков южного полюса, воздушный зазор(15), зубцы сердечника (зона 19), спинку сердечника (1), продольные стержни (16), внешнего магнитопровода. Пакеты профилированных дисков ротора соотносятся с соответствующими зонами прямых и обратных импульсов сердечника якоря (1). При этом диски ротора в зонах прямых импульсов устанавливаются в направлении угла полюсной дуги от начального значения αнач=0. до конечного значения αкон=Pi, а профилированные диски ротора в зонах обратных импульсов устанавливаются в направлении угла полюсной дуги от начального значения αнач=Pi. до конечного значения αкон=0.
Магнитный поток северного полюса (18, 21, 22) в зоне прямых импульсов индуцирует в относительных единицах на ширине каждого диска пакета в обмотке якоря (10) импульсы ЭДС типа
Магнитный поток южного полюса (19, 20, 23) в зоне обратных импульсов индуцирует на ширине каждого диска пакета в обмотке якоря (10) импульсы ЭДС типа
Суммарный импульс ЭДС одного диска имеет вид
Формы прямых, обратных импульсов и суммарных в относительных единицах представлены на фиг. 3, где 24-форма прямых импульсов, 25-форма обратных импульсов, 26-форма суммарных импульсов, что подтверждает их симметричность. Исполнение МПТ с попарным размещением зон прямых и обратных импульсов позволяет применять минимальное значение угла сдвига соседних профилированных пакетов, что позволяет получить высокое качество электроэнергии постоянного тока. Преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом заключается:
- Внешний магнитопровод индуктора выполняется стержневым с охватами, скрепляющими сердечник статора, что позволяет значительно улучшить массо-габаритные характеристики МПТ, максимально расширить возможности якорной магнитной системы и упростить ее конструктивное исполнение;
- Создание симметричного импульса однополярной однонаправленной ЭДС путем суммирования магнитно не связанных импульсов ЭДС на активной длине витка обмотки якоря прямого направления и импульсов ЭДС обратного направления;
- Сердечник якоря разделен на зоны прямых и обратных импульсов ЭДС, соотносящихся с зонами парных пакетов прямых и обратных импульсов магнитопровода ротора, что позволяет выполнить МПТ с большим числом катушек возбуждения и многократно увеличить максимальное значение мощности МПТ.
Машина постоянного тока, содержащая статор с сердечником якоря, выполненным из пакетов листовой шихтованной стали с разделенными кольцевыми немагнитными промежутками с пазами по его расточке и дополнительными прорезями в них, с другими пазами на внешнем диаметре сердечника якоря с дополнительными прорезями в них, образующими насыщающиеся магнитные участки, в пазах расточки якоря размещены активные участки электрических обмоток статора, ротор с магнитопроводом индуктора выполнен из кольцевых профилированных дисков с взаимным сдвигом соседних дисков, разделенных между собою кольцевыми немагнитными промежутками, их профилирование заключается в изменении рабочих воздушных зазоров по ширине полюсного деления в соответствии с законом изменения индукции магнитного потока, обеспечивающего индуцирование в обмотке якоря однополярных импульсов однонаправленной ЭДС синусоидального типа с амплитудой, затухающей практически до нулевого значения на ширине каждого полюсного деления по закону экспоненты, отличающаяся тем, что пазы на внешнем диаметре сердечника якоря выполнены установочными для внешнего магнитопровода, выполненного в виде продольных стержней магнитопровода из листовой стали с торцевыми захватами, стягивающими сердечник статора, лобовые части обмотки якоря располагаются между соседними продольными стержнями индуктора, сердечник статора разделен промежутками на зоны, обеспечивающие получение прямых и обратных однополярных однонаправленных импульсов с установленными в этих промежутках обмотками индуктора, на роторе установлены попарно чередующиеся пакеты из профилированных дисков прямых и обратных электромагнитных импульсов однополярной однонаправленной ЭДС. якоря, соотносящиеся с соответствующими зонами прямых и обратных импульсов сердечника якоря, при этом профилированные диски в зонах прямых импульсов устанавливаются в направлении значения угла полюсной дуги от начального значения αнач=0 до конечного значения αкон =Рi, профилированные диски в зонах обратных импульсов устанавливаются в направлении значения угла полюсной дуги от начального значения αнач=Рi до конечного значения угла полюсной дуги αкон=0, угол сдвига между соседними профилированными дисками равен частному от деления двойной полюсной дуги на полное число дисков ротора без одного.
