Електрична машина харченка з безвитковою обмоткою якоря

Винахід відноситься до електротехніки та до теорії електричних машин і може бути використаний в електромашинобудуванні для виготовлення електричних машин постійного струму з нерухомою якірною обмоткою в якості генератора або двигуна на низьку напругу та на великий струм. Відома електрична машина з безвитковою обмоткою якоря на великий струм, в якій якірною обмоткою слугує зовнішня циліндрична поверхня ротора, який виконаний із однієї стальної струмопровідної масивної поковки разом з валом [И.П. Копылов, Электрические машины, М., Энергоатомиздат, 1986, с.335, рис.5.85 и 5.86]. Основним недоліком цієї машини є її мала надійність із-за наявності обертової якірної обмотки та вузла ковзаючого струмовиводу. Відома також електрична машина, яка містить коаксіально станині статора зовнішній магнітопровід у формі суцільної циліндричної склянки з порожнистою стінкою, при цьому повітряна порожнина відкрита зі сторони протилежної його торцю, суцільне якірне осердя, яке виконане також у формі циліндричної склянки з радіальними отворами по колу стінки біля дна склянки, багатовиткову тороідальну якірну обмотку, яка нанесена на якірне осердя якоря так, що одна неактивна сторона кожного її витка розташована в отворі якірного осердя, а три других сторони витка відповідно обхвачують стінку склянки якірного осердя, при цьому якірне осердя з обмоткою розташовані у вн утрішній порожнині зовнішнього магнітопровіда і разом з ним формує замкнутий простір машини у внутрішній порожнині якого розташований роторний індуктор односпрямованого аксіального поля збудження [патент України №13809, 6 Η02К 31/00,1999 рік]. Недоліками відомої машини є її мала надійність, невисокі енергетичні показники та значні технологічні труднощі при виготовлені її якірної обмотки на великий струм. Вище перераховані недоліки обумовлені тим, що відома машина виконана не по оптимальній електромагнітній схемі та має одночасно складну конструтивну форму якірного осердя та зовнішнього магнітопровіда і, внаслідок чого, в суцільних тілах її якірного осердя та зовнішнього магнітопровіда під час роботи індукуються паразитні струми Фуко, які своїми діями зменшують надійність машини та її енергетичні показники, тобто її коефіцієнт корисної дії (К.К.Д.) та ефективність індукування електрорушійної сили (Е.Р.С.) в якірній обмотці. Складна конструктивна форма якірного осердя та зовнішнього магнітопровіда обумовила відповідно трудовитратний та ненадійний ручний технологічний процес намотки, розміщення та ізолювання обмотки на якірному осерді навіть у машинах малої потужності і, незважаючи при цьому на те, що в ци х машинах для виготовлення якірної обмотки застосовується тонкий та гнучкий дріт. Найбільш близькою до винаходу за технічною суттю є відома електрична машина, яка містить немагнітну станину статора, коаксіально станині нерухомий якір з обмоткою і роторний індуктор з валом, котрі розділені повітряною щілиною, в якій якірне осердя виконане у вигляді порожнистого циліндра із магнітом'якої сталі з двома явно вираженими робочими якірними осердями сформованими на його тілі повітряними щілинами виконаними у вигляді отворів по колу в його середній частині, при цьому робочі якірні осердя з'єднані між собою магнітопровідно та механічно залишками основного тіла, що залишилися на циліндрі між отворами, при цьому якірна обмотка виконана з парними перехресними витками, котрі проходять через ці отвори циліндра, укладеними на гладенький циліндр або в пази, які виконані на його внутрішній та зовнішній поверхні, а роторний індуктор виконаний у вигляді двох порожнистих циліндрів із магнітом'якої сталі, між днами яких розташоване джерело поздовжнього постійного магнітного поля збудження, які закріплені на загальному валу, і вставлений в немагнітні підшипникові щити [патент Росії №2168835, 7Η02К 23/38, 23/00, 57/00,2001 рік]. Недоліками машини є її мала надійність, невисокі енергетичні показники та значні технологічні труднощі при виготовлені її якірної обмотки на великий струм. Вище перераховані недоліки обумовлені в першу чергу тим, що відома машина виконана не по оптимальній електромагнітній схемі та має одночасно складну конструктивну форму якірного осердя та якірної обмотки. Мала надійність та невисокі енергетичні показники у відомій машині обумовлені тим, що на базі суцільного тіла якірного осердя утворилася друга непотрібна безвиткова якірна обмотка, яка являє собою замкнутий електричний контур з дуже малим внутрішнім електричним опором. Таким чином, незважаючи на те, чи відома машина працює в режимі генератора чи в режимі двигуна, роторний індуктор обертається і своїм магнітним потоком збудження індукує непотрібну обертову Е.Р.С. під дією якої в якірному осерді і виникають значні по величині струми, тобто струми Фуко. Отже, безвиткова якірна обмотка буде весь час працювати в режимі короткого замикання і, відповідно, на цей непотрібний та шкідливий електромагнітний процес буде витрачатися значна частина енергії джерела збудження роторного індуктора і, внаслідок чого, відома машина має понижений К.К.Д. та невисоку ефективність індукування Е.Р.С. Крім цього, струми Фуко, не виконуючи корисної роботи в машині зменшують її надійність тим , що весь час нагрівають її якірне осердя разом з обмоткою. Через деякий час роботи машини її якірне осердя може розігрітися до такої температури, що ізолюючий матеріал обмотки втратить свої властивості і вона вийде з ладу [М.И.Кузнецов, Основы электротехники, Μ., "Высшая школа", 1970, с.119]. А як відомо, обмотки електричних машин, в тому числі і якірна обмотка, належать до однієї з головних частин машини, і від того, як вони спроектовані та виконані, залежать основні енергетичні та масогабаритні характеристики, а також експлуатаційна надійність машини в цілому. Неоптимальна електромагнітна схема роторного індуктора також спричинила появі в машині низки додаткових недоліків та обмежень. По-перше, для ліквідації обхідних шляхів замикання магнітного потоку збудження підшипникові щити та станину статора машини необхідно виготовляти тільки із немагнітопровідного матеріалу. По-друге, виконання тіл полюсів збудження у формі порожнистих склянок та розміщення між їх днами джерела збудження сприяє замиканню більшої частини магнітного потоку збудження по активним частинам машини в районі джерела свого створення, тобто в районі середньої частини якірного осердя. Наслідок від цього - нерівномірне зчеплення активних частин витків якірної обмотки з магнітним потоком збудження по всій своїй лінійній довжині та обмеження лінійних розмірів машини по своїй осі. Наслідки від нерівномірного зчеплення - невисокі енергетичні показники, тобто низька ефективність індукування Е.Р.С. та понижений К.К.Д. машини. Складна конструктивна форма якірного осердя та обмотки, яка одноразово розташована на двох його робочих якірних осердях, обумовила дуже трудовитратний та ненадійний ручний технологічний процес виконання якірної обмотки. Особливо трудомісткий процес полягає в ручному просмикуванні провідників якірної обмотки двічі через вузькі отвори в циліндричній стінці якірного осердя. При таких технологічних умовах неможливо надійно ізолювати витки обмотки у вхідних та вихідних місцях отворів якірного осердя по тій причині, що в цих місцях провідники витка необхідно згинати під великим кутом і з малим радіусом згинання для того, щоб витки обмотки змогли розташуватися в пазах осердя або щільно лягли на його рівну циліндричну поверхню на двох його сторонах. Із-за складної геометричної форми якірного осердя і його обмотки практично неможливо автоматизувати процес її намотки та ізолювання навіть в машинах малої потужності не зважаючи при цьому на те, що в цих машинах для обмоток застосовується тонкий та гнучкий дріт. Ще більші технологічні труднощі виникають у відомій машині при виготовлені її якірної обмотки на великий струм де необхідно використовувати для обмотки дріт значного поперечного перерізу, який є дуже жорстким на згинання, а тим більше під малим радіусом та на великий кут. Всі ці вади та технологічні ускладнення не гарантують якісне виконання однієї з головних частин машини, тобто якірної обмотки на великий струм та з високими енергетичними показниками, які значно обмежують функціональні можливості відомої машини по її широкому використанні. Описані відомі електричні машини, особливо другий аналог та прототип, незважаючи при цьому на їх різну конструктивну форму, мають однакові характерні суттєві недоліки, а саме: малу надійність, невисокі енергетичні показники та значні технологічні труднощі при виготовлені їх якірних обмоток особливо на великий струм. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення електричної машини та технології її виготовлення, в якій шляхом конструктивної модифікації її електромагнітної схеми забезпечується виготовлення надійної машини на великий струм з підвищеними енергетичними показниками. За рахунок цього зменшуються технологічні труднощі на її виготовлення, знімаються обмеження на лінійні розміри машини по своїй осі та розширяється область її використання. Поставлена задача вирішуються тим, що електрична машина Харченка з безвитковою обмоткою якоря, яка містить немагнітну станину статора, коаксіально станині нерухомий якір з обмоткою і роторний індуктор з валом, котрі розділені повітряною щілиною, в якій якірне осердя виконане у вигляді порожнистого циліндра із магнітом'якої сталі з двома явно вираженими робочими якірними осердями сформованими на його тілі повітряними щілинами виконаними у вигляді отворів по колу в його середній частині, при цьому робочі якірні осердя з'єднані між собою магнітопровідно та механічно залишками основного тіла, що залишилися на циліндрі між отворами, якірна обмотка виконана з парними перехресними витками, котрі проходять через отвори циліндра, укладеними на гладенький циліндр або в пази, які виконані на його внутрішній та зовнішній поверхні, а роторний індуктор виконаний у вигляді двох порожнистих циліндрів із магнітом'якої сталі, між якими розташоване джерело поздовжнього постійного магнітного поля збудження, і встановлений разом з валом в немагнітні підшипникові щити, згідно винаходу, нерухомий якір виконано із двох однакових по розмірам робочих якірних осердь у формі порожнистих циліндрів принаймні з двома або більше радіальними виступами на їх зовнішній поверхні і які розташовані по колу осердь, як правило, на рівній віддалі один від одного, при цьому осердя розташовані коаксіально станині статора і нерухомо в ній зафіксовані з поздовжньою повітряною щілиною між собою по осі машини, робочі якірні осердя виконані безпазовими та шихтованими і набрані із суцільних кругових штампованих кілець або набрані із окремих кругових сегментів, якірна обмотка виконана із двох окремих робочих обмоток у вигляді тонкостінного циліндра з провідникового матеріалу, при цьому циліндри вставлені в робочі якірні осердя і нерухомо там зафіксовані відносно останніх, струмовиводи від обмоток під'єднані до двох протилежних кінців кожного провідникового циліндра, при цьому циліндри можуть бути з'єднані між собою електрично в одну загальну якірну обмотку або послідовно або паралельно, роторний індуктор розташований на валу разом з джерелом радіального постійного магнітного поля збудження, джерело має принаймні одну пару різнойменних полюсів збудження, кожний полюс якого розташований в просторі машини відповідно супроти свого робочого якірного осердя, при цьому роторний індуктор, робочі якірні осердя, провідникові циліндри якірної обмотки та другі частини машини виконані з урахуванням вимог її охолодження та вентиляції. Тут і далі під терміном "робоче якірне осердя" мається на увазі та найменша частина загального якірного осердя машини, на якій, як правило, розташована окрема самоздатна його робоча обмотка. Тут і далі під терміном "робоча обмотка" мається на увазі та найменша частина загальної якірної обмотки, яка може бути розташована на окремому робочому якірному осерді і яка може бути самостійно підключена до вихідних затискачів машини. Відокремлення робочих якірних осердь одне від одного однією повітряною щілиною поздовж осі машини та виготовлення їх ши хтованими із листів електротехнічної сталі вигідно відрізняє запропоновану електричну машину від прототипу тим, що цим те хнічним рішенням ліквідовані всі умови для виникнення в робочих якірних осердях стр умів Фуко і, відповідно, ліквідовані всі негативні наслідки від їх дії. Внаслідок чого зросла надійність машини, збільшився відбір потужності від джерела збудження для потреб індукування корисної Е.Р.С. в якірній обмотці та її К.К.Д., тобто одночасно підвищилися всі її енергетичні показники. Виконана повітряна щілина між двома робочими якірними осердями дозволяє в своєму просторі вільно розмістити лобові частини провідникових циліндрів двох суміжних робочих обмоток, а також мати тут місце для підключення до них струмовиводів машини та одночасно покращити їх о холодження. Виготовлення робочих якірних осердь з радіальними виступами та їх з'єднання між собою в одну нерухому магнітопровідну конструкцію якоря магнітопровідною станиною статора спрощує загальну конструкцію якірної обмотки машини та покращує процес її охолодження. Це запропоноване рішення дозволяє тепер використовува ти для виготовлення станини машини не дорогі і широко уживані в практиці електромашинобудування електротехнічні сталі та інші їм подібні матеріали або уже готові стальні корпуса від други х типів електричних машин. Виготовлення якірного осердя і загальної якірної обмотки із двох однакових між собою конструктивних модулів (частин), які мають між собою повну взаємозамінюваність, значно підвищує надійність та ремонтоздатність машини в період її експлуатації, а також спрощує технологію та зменшує тр удові витрати на її виго товлення Запропонована конструкція робочих якірних обмоток у формі провідникового циліндра дозволяє ліквідувати при виробництві машин на великий струм самий трудовитратний та ненадійний ручний технологічний процес виготовлення якірної обмотки. Запропонована технологічна форма якірної обмотки тепер уже не потребує вирубки пазів на циліндричній поверхні якірного осердя для розміщення в них провідників обмотки і це дозволяє водночас ліквідувати іще один трудовитратний технологічний процес при виготовлені запропонованої машини. Виконання загальної якірної обмотки з двох робочих якірних обмоток дозволяє простим переключенням їх струмовиводів між собою виконати загальну якірну обмотку машини на різну по величині напругу та стр ум. Виконання роторного індуктора з джерелом радіального магнітного поля збудження в якого тіла різнойменних полюсів виконані у вигляді суцільних циліндрів, а також розміщення цих тіл в просторі машини супроти своїх робочих якірних осердь, дозволяє направити магнітний потік збудження індуктора по найкоротшому своєму шляху по активним частинам машини і цим самим створити всі умови для його рівномірного зчеплення з кожним провідниковим циліндром по всій їх лінійній довжині. Запропоноване рішення збільшує е фективність індукування Е.Р.С. в запропонованій машині і, відповідно, її К.К.Д. та одноразово знімає обмеження на лінійні розміри машини по своїй осі, а також дозволяє виготовляти підшипникові щити із магнітопровідного матеріалу або їм подібних. Використання провідникового матеріалу якірної обмотки в заявленій машині більш ефективне і досягає величини майже в 100%, а в той же час, в прототипі, ефективність не досягає і 50% за рахунок наявності в його обмотці лобових частин та двох неактивних сторін кожного витка, які розташовані на зовнішній поверхні його якірного осердя і які, відповідно, не приймають участі в індукуванні Е.Р.С. Крім того, згідно з винаходом, станину статора та підшипникові щити машини можливо виготовити із магнітопровідного матеріалу або в комбінації з немагнітного матеріалу. В якості джерела збудження роторного індуктора можливе застосування постійного магніту або електромагнітної обмотки збудження. Магнітопровідну частину роторного індуктора можливо конструктивно виконати з неявно вираженими магнітними полюсами збудження. Позитивний ефект в запропонованій машині полягає в тому, що винаходом створена можливість виготовляти те хнологічно прості та надійні в роботі електричні машини на великий струм з більш високими енергетичними показниками та з більш ширшими можливостями по застосуванню. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де зображені: • на Фіг.1 - заявлена електрична машина Харченка з безвитковою обмоткою якоря, поздовжній розріз; • на Фіг.2 - розріз А-А Фіг.1. Заявлена електрична машина виконана в одному із багатьох можливих варіантів, коли в якості радіального джерела постійного магнітного поля збудження роторного індуктора використаний постійний магніт, який має в поперечному перерізі, наприклад, Η - подібну форму, при цьому його бокові сторони виконані у вигляді циліндра. Електрична машина містить станину статора 1 і нерухомий якір, який складається із двох окремих робочих якірних осердь 2, які мають на своїй зовнішній поверхні радіальні виступи 3, а у вн утрішній частині яких розташовані провідникові циліндри робочих обмоток 4, при цьому робочі якірні осердя 2 з'єднані між собою механічно і магнітопровідно в одну конструкцію якоря станиною статора 1, різнойменні полюси збудження 5 роторного індуктора 6, який нерухомо закріплений на валу 7. Роторний індуктор 6 разом з валом 7 встановлений в підшипникові щити, які на Фіг.1 і Фіг.2 не показані. Робочі якірні осердя 2 якоря машини виконані шихтованими, безпазовими і мають форму порожнистих циліндрів. Кожна робоча обмотка 4 загальної якірної обмотки машини виконана у вигляді тонкостінного циліндра із струмопровідного матеріалу. Провідникові циліндри робочих обмоток 4 встановлені у внутрішню порожнину робочих якірних осердь 2 і нерухомо там зафіксовані одним із відомих конструктивних способів. Струмовиводи від двох робочих обмоток 4 приєднані до двох протилежних лобових кінців кожного їх провідникового циліндра і виведені до зовнішньої коробки затискачів машини, котрі на Фіг.1 і Фіг.2 не показані. Для отримання різних по величині значень напруги та струмів провідникові циліндри робочих обмоток 4 можуть бути з'єднані між собою електрично послідовно або паралельно. В якості джерела збудження машини використовується постійний круговий магніт (Фіг.1 і Фіг.2) Η образного перерізу з паралельними сторонами перерізу, сторони якого направлені радіально до робочих якірних осердь 2 і котрі одночасно є різнойменними полюсами збудження 5 машини. В цьому випадку машина є безконтактною. В другому випадку, коли застосовується для цього електромагнітна обмотка збудження, на валу машини 7 встановлюють два струмопровідні кільця, які ізольовані як між собою так і від вала 7, через які підводиться струм до обмотки збудження. Машини середньої та великої потужності виконують завжди, як правило, безконтактними, використовуючи при цьому уже відомі безконтактні способи передачі струму на обмотку збудження роторного індуктора 6. Принцип дії машини базується на законі електромагнітної індукції і це наглядно видно із Фіг.1. Для наглядності розглянемо принцип дії машини в режимі генератора. Шлях магнітного потоку збудження Φ по активним частинам машини показаний на Фіг.1 стрілками. Заявлена машина працює наступним чином. При обертанні роторного індуктора 6 його магнітний потік Φ полюсів збудження 5 перетинає одноразово кожний провідниковий циліндр робочих обмоток 4 і одночасно індукує в них однакові по величині обертові Е.Р.С., які в кожному провідниковому циліндрі направлені по напрямку від одного його кінця до другого згідно з законом електромагнітної індукції. При послідовному і узгодженому електричному з'єднані цих циліндрів між собою сумарна Е.Р.С. загальної якірної обмотки машини Ε буде дорівнювати такому значенню: Ε = 2 х Ец, де Ец - значення Е.Р.С. одного провідникового циліндра робочої обмотки 4. При необхідності збільшення значення вихідного струму машини її робочі обмотки 4 з'єднують між собою паралельно. Використання заявленої машини в суспільному виробництві дозволить збільшити ефективність перетворення різних видів енергії в електричну при одночасному знижені вартості цього перетворення.