Електрична машина змінного струму з комбінованим збудженням

Реферат: Винахід належить до електромашинобудівної галузі і може бути використаний як генератор змінного струму на гідро- або вітроелектростанціях, а також, як тихохідний синхронний двигун. Електрична машина має в своєму складі статор з циліндричним магнітопроводом, на внутрішній поверхні якого закріплено три однакові, взаємно зміщені в осьовому напрямку зубчасті кільцеві пакети з обмоткою змінного струму в пазах пакетів. Безобмотковий ротор виконано з двома боковими кільцевими ярмами та центральною втулкою, на яких закріплено по колу і у два ряди поздовжні шихтовані пакети. Ряди пакетів взаємно зміщено в осьовому і в тангенціальному напрямках. На ярмах, у проміжках між поздовжніми пакетами, закріплено постійні магніти з радіальною намагніченістю, причому на кожному з ярем - однакового спрямування, а на різних ярмах - протилежного. Кільцеві обмотки збудження закріплено у проміжках між середнім та крайніми пакетами статора. Електрична машина, завдяки введенню в конструкцію постійних магнітів та унеможливлення їх розмагнічування магнітним полем обмоток збудження, забезпечить більшу потужність в тих же габаритах. UA 105861 C2 (12) UA 105861 C2 UA 105861 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електромашинобудівної галузі і може бути використаний як генератор змінного струму на гідро- або вітроелектростанціях, а також, як тихохідний синхронний двигун. Відома синхронна редукторна електрична машина [А.с. СРСР №1023560, кл Н02K 19/06, БВ №22, 1983р.] в складі зубчастих статора і ротора, обмоток якоря та збудження і постійних магнітів, закріплених у пазах ротора або статора і намагнічених у радіальному напрямку зустрічно намагніченості зубців ротора від струму обмотки збудження. Недоліком вказаної конструкції є неефективне використання постійних магнітів із-за часткового розмагнічування їх струмом обмотки збудження машини. Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованого виноходу є електрична машина [Патент UA №85899, кл. Н02K 19/16, БВ №5, 2009р.] в складі циліндричного магнітопроводу, всередині якого розміщено статор з трьома, взаємно зміщеними в осьовому напрямку кільцевими зубчастими пакетами, та обмоткою змінного струму в пазах пакетів, безобмоткового ротора з двома, взаємно зміщеними в осьовому і в тангенціальному напрямках рядами поздовжніх пакетів з полюсами на їх кінцях, та двох нерухомих кільцевих обмоток збудження, розташованих у проміжках між полюсами і ввімкнених зустрічно по магнітному потоку в зубцях статора. Недоліком зазначеної електричної машини є значні витрати активних матеріалів, зумовлені низьким використанням магнітного потоку збудження. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення електричної машини, в якій шляхом введення нових конструктивних елементів, зокрема постійних магнітів, забезпечується більш ефективне використання провідникових матеріалів, що дозволить зменшити їх витрати та підвищити ефективність роботи машини. Поставлена задача вирішується тим, що у відому електричну машину в складі статора з циліндричним магнітопроводом, на внутрішній поверхні якого закріплено три однакові, взаємно зміщені в осьовому напрямку, кільцеві зубчасті пакети з обмоткою змінного струму в пазах без обмоткового ротора з двома, розташованими по колу та взаємно зсунутими в аксіальному і в тангенціальному напрямках, рядами поздовжніх шихтованих пакетів, та двох нерухомих кільцевих обмоток збудження, ввімкнених зустрічно по магнітному потоку в зубцях статора, згідно з винаходом, введено перший і другий ряди постійних магнітів та, відповідно, два кільцевих ярма, на яких закріплено зовнішні (по довжині) кінці, повздовжніх пакетів ротора і, у проміжках між цими пакетами, постійні магніти виконані радіальною намагніченістю, причому в кожному з рядків - однакового спрямування, а в різних рядах - протилежного; обмотки збудження закріплено у проміжках між середнім та крайніми пакетами статора. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображено поздовжній переріз машини; на фіг. 2 і 3 - поперечні перерізи, на фіг. 4 показано розгортку частини ротора на площину. Пропонована електрична машина може бути виконана однофазною, як генератор змінного струму, або трифазною, як генератор чи двигун змінного струму. Електричну машину виконано зі статором з циліндричним магнітопроводом 1 (фіг. 1, 2, 3), на внутрішній поверхні якого закріплено три однакові кільцеві зубчасті пакети 2, 3, 4, зібрані, як варіант, з ізольованих пластин електротехнічної сталі. В пазах пакетів розміщено котушки 5 обмотки змінного струму. На валу 6 машини закріплено три втулки 7, на які опираються три диски 8. До зовнішніх поверхонь крайніх дисків прикріплено кільцеві ярма 9 і 10, до середнього диска, який виконано немагнітним, - циліндричну втулку 11 також з немагнітного матеріалу (фіг. 1). На зовнішніх поверхнях ярем 9, 10 і втулки 11 зі зсувом в аксіальному напрямку закріплено у два ряди 12 і 13 поздовжні шихтовані пакети ротора 14, які також взаємно зміщено в тангенціальному напрямку, як варіант, на половину зубцевої поділки ротора. На зовнішніх поверхнях ярем 9, 10 у два ряди, у проміжках між пакетами 14 закріплено постійні магніти 15 з радіальною намагніченістю, які утворюють два ряди. Намагніченість в кожному з рядів має однакове спрямуванням в рядах – протилежне (фіг. 4). Ширину кожного з ярем 9 і 10 виконано не меншою товщини кільцевого пакета статора. У проміжках між середнім 3 та крайніми 2 і 4 пакетами статора (фіг. 1) закріплено першу 16 та другу 17 обмотки збудження, які приєднані до джерела постійного струму (на фіг. не показано) і сполучені таким чином, що магнітні потоки вказаних обмоток в зубцевих зонах як середнього, так і крайніх пакетів статора орієнтовані у протилежних напрямках. Електрична машина працює таким чином. Після ввімкнення джерела постійного струму в магнітних ланцюгах машини виникають магнітні потоки збудження. Так потік Ф 1, збуджений струмом обмотки 17 у випадку, коли поздовжні пакети ротора 14 ряду 13 знаходяться проти відповідних зубців пакетів 3 і 4 статора (фіг. 1), проходить по правій частині магнітопроводу 1, далі, у радіальному напрямку по кільцевому пакету 4 і через повітряний проміжок входить у відповідні 1 UA 105861 C2 5 10 15 20 25 30 поздовжні пакети 14 ротора і, нарешті, через другий повітряний проміжок та кільцевий пакет 3 статора знову в магнітопровід 1. Магнітний потік Ф2, викликаний струмом обмотки збудження 16 у випадку, коли поздовжні пакети ротора ряду 12 знаходяться проти відповідних зубців пакетів 2 і 3 статора, проходить подібним шляхом по лівій стороні машини. При цьому вказані магнітні потоки в зубцях крайніх пакетів 2 і 4 статора залишаються незмінними за напрямком в обох, вказаних вище, випадках. В зубцях середнього пакета 3 статора магнітний потік змінює напрямок почергово - від Ф1 до Ф 2 (фіг. 2). Магнітний потік Фм постійних магнітів 15 в окремих зубцях кільцевих пакетів 2 і 4 статора співпадає за напрямком з потоком обмоток збудження при відповідному напрямку струму в цих обмотках. В сусідніх, відносно вказаних, зубцях пакетів 2 і 4 має місце тільки магнітний потік Фм, але зворотнього напрямку (фіг. 3, лінії потоку Фм позначено пунктиром). Таким чином, магнітне поле у повітряному проміжку між пакетами 2, 4 статора і пакетами ротора 14 подібне полю звичайної синхронної машини. При зміні розміру і напрямку струму обмоток збудження будуть відповідно змінюватись магнітні потоки Ф1 і Ф2, що приведе до зміни результуючих потоків в окремих зубцях пакетів 2 і 4 в межах Фм ± Ф1(2). При обертанні вала 6 машини стороннім двигуном (режим генератора) поздовжні пакети 14 ротора та постійні магніти 15 безперервно змінюють своє положення відносно зубців кільцевих пакетів 2, 3 і 4 статора, що викличе зміну магнітних потоків в цих зубцях за розміром та напрямком і, як наслідок, появу в котушках 5 обмотки змінної електрорушійної сили (ЕРС). При сполученні котушок 5 у трифазну обмотку "зірка" або "трикутник" і приєднанні останньої до джерела трифазного змінного струму в повітряному проміжку машини виникне обертове магнітне поле. Його взаємодія з магнітним полем обмоток збудження та постійних магнітів створить обертовий момент, який забезпечить роботу машини в режимі двигуна. Введення в конструкцію машини постійних магнітів зробить магнітні потоки у повітряних проміжках змінними не тільки за розміром, як у прототипі, але і за напрямком, що приведе до збільшення ЕРС у генераторі та обертового момента у двигуні. Розміщення постійних магнітів на ярмах у проміжках між поздовжніми пакетами ротора робить неможливим їх розмагнічування магнітним полем обмоток збудження, тому що магнітні кола, по яких проходять магнітні потоки обмоток збудження і постійних магнітів взаємно незалежні. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 Електрична машина з комбінованим збудженням, що містить статор з циліндричним магнітопроводом, на внутрішній поверхні якого закріплено три однакові, взаємно зміщені в осьовому напрямку, зубчасті кільцеві пакети з обмоткою змінного струму в пазах, безобмотковий ротор з двома, розташованими по колу та взаємно зсунутими в аксіальному і в тангенціальному напрямках, рядами поздовжніх шихтованих пакетів, та дві нерухомі кільцеві обмотки збудження, ввімкнені зустрічно по магнітному потоку в зубцях магнітопроводу статора, яка відрізняється тим, що між пакетами в рядах розміщені постійні магніти та, відповідно, два кільцевих ярма, на яких закріплено зовнішні (по довжині) кінці повздовжніх пакетів ротора і, у проміжках між цими пакетами, постійні магніти, виконані з радіальною намагніченістю, причому в кожному з рядів намагніченість однакового спрямування, а в різних рядах - протилежного; обмотки збудження закріплені у проміжках між середнім та крайніми пакетами статора. 2 UA 105861 C2 3 UA 105861 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4