Електрична машина змінного струму

Реферат: Винахід належить до електричних машин, а саме - до безконтактних, і може бути використаний як тихохідний генератор або двигун змінного струму. Електрична машина зі статором, виконаним з поздовжніми шихтованими пакетами, кінці яких покладено на кільцеві магнітопроводи, та ротором зі втулкою на валу та з двома радіальними зубчастими пакетами, які взаємно зміщені в осьовому і в тангенціальному напрямках та сполучені між собою по внутрішніх поверхнях поздовжніми шихтованими пакетами. У проміжку між вказаними пакетами розміщено кільцеву обмотку змінного струму. На кінцевих ділянках поздовжніх пакетів статора закріплено дві обмотки збудження, сполучені з джерелом постійного струму та виконані з окремих котушок, витки яких охоплюють окремо кожний з пакетів, причому котушки сусідніх по колу пакетів ввімкнені між собою зустрічно по магнітному потоку, як і самі обмотки. У двофазному виконанні машину виконано з двома обмотками змінного струму та з двома парами радіальних зубчастих пакетів, які взаємно зміщені в азимутальному напрямку на 90 електричних градусів і розташовані поруч. Пропонована електрична машина забезпечить спрощення конструкції та зменшення витрат активних матеріалів. UA 105860 C2 (12) UA 105860 C2 UA 105860 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі електромашинобудування, а саме до безконтактних електричних машин, і може бути використаний як тихохідний генератор або двигун змінного струму. Відома електрична машина змінного струму [Пат. 2096893 РФ, кл. Н 02K 17/00, 19/00, Машинно-трансформаторний агрегат / Д.В. Свічарник //Открытия. Изобретения. 1997. Бюл. № 32] в складі двох пристроїв-машинного і трансформаторного, магнітопроводи яких мають загальну частину у вигляді поздовжніх шихтованих пакетів з нерухомими обмотками якоря та збудження, причому машинний пристрій виконано у вигляді феромагнітної системи статора і ротора з зубцями, оберненими в бік проміжку між статором і ротором і взаємно зміщеними в осьовому напрямку. Обмотку збудження розташовано у проміжку між зубцями ротора. Недоліками вказаної електричної машини є складна конструкція та значні витрати феромагнітних матеріалів. Також відома електрична машина [Пат. 2037940 РФ, кл. Н 02K 19/06. Электрическая машина / Д.В. Свічарник // Открытия. Изобретения. 1995, Бюл. № 17] з магнітопроводом у складі зубчастих кільцевих пакетів статора і ротора кількістю, відповідною числу фаз, взаємно зміщених в осьовому напрямку та сполучених між собою поздовжніми шихтованими пакетами по внутрішній і зовнішній поверхнях. Кільцеві обмотки збудження та якоря розміщено концентрично у проміжках між сусідніми зубчастими кільцевими пакетами статора і, частково, ротора. Вказані кільцеві пакети статора або ротора взаємно зміщено парами в тангенціальному напрямку на кут 2π/m, де m - число фаз. Недоліком машини є складна конструкція і, як наслідок, значні витрати провідникового та магнітного матеріалів. Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованого винаходу є індукторна електрична машина [А.с СРСР № 502450, кл. Н 02K 19/20. Индукторная электрическая машина / Л.І. Астаф'єв //Бюл. №5, 1976] в складі статора з аксіально зміщеними замикаючими та внутрішніми зубчастими кільцевими пакетами, сполученими між собою ярмами у вигляді шихтованих поздовжніх пакетів, нерухомих кільцевих обмоток збудження і якоря, розташованих почергово у проміжках між кільцевими пакетами, починаючи і закінчуючи обмотками збудження, та ротора зі втулкою на валу, на зовнішній поверхні якої розміщено поздовжні шихтовані пакети та аксіально зміщені зубчасті та замикаючі кільцеві пакети. Сусідні кільцеві зубчасті пакети статора або ротора взаємно зсунуто по колу на половину зубцевої поділки ротора. Крім того, у трифазному виконанні, машина може бути виконана багатопакетною, а пари відповідних кільцевих зубчастих пакетів взаємно зміщено по колу на третину зубцевої поділки ротора. Недоліками зазначеної електричної машини є значна маса, викликана використанням зубчастих кільцевих та поздовжніх шихтованих пакетів статора, і значні витрати провідникового матеріалу, особливо у трифазному виконанні, із-за збільшення кількості обмоток збудження. В основу винаходу поставлено задачу по удосконаленню електричної машини змінного струму, в якій шляхом зміни конструкції магнітопроводу, іншим виконанням обмоток збудження та введенням нових елементів спрощується конструкція і зменшується (у багатофазному виконанні) кількість обмоток збудження, що дозволить зменшити витрати активних матеріалів та збільшити коефіцієнт корисної дії машини. Поставлена задача вирішується тим, що у відомій електричній машині змінного струму в складі статора з поздовжніми шихтованими пакетами, кінці яких покладено на замикаючі кільцеві магнітопроводи, ротора зі втулкою та з двома радіальними зубчастими пакетами, які взаємно зміщено в осьовому і в тангенціальному напрямках та сполучено між собою по їх внутрішніх поверхнях поздовжніми шихтованими пакетами і між якими розташовано кільцеву обмотку змінного струму, та двох обмоток збудження, що примикають до замикаючих кільцевих магнітопроводів і ввімкнені до джерела постійного струму зустрічно по магнітному потоку, згідно з винаходом, обмотки збудження виконано з окремих, з'єднаних між собою котушок, витки яких охоплюють кожний з поздовжніх пакетів статора, причому котушки сусідніх пакетів ввімкнені між собою послідовно-зустрічно по магнітному потоку; радіальні зубчасті пакети ротора зроблено з ізольованих пластин електротехнічної сталі у вигляді сегментів, складених із взаємним перекриттям. Крім того, згідно з винаходом, в ротор машини введено другу пару радіальних зубчастих пакетів, взаємно зміщених в осьовому напрямку, та другу обмотку змінного струму у проміжку між цими пакетами, причому другу пару пакетів зміщено в азимутальному напрямку на 90 електричних градусів відносно першої і розташовано впритул до неї. Крім того, згідно з винаходом, введено резистор, дросель та два діоди, перший з яких з послідовно з'єднаним дроселем приєднано до одного з виводів джерела постійного струму у провідному напрямку, а другий, з послідовно сполученим з ним резистором, ввімкнено паралельно з'єднаним між собою обмоткам збудження і зустрічно з першим діодом. 1 UA 105860 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображено поздовжній переріз електричної машини, на фіг. 2 і 3 - поперечні перерізи, на фіг. 4 і 5 - умовні схеми з вказаними напрямками магнітних потоків в елементах магнітопроводу, на фіг. 5 зображено електричну схему живлення обмоток збудження. Електрична машина може бути виконана в однофазному, двофазному або у багатофазному виконанні. Електрична машина в однофазному виконанні має у своєму складі ротор з немагнітною втулкою 1, закріпленою на валу 2, на зовнішній поверхні якої розміщено аксіальні шихтовані пакети 3 (фіг. 1). Зовні пакетів 3 закріплено два радіальні зубчасті пакети 4 і 5, які взаємно зміщені в осьовому напрямку. Крім того, пакети 4 і 5 ротора зміщені в тангенціальному напрямку на геометричний кут π/Z2, де Z2 - кількість зубців ротора в одному пакеті. Пакети 4 і 5 виконано з окремих, ізольованих пластин електротехнічної сталі у вигляді сегментів, які складено із взаємним перекриттям. У проміжку між пакетами 4 і 5 розміщено нерухому кільцеву обмотку змінного струму 6 (фіг. 1). Статор електричної машини виконано з окремих поздовжніх шихтованих пакетів 7, розташованих по колу зовні зубців ротора 5 з відповідним проміжком (фіг 1-3). Краї пакетів 7 покладено на замикаючі кільцеві магнітопроводи 8 і 9 складених з пластин електротехнічної сталі. На кінцевих, в осьовому напрямку, ділянках кожного з пакетів 7 закріплено котушки 10 і 11, відповідно першої та другої обмоток збудження, які з'єднані між собою послідовно і таким чином, що магнітні потоки збудження в сусідніх пакетах і в кінцевих ділянках кожного з пакетів орієнтовані взаємно зустрічно (фіг. 1, 4, 5). Постійний струм в обмотках збудження забезпечує джерело живлення 12, до позитивного виводу якого ввімкнено перший діод 13 у провідному напрямку послідовно з дроселем 14. Другий діод 15 сполучено послідовно з резистором 16 і разом з ним приєднано до джерела живлення 12 та обмоток збудження зустрічно по провідності з першим діодом (фіг. 6). Поздовжні пакети 7 сполучені між собою в центральній частині заливом немагнітним сплавом 16. Кільцева обмотка 6 прикріплена по своїй зовнішній поверхні до внутрішньої сторони поздовжніх пакетів 7 (фіг. 1). В однофазних генераторах має місце співвідношення Z1=2Z2, де Z1 - число зубців (поздовжніх пакетів) статора. Пропонована електрична машина працює таким чином. Після ввімкнення джерела живлення 12 в котушках 10 і 11 обмоток збудження виникає постійний струм, який створює відповідні магнітні потоки Фл і Фп. Вказані потоки через повітряні проміжки входять в зубці радіального пакета ротора, наприклад, 4, проходять по аксіальних шихтованих пакетах 3, далі по зубцях другого радіального пакета 5 та повітряним проміжкам входять у відповідні поздовжні пакети 7. Магнітний потік Ф (фіг. 1, 4, 5) в аксіальних пакетах ротора 3 дорівнює сумі потоків Ф л і Фп. Після повороту ротора на геометричний кут π/Z2 (Фіг. 5) відносно попереднього положення (фіг. 4), магнітні потоки Ф в зубцях радіальних пакетів ротора 4, 5 і в аксіальних пакетах 3 змінять свій напрямок на протилежний. При обертанні ротора машини стороннім двигуном зубці пакетів ротора 4 і 5 безперервно змінюють своє положення відносно поздовжніх пакетів 7 статора, що приведе до зміни магнітного потоку Ф за напрямком і розміром і викличе появу змінної електрорушійної сили (ЕРС) в обмотці 6. Частота ЕРС складе: f=Z2 * n, де n - частота обертання ротора. У двофазному виконанні електричної машини як генератора, завдяки зміщенню другої пари кільцевих пакетів ротора в азимутальному напрямку відносно першої на 90 електричних градусів, у другій обмотці змінного струму (при обертанні ротора) виникне змінна ЕРС з фазовим зсувом π/2 відносно ЕРС першої обмотки. При цьому магнітні потоки збудження створюються також двома обмотками, як і у випадку однофазного виконання машини. В режимі двигуна у двофазному виконанні машини кільцеві обмотки вмикають до двофазного джерела струму. При цьому в повітряних проміжках між поздовжніми пакетами 7 статора та зубцями кільцевих пакетів 4 і 5 ротора виникне обертове магнітне поле, яке у взаємодії з магнітним потоком збудження створить механічний момент, що викличе обертання ротора. При роботі електричної машини зміна положень зубців пакетів 4 і 5 ротора відносно поздовжніх пакетів 7 статора викличе зміну розмірів потоків Ф л і Фп в часі і, як наслідок, появу в котушках 11, 12 і, відповідно, в обмотках збудження змінної ЕРС. Струм, викликаний вказаною ЕРС, негативно вплине на роботу джерела живлення 12. Для запобігання цьому за допомогою діода 15 і резистора 16 шунтують джерело живлення (по змінному струму) в один із півперіодів дії ЕРС. Цьому також сприяє дросель 14. В другі півперіоди джерело живлення захищає діод 13, який ввімкнено в непровідному напрямку для ЕРС цього півперіоду (фіг. 6). Струм через діод 15 2 UA 105860 C2 5 10 15 20 також забезпечує підмагнічування магнітного кола збудження машини. Резистор 16 може бути регульованим, що дозволить змінювати рівень підмагнічування. Виконання обмоток збудження з окремих котушок, розміщених на кінцевих ділянках поздовжніх пакетів статора, дозволить зменшити кількість повітряних проміжків (в однофазній машині - у два рази) між статором і ротором (у порівнянні з прототипом) та забезпечити спільну, і тому більше ефективну, роботу обох обмоток збудження (у прототипі вказані обмотки працюють почергово). При цьому для створення заданої ЕРС зменшиться розмір струму збудження або витрати провідникового матеріалу на виконання обмоток збудження. Виконання радіальних пакетів ротора з ізольованих пластин у вигляді сегментів із взаємним перекриттям практично виключить появу в цих пакетах вихрових струмів від магнітного потоку в пакетах 3. Відсутність радіальних зубчастих пакетів статора та замикаючих кільцевих магнітопроводів ротора і пов'язане з цим зменшення довжини поздовжніх роторних пакетів (у порівнянні з прототипом) дозволить зменшити витрати магнітних матеріалів і відповідно, зробити меншою масу машини. Використання тільки двох обмоток збудження в багатофазному виконанні машини дозволить спростити її конструкцію та зменшити витрати провідникового матеріалу. Використання схеми з двома діодами, дроселем та резистором в електричному колі джерела постійного струму забезпечить захист цього джерела від шкідливої дії змінної ЕРС, викликаною магнітним потоком реакції якоря(статора). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 1. Електрична машина змінного струму, що містить статор з поздовжніми шихтованими пакетами, кінці яких покладено на замикаючі кільцеві магнітопроводи, ротор зі втулкою та з двома радіальними зубчастими пакетами, які взаємно зміщено в осьовому і в тангенціальному напрямках та сполучено між собою по їх внутрішніх поверхнях поздовжніми шихтованими пакетами і в проміжку між якими розташовано кільцеву обмотку змінного струму, та дві обмотки збудження, що примикають до внутрішніх сторін замикаючих кільцевих магнітопроводів і ввімкнені до джерела постійного струму зустрічно по магнітному потоку, яка відрізняється тим, що обмотки збудження виконано з окремих, з'єднаних між собою котушок, витки яких охоплюють кожний з поздовжніх пакетів статора, причому котушки сусідніх пакетів ввімкнені між собою послідовно-зустрічно по магнітному потоку; радіальні зубчасті пакети ротора виконано з ізольованих пластин електротехнічної сталі у вигляді сегментів, складених із взаємним перекриттям. 2. Електрична машина за п. 1, яка відрізняється тим, що в ротор введено другу пару радіальних зубчастих пакетів, взаємно зміщених в осьовому напрямку, та другу обмотку змінного струму у проміжку між цими пакетами, причому другу пару пакетів зсунуто в азимутальному напрямку на 90 електричних градусів відносно першої і розташовано впритул до неї. 3. Електрична машина за пп. 1 і 2, яка відрізняється тим, що введено резистор, дросель та два діоди, перший з яких з послідовно ввімкненим дроселем приєднано до одного з виводів джерела постійного струму у провідному напрямку, а другий, з послідовно сполученим з ним резистором, ввімкнено паралельно з'єднаними між собою обмотками збудження і зустрічно з першим діодом. 3 UA 105860 C2 4 UA 105860 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 5