Низькошвидкісна електрична машина з кільцевим статором

Низькошвидкісна електрична машина з кільцевим статором, що містить статор з радіальними пазами для укладання обмотки якоря, тороїдальну C2 1 3 86912 4 вий ротор складається з феромагнітного кільця, на (750¸4500об./хв.), прототипу властиві недоліки кожній зі сторін якого встановлений ряд феромагнизькошвидкісних машин (25¸125об./хв.), які пов'янітних полюсів із проміжком у полюсний поділ й зі зані з різким зменшенням коефіцієнта корисної дії зсувом одного ряду відносно іншого також на ве(ККД) через необхідність збільшення загальної личину полюсного поділу, причому феромагнітне довжини провідників обмотки якоря, відповідно, й кільце конструктивно поєднується з валом радізбільшення активного опору та втрат в обмотці ально орієнтованими стрижнями-спицями, довжиякоря. на кожного з яких визначається розрахунковим Окрім того, зсув при укладанні секцій обмотки значенням середнього радіуса кільцевого статора, якоря двох протилежних модулів на полюсний при цьому як підшипникові щити кільцевого статоподіл забезпечує повну компенсацію магніторура поєднуються торцевими щитами секторного шійних сил (МРС) струмів лобових частин і, відповиду. відно, магнітного потоку МРС лобових частин F٨ Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю на шляху основного магнітного потоку Fо в основзаявлених ознак і досягненням технічного резульному при малих і середніх значеннях потужності тату можна пояснити наступним. прототипу (до 100кВт). При більших значеннях У низькошвидкісній електричній машині з кільпотужності, тобто при більших струмах секцій обцевим статором, що заявляється, геометричні мотки якоря, у зоні крайніх зубців кожного полюсрозміри основних конструктивних елементів виного поділу магнітопроводів якоря проявляється значаються виходячи з максимального значення вплив потоку F٨, аналогічний впливу поперечної коефіцієнта корисної дії й високої швидкодії, тобто реакції якоря звичайної машини постійного струму, забезпечення значних перезавантажень по струму що обумовлено неповною компенсацією струмів в динамічних режимах. Збільшення в порівнянні з лобових частин секцій обмоток протилежних мопрототипом, середнього радіуса кільцевого магнідулів якоря в крайніх перетинах кожного полюснотопроводу якоря забезпечує при малих значеннях го поділу. Подібний вплив магнітного потоку струкутової швидкості дискового ротора значне підвимів лобових частин на основний магнітний потік щення окружної (лінійної) швидкості полюсів відпрототипу обмежує його перевантажувальну здатносно магнітопроводу якоря, чим забезпечується ність, відповідно, зменшує його швидкодію й погізменшення довжини провідників і активного опору ршує динамічні характеристики двигуна. обмотки якоря, відповідно, зменшення втрат енерВ основу винаходу поставлена задача створигії в електричній машині з кільцевим статором, ти низькошвидкісну електричну машину, в якій підвищення ККД. Попередній розрахунок генерастатор у вигляді кільцевої структури П-подібної тора для повітроенергетичної установки на базі форми з обмоткою якоря й тороїдальною обмотпрототипу з параметрами: Рн=100кВт; nн=400В; кою збудження винесений на певну розрахункову nн=80об./хв. показав ККД h=0,65 при середньому величину середнього радіуса магнітопроводу якорадіусі магнітопроводу якоря Rep=0,8м. Для елекря, а дисковий ротор із двостороннім розташувантричної машини, що заявляється, при однакових ням феромагнітних полюсів конструктивно поєднувихідних параметрах при середньому радіусі ється з валом радіально орієнтованими R'=1,5м ККД h=0,91, що відповідає вимогам розрострижнями-спицями. При цьому забезпечується блювачів повітроенергетичних установок (ПЕУ), значне збільшення окружної швидкості полюсів, тому що при цьому різко зменшується момент і отже, і електрорушійної сили (ЕРС) обмотки якоря геометричні розміри повітроколеса ПЕУ. Виконанй, відповідно, зменшення опору обмотки якоря, ня повітрогенератора тільки з електромагнітним тобто підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) збудженням, як в конструкції електричній машині з при малих значеннях кутової частоти обертання кільцевим статором, що заявляється, дозволяє ротора. значно розширити діапазон робочих швидкостей Окрім того, забезпечується можливість модуПЕУ за рахунок зони їх низьких значень, що істотльного принципу побудови електричної машини, но обмежуються у варіанті використання в ПЕУ тобто послідовного чергування уздовж осі загальгенераторів з магнітоелектричним збудженням ного вала - П-подібних модулів статора (зубцеві (постійні магніти) так званою «швидкістю страгизони, секції обмотки якоря, тороїдальна обмотка вання», що обумовлена силами магнітного притязбудження й дисковий ротор - у кожному), що гання постійних магнітів (Vстp=3¸5м/с), при номінаспрощує технологію виготовлення низькошвидкісльній швидкості обертання існуючих них електричних машин великої потужності (понад повітрогенераторів n=(300¸500)об./хв. Запропоно100кВт), підвищує питомі значення потужності й вана конструкція електричної машини з кільцевим моменту. статором забезпечує мінімальні значення швидкоПоставлена задача вирішена в конструкції нисті обертання в межах (25¸100)об./хв. зькошвидкісної електричної машини постійного Забезпечення високої перевантажувальної струму, що містить статор з радіальними пазами здатності по струму й, відповідно, швидкодія в задля укладання обмотки якоря, тороїдальну обмотпропонованій низькошвидкісній електричній машику збудження й дисковий ротор тим, що статор у ні з кільцевим статором забезпечується наступнивигляді кільцевої структури виконаний з ряду магми способами. Для обмеження поперечної реакції нітно не зв'язаних феромагнітних магнітопроводівякоря кільцевий статор виконується з окремих мазубців П-подібної форми, поперечні стрижні кожногнітно не зв'язаних феромагнітних магнітопрового з яких установлені зі зсувом у полюсний поділ дів-зубців П-подібної форми, тобто на шляху магвідносно протилежних зубців у проміжках-пазах, нітного потоку Fа, створеного струмами активних між якими укладені секції обмотки якоря, а дископровідників обмотки якоря розташований ряд пові 5 86912 6 кових роторів. Подібна конструктивна схема ЕМКС тряних проміжків-пазів, що різко обмежують реакзабезпечує підвищення питомих показників електцію якоря електричної машини з кільцевим статоричної машини, що особливо проявляється в зоні ром. При цьому магнітний потік F٨ струмів низьких безредукторних швидкостях обертання, лобових частин обмотки якоря повністю при значному зменшенні трудомісткості його вигонейтралізується використанням зсуву поперечних товлення в цілому. стрижнів П-подібних магнітопроводів-зубців на Електрична машина з кільцевим статором величину полюсного поділу t відносно протилежпредставлена на кресленнях, де: них зубців кожних із двох магнітопроводів якоря Фіг.1 - конструктивна схема запропонованої електричної машини з кільцевим статором при електричної машини; симетричному укладанні секцій обмотки якоря на Фіг.2 - електрична машина, перетин А-А; кожних двох протилежних полюсних поділах. ВідФіг.3 - електрична машина, перетин Г-Г (предповідне зміщення напрямку основного магнітного ставлена частина розгорнення перетину); потоку Fо забезпечується двостороннім зсувом Фіг.4 - електрична машина, перетин Д-Д (предферомагнітних полюсів дискового ротора на велиставлена частина розгорнення перетину); чину t відносно його загального кільцевого фероФіг.5 - модуль дискового ротора, аксонометріямагнітного ярма. При такій структурі побудови розгорнення. конструктивної схеми запропонованої електричної Низькошвидкісна електрична машина з кільцемашини з кільцевим статором, у будь-якому попевим статором містить статор 1, що складається з речному перерізі П-подібного магнітопроводу якомодулів якоря 2,3 і дискового ротора 4. На внутріря сумарна магніторушійна сила струмів лобових шній поверхні статора 1 розташована тороїдальна частин обмотки якоря дорівнює нулю. Відповідно, котушка обмотки збудження 5 (Фіг.1-5). дорівнює нулю й магнітний потік струмів лобових Торцеві щити секторного виду 6, 7 статора 1 частин (F٨=0, F٨=0), тобто відсутній його являють собою немагнітні диски 8, 9, установлені обмежуючий вплив на величину основного нерухомо відносно вала 10 за допомогою підшипмагнітного потоку Fо, чим забезпечується ників 11, 12. З валом 10 радіально орієнтованими можливість значної кратності перевантаження по стрижнями-спицями 13 жорстко зчленований моструму в електричній машині з кільцевим дуль дискового ротора 14 (Фіг.5), що складається з статором, що заявляється. Так, попередній феромагнітного кільця 15, на кожній зі сторін якого порівняльний аналіз характерних даних встановлений ряд феромагнітних полюсів 16, 17. електричної машини з кільцевим статором (ЕМКС) При цьому полюс, наприклад, 16, одного ряду і двигуна постійного струму (ДПС) класичної встановлений відносно полюса 17 іншого ряду зі конструкції типу МП 4000-32У4 (для реверсивного зсувом у полюсний поділ т. Ширина кожного полюпрокатного стану) з параметрами: Рн=4000кВт; са в٨=aб-t, де aб - коефіцієнт полюсного nн=930В, nн=32об./хв., ККД h=0,9 показав наступні перекриття, a число полюсів у кожному ряду 16, 17 значення (для однакових параметрів): дорівнює числу пар полюсних поділів t : nп=nt/2=р, 3 2 - момент інерції ДПС: у=60×10 кгм ; де ne - число полюсних поділів модулів якоря 2, 3; - момент інерції ЕМКС (у режимі ДПС): р - число пар полюсів. Модулі якоря 2, 3 містять 3 2 у'=18,2×10 кгм ; феромагнітні магнітопроводи-зубці 18, 19, що - маса ДПС: m=150,000кг (150т); утворюють П-подібні структури за допомогою - маса ЕМКС: m'=50000кг (50т); замикаючих поперечних стрижнів 20 (Фіг.3, 4). При - основний технічний показник, що характерицьому поперечними стрижнями 20 протилежні зує максимальну можливу продуктивність реверзубці 18, 19 зсунуті уздовж утворюючого кільця сивного прокатного стана: кожного з модулів якоря 2, 3 на величину Ph × Mh æ кВm × КНm ö полюсного поділу t. Так, наприклад, магнітний a= = 79 × 103 ç ÷ ç ÷ потік Fо, що виходить із зубців модуля 19 (номер y è T × m2 ø зубцевого поділу 1, 2, 3) проходять полюс 17, - той же показник для ЕМКС: феромагнітне кільце 15, полюс 16, зубці модуля 18 æ кВm × КНm ö (номер зубцевого поділу 4, 5, 6) і поперечні a = 281× 103 ç ÷ ÷ ç è T × m2 ø , стрижні 20 (Фіг.3, 4), забезпечуючи зсув контуру замикання основного магнітного потоку Fо двох Таким чином, використання ЕМКС, що заявляпротилежних модулів якоря 2, 3 на величину ється, забезпечує підвищення продуктивності прокатного стана в 3,5 рази, що обумовлено зменполюсного поділу t. При цьому секції обмотки шенням маси обертових частин двигуна й, якоря 21 модуля якоря 2 і секції обмотки якоря 22 відповідно, зменшенням електромеханічної помодуля якоря 3 укладені без зсуву в протилежних стійної часу Тm=0,17с для існуючого ДПС до проміжках-пазах (номера зубцевого ділення 1¸6), Т'm=0,056с у варіанті з ЕМКС. утворених відповідною установкою У запропонованій низькошвидкісній електричмагнітопроводів-зубців 18, 19, що й забезпечує ній машині з кільцевим статором досить просто повну компенсацію магніторушійних сил струмів реалізується модульний принцип побудови сучаслобових частин обмотки якоря й, відповідно, повну них електричних машин, при якому в аксіальному відсутність пульсуючого магнітного потоку струмів напрямку розташовані модулі П-подібних кільцелобових частин обмотки якоря F٨, наявність якого вих статорів, дискові ротори яких об'єднані загальобмежувало перевантажувальну здатність протоним валом, причому структура стрижнів-спиць, що типу. кріплять, може бути одна на декілька модулів дис 7 86912 8 У запропонованій електричній машині з кільПри подачі напруги на тороїдальну котушку цевим статором можливі два способи укладання обмотки збудження 5 (фіг. 1, 2) взаємодією основсекцій обмотки якоря 21, 22: ного магнітного потоку Fо й струмів провідників - використання двошарової обмотки для кожсекцій 21, 22 модулів якоря 2, 3, що перебувають в ного з модулів якоря 2, 3; даний момент у зоні полюсів 16, 17 дискового ро- використання одношарової обмотки. тора 4 створюється електромагнітний момент Мем, При цьому необхідно забезпечити протилежні під дією якого дисковий ротор 4 починає обертаннапрямки струмів секцій обмотки якоря, що лежать ня. Напівпровідниковий або електромеханічний на тому ж самому полюсному поділі модулів якоря комутатор забезпечує перемикання струмів відпо2, 3. відних секцій таким чином, щоб при обертанні в Живлення замкнутої обмотки якоря, наприодну сторону струми провідників, що перебувають клад, у режимі роботи двигуна постійного струму у цей час проти полюсів 16,17 зберігали незмінний може бути повністю забезпечене за схемою напівнапрямок. Регулювання частоти обертання й репровідникового комутатора прототипу, або з виковерс двигуна здійснюється відомими для класичристанням відомого електромеханічного комутаних машин способами. тора-колектора. Запропонована електрична машина з кільцевим статором у режимі, наприклад, двигуна постійного струму працює таким чином. 9 86912 10 11 86912 12 13 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 86912 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601