Електрична машина бііндукторного типу

Реферат: Винахід належить до області електромашинобудування і може бути використаний в електроприводах транспортних установок, механізмів ліфтів, прокатних станів та ін. Електрична машина бііндукторного типу містить статори з обмоткою якоря і тороїдальною обмоткою збудження, установленою в зазорі між статорами, спільний безобмотковий циліндричний ротор з феромагнітними полюсами, кільцеву структуру, яка утворює три статори, виконану із окремих магнітно незв’язаних феромагнітних елементів-зубців Ш-подібної форми. Елементи-зубці Ш UA 104943 C2 (12) UA 104943 C2 подібної форми закріплені в немагнітних торцевих щитах нерухомої частини і розміщені симетрично щодо феромагнітних полюсів циліндричного ротора, конструктивно об'єднаного з валом за допомогою немагнітних торцевих щитів циліндричного ротора. Секції загальної обмотки якоря укладені між елементами-зубцями Ш-подібної форми. Щонайменше дві тороїдальні обмотки збудження розташовані в зазорі між статорами. Феромагнітні полюси циліндричного ротора відносно центрального статора розташовані на кожному полюсному поділі, а відносно крайніх статорів - через полюсний поділ. Запропонований винахід забезпечує значне підвищення відсотка використання активної поверхні статорів в перетворенні енергії, що дозволить зменшити масо-габаритні показники машини, знизити втрати електроенергії і підвищити ККД. UA 104943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області електромашинобудування і може бути використаний в електроприводах транспортних установок, механізмів ліфтів, прокатних станів та ін. Відома безконтактна синхронна машина (БСМ), в якій обмотка якоря і дві тороїдальні обмотки збудження знаходяться на нерухомому статорі, а ротор має два ряди кігтеподібних виступів (полюсів) з магнітом'якої сталі, загальним числом 2Р, причому Р полюсів ротора забезпечують проведення магнітного потоку ФВ1 одного напряму (одна обмотка збудження), а другі, зустрічно-орієнтовані Р полюсів ротора, забезпечують проведення магнітного потоку Ф В2 (друга обмотка збудження) зустрічного напрямку щодо Ф В1. Таким чином, дана БСМ являє собою конструктивне об'єднання двох індукторних машин, тобто двоіндукторну або бііндукторну електричну машину, призначення якої - забезпечити повне (стовідсоткове) використання обмотки якоря спільного статора (звісно, з урахуванням α δ розрахункового коефіцієнта полюсного перекриття) (див. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990. - с. 123). Недоліки відомої конструкції пов'язані з підвищеними значеннями потоків розсіювання, безпосередньо між сусідніми кігтеподібними полюсами. При цьому, наявність радіальноосьового основного магнітного потоку і, відповідно, недопустиме зростання магнітної індукції в осьових ділянках магнітопроводу потребує обмеження довжини активної зони обмотки якоря, тобто при заданому діаметрі машина повинна мати відносно невелику довжину. Найбільш близькою по суті до винаходу, що заявляється, є двопакетна індукторна машина, в якій магнітопровід статора П-подібного виду містить два шихтовані пакета якоря з якірними обмотками і тороїдальну обмотку збудження, розташовану між ними. Циліндричний ротор складається з магнітом'якої втулки, що є спільною для П-подібного статора, що несе два феромагнітних кругових кільця з виступами (полюсами), розташованими з проміжком в один полюсний поділ вздовж твірної кругового кільця ротора, чим і обумовлено (як і в інших типів індукторних машин) активне використання тільки половини поверхні двох (в даному випадку) магнітопроводів якоря (див. Альпер Н.Я., Терзян А.А. Индукторные генераторы. - М.: ЭНЕРГИЯ, 1970. - с. 10-14). Конструкція даної електричної машини вибрана прототипом. Прототип і винахід, що заявляється, мають такі спільні ознаки: - статор, який включає два циліндричні пакети; - обмотка якоря; - тороїдальна обмотка збудження; - безобмотковий циліндричний ротор. Недоліком прототипу є наявність на циліндричному роторі феромагнітних виступів (полюсів), кількість яких вдвічі менша кількості полюсних поділів статора, наслідком чого є тільки 50 % використання активної поверхні статора в перетворенні енергії. Це призводить до збільшення масо-габаритних показників і втрат електроенергії і, як наслідок, до зменшення ККД. В основу винаходу поставлено задачу створити електричну машину бііндукторного типу, в якій шляхом іншого виконання магнітної системи, забезпечити значне підвищення відсотка використання активної поверхні статорів в перетворенніенергії (при трьох пакетах статора 66 % при чотирьох пакетах статора 75 %), що дозволить зменшити масо-габаритні показники машини, знизити втрати електроенергії і підвищити ККД. При цьому покращуюються питомі показники електричної машини бііндукторного типу з безобмотковим циліндричним ротором, збільшується швидкодія в перехідних режимах роботи відповідного електроприводу, і відповідно, зменшується споживання електричної енергії в динамічних режимах роботи певного механізму. Крім того, спрощується технологія виготовлення електричної машини, а конструктивна схема електричної машини бііндукторного типу забезпечує можливість модульного принципу її побудови, тобто послідовного додавання пакетів статора, тороїдальних обмоток збудження та полюсів, що значно підвищує питомі значення потужності і моменту електричної машини. Поставлена задача вирішена конструкцією електричної машини бііндукторного типу (ЕМБТ), що включає статор, який містить два циліндричні пакети, обмотку якоря, тороїдальну обмотку збудження та безобмотковий циліндричний ротор, тим, що, на відміну від прототипу, статор містить не менш ніж три циліндричних пакети, при цьому кожний з циліндричних пакетів статора являє собою ряд магнітно незв'язаних зубців, відокремлених один від одного повітряними проміжками-пазами в тангенціальному напрямку, причому три зубці, які належать трьом різним циліндричним пакетам статора, об'єднані у поздовжньому напрямку спільним стрижнем, утворюючи елемент-зубець Ш-подібної форми, всі елементи-зубці Ш-подібної форми закріплені в немагнітних торцевих щитах статора і розміщені симетрично відносно магнітно незв'язаних 1 UA 104943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 феромагнітних полюсів безобмоткового циліндричного ротора, розташованих у шаховому порядку і зсунутих один відносно одного на величину активної довжини одного циліндричного пакета статора і одного зазору між двома пакетами статора, при цьому число феромагнітних полюсів безобмоткового циліндричного ротора дорівнює числу полюсних поділів електричної машини, а довжина кожного полюса визначається активною довжиною двох циліндричних пакетів статора і зазору між ними, безобмотковий циліндричний ротор конструктивно об'єднаний з валом за допомогою немагнітних торцевих щитів безобмоткового циліндричного ротора, електрична машина містить не менше двох тороїдальних обмоток збудження, які розташовані в зазорах між циліндричними пакетами статора, секції обмотки якоря укладені між елементамизубцями Ш-подібної форми у проміжках-пазах, причому провідники секції обмотки якоря, що розміщені в двох сусідніх циліндричних пакетах статора, укладені із зсувом один відносно одного на величину полюсного поділу. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю заявлених ознак і досягненням технічного результату можна пояснити наступним: в заявленій електричній машині бііндукторного типу на відміну від прототипу наявність статора з магнітно незв'язаними феромагнітними елементамизубцями Ш-подібної форми, а не П-подібної форми, забезпечує можливість розміщення двох (а не одної) обмоток збудження, кожна з яких і створює свій магнітний потік Ф в1 и Фв2. Ці магнітні потоки, що мають зустрічно-паралельні напрямки, забезпечують повне використання активної поверхні центрального пакета статора і половинне використання активної поверхні крайніх пакетів статорів в перетворенні енергії, таким чином в перетворенні енергії бере участь 66 % активної поверхні статора. При збільшенні числа статорів до 5 (модульний принцип) в перетворенні енергії братиме участь 80 % активної поверхні статора. Цим забезпечується збільшення питомих значень електромагнітної потужності і моменту створеної ЕМБТ. В заявленій електричній машині бііндукторного типу немає масивного феромагнітного сердечника ротора, що зменшує масу частини ЕМБТ, що обертається, відповідно, підвищує його швидкодію. Ротор являє собою структуру, що складається з ряду магнітно незв'язаних феромагнітних полюсів, розташованих у шаховому порядку, число яких дорівнює числу полюсних поділів електричної машини, а довжина кожного полюса визначається активною довжиною двох статорів і зазору між ними. Відсутність загального ярма статора забезпечує шлях замикання магнітного потоку магніторушійної сили (МРС) обмотки якоря тільки через бічні поверхні зубців статора і повітряні проміжки між ними, що мають малу магнітну проникність. Цим обумовлено обмеження реакції якоря, можливість отримання великих перевантажень по струму, що визначаються, в основному, умовою відсутності перекидання магнітного поля в робочому повітряному зазорі. Підвищення перевантажувальної здатності електричної машини бііндукторного типу покращує її динамічні характеристики, що призводить до підвищення продуктивності відповідної промислової установки, зменшує втрати електроенергії в перехідних режимах. При цьому значно зменшується трудомісткість виготовлення, відповідно, зменшується собівартість електричної машини. Електрична машина бііндукторного типу представлена на кресленнях, де: фіг. 1 - конструктивна схема електричної машини бііндукторного типу; фіг. 2 - електрична машина бііндукторного типу, переріз А-А; фіг. 3 - модуль циліндричного ротора, аксонометрія; фіг. 4 - модуль електричної машини бііндукторного типу, аксонометрія; фіг. 5 - схема з'єднання обмотки якоря електричної машини бііндукторного типу в режимі двигуна постійного струму. Електрична машина бііндукторного типу містить циліндричний корпус 1, який включає статор 3, а також спільний обертовий безобмотковий циліндричний ротор 2. На внутрішній поверхні статора 3 розташовані три циліндричні пакети статора: центральний 5 і крайні 4, 6. У пазах циліндричних пакетів 4, 5, 6 статора 3 укладені секції спільної обмотки якоря 7, а в проміжках між циліндричними пакетами 4, 5 і 5, 6 статора 3 - обмотки збудження 8, 9. Циліндричний корпус 1 по торцях закритий немагнітними щитами 10, 11 статора 3, які установлені на підшипниках 12, 13, в яких обертається вал 14 безобмоткового циліндричного ротора 2. З валом 14 жорстко з'єднані немагнітні торцеві щити 15, 16, 17, 18 безобмоткового циліндричного ротора 2, що забезпечують кріплення феромагнітних полюсів: центральних 20 і крайніх 19, 21 безобмоткового циліндричного ротора 2, які відділені від циліндричних пакетів 4, 5, 6 статора 3 робочим повітряним зазором δ (фіг. 3). Феромагнітні полюси безобмоткового циліндричного ротора 2, розташовані у шаховому порядку і зсунуті один відносно одного на величину активної довжини одного циліндричного пакета статора 3 і одного зазору між двома 2 UA 104943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 пакетами статора 3. Відносно центрального циліндричного пакета 5 статора 3 центральні феромагнітні полюси 20 розташовані на кожному полюсному поділі τ, а відносно крайніх циліндричних пакетів 4, 6 статора 2 крайні полюси 19, 21 розташовані через полюсний поділ τ. Ширина кожного з полюсів 19, 20, 21, об'єднаних феромагнітними основами 22, 23, дорівнює αδτ вздовж твірної безобмоткового циліндричного ротора 2, де α δ - коефіцієнт полюсного перекриття, τ - величина полюсного поділу (фіг. 2, 3). На відміну від класичної конструкції машини постійного струму, у запропонованій електричній машині бііндукторного типу незалежно від числа полюсних поділів є тільки дві обмотки збудження 8, 9 і немає обмоток додаткових полюсів, через те, що обмеження реакції якоря забезпечується конструктивними способами. Цим обумовлено значне зменшення втрат енергії в такій електричній машині. В електричній машині бііндукторного типу статор 3 циліндричного корпусу 1 складається з ряду окремих магнітно незв'язаних феромагнітних елементів-зубців Ш-подібної форми, кожен з яких містить три зубці, що належать циліндричним пакетам 4, 5, 6 статора 3, об'єднаних поздовжнім спільним стрижнем 24. Торцеві частини елементів-зубців Ш-подібної форми закріплені на немагнітних торцевих щитах 10, 11 статора 3, утворюючи жорстку конструкцію циліндричного корпусу 1 електричної машини. У проміжках-пазах між елементами-зубцями Шподібної форми укладаються секції обмотки якоря 7. В даній електричній машині бііндукторного типу можливі два способи укладання секцій обмотки якоря 7: використання двошарової обмотки для кожного із циліндричних пакетів 4, 5, 6 статора 3 або використання спільної для всіх трьох циліндричних пакетів 4, 5, 6 статора 3 одношарової обмотки (фіг. 5). У будь-якому випадку обов'язковою умовою є наявність зсуву провідників секції обмотки якоря 7 одного циліндричного пакета статора 3, наприклад 4, по відношенню до іншого циліндричного пакета 5 статора 3 на величину полюсного поділу. Цим забезпечується як збереження однонаправленого електромагнітного моменту циліндричних пакетів 4, 5, 6 статора 3, так і компенсація МРС струмів лобових частин обмотки якоря 7 за рахунок зустрічного напрямку цих струмів (фіг. 5). В результаті забезпечується значне ослаблення пульсуючого магнітного потоку струмів лобових частин обмотки якоря на шляху основного магнітного потоку. На фіг. 5 представлений варіант підключення секцій одношарової обмотки якоря 7 до комутатора-колектора 25 зі щітковим вузлом 26. Працює запропонована електрична машина бііндукторного типу наступним чином: при подачі напруги на тороїдальні обмотки збудження 8, 9 взаємодією основних магнітних потоків Фв1, Фв2 і струмів провідників секцій обмотки якоря 7, що знаходяться в зоні дії полюсів 19, 20, 21 безобмоткового циліндричного ротора 2 створюється електромагнітний момент М ем, під дією якого безобмотковий циліндричний ротор 2 починає обертання. Щітковий вузол 26, який жорстко зв'язаний з валом 14 безобмоткового циліндричного ротора 2, обертаючись відносно нерухомого (як обмотка якоря) комутатора-колектора 25, перемикає струми в секціях обмотки якоря 7 таким чином, щоб при обертанні струми провідників, що знаходяться в даний момент навпроти відповідних полюсів 19, 20, 21 безобмоткового циліндричного ротора 2, залишалися незмінними. Регулювання частоти обертання і реверс електричної машини бііндукторного типу в режимі двигуна постійного струму здійснюється відомими для класичних машин способами. Порівняльний аналіз основних показників двигунів постійного струму класичної конструкції і електричної машини бііндукторного типу з безобмотковим циліндричним ротором з аналогічними вихідними параметрами наведено в таблиці. Наведені дані підтверджують перспективність електричної машини бііндукторного типу, через те, що при простоті і, відповідно, меншій собівартості виготовлення, використання її у відповідних промислових механізмах дозволить підвищити їх продуктивність, зменшити втрати енергії як в робочому, так і в перехідних режимах. Таблиця Порівняльний аналіз основних показників двигунів постійного струму класичної конструкції і електричної машини, що заявляється Тип двигуна Параметри 4П НM225S 8,5 220 500 Потужність, Рн, кВт Напруга, Uн, В Частота обертання, nн, об./хв 50 3 ЕМБТ 8,5 220 500 UA 104943 C2 Продовження таблиці 2 Момент інерції, J, кгм Коефіцієнт корисної дії, η, % Маса двигуна, mд, кг 0,57 77 490 0,27 84 275 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 Електрична машина бііндукторного типу, що має статор, який містить два циліндричні пакети, обмотку якоря, тороїдальну обмотку збудження та безобмотковий циліндричний ротор, яка відрізняється тим, що статор містить щонайменше три циліндричних пакети, при цьому кожний з циліндричних пакетів статора являє собою ряд магнітно незв’язаних зубців, відокремлених один від одного повітряними проміжками-пазами в тангенціальному напрямку, причому три зубці, які належать трьом різним циліндричним пакетам статора, об'єднані у поздовжньому напрямку спільним стрижнем, утворюючи елемент-зубець Ш-подібної форми, всі елементи-зубці Ш-подібної форми закріплені в немагнітних торцевих щитах статора і розміщені симетрично відносно магнітно незв’язаних феромагнітних полюсів безобмоткового циліндричного ротора, розташованих у шаховому порядку і зсунутих один відносно одного на величину активної довжини одного циліндричного пакета статора і одного зазору між двома пакетами статора, при цьому число феромагнітних полюсів безобмоткового циліндричного ротора дорівнює числу полюсних поділів електричної машини, а довжина кожного полюса визначається активною довжиною двох циліндричних пакетів статора і зазору між ними, безобмотковий циліндричний ротор конструктивно об'єднаний з валом за допомогою немагнітних торцевих щитів безобмоткового циліндричного ротора, електрична машина містить щонайменше дві тороїдальні обмотки збудження, які розташовані в зазорах між циліндричними пакетами статора, секції обмотки якоря укладені між елементами-зубцями Ш-подібної форми у проміжкахпазах, причому провідники секції обмотки якоря, що розміщені в двох сусідніх циліндричних пакетах статора, укладені із зсувом один відносно одного на величину полюсного поділу. 4 UA 104943 C2 5 UA 104943 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 6