ДВУХЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Изобретение относится, к электротехнике, в частности к низкооборотным электрическим двигателям и поворотным трансформаторам.

Известна автономная система электропитания (Патент РФ №2152069, опубл. 27.06.2000), содержащая n источников питания, каждый из которых через соответствующий регулятор подключен к выходным выводам, и n блоков управления, выход каждого из которых соединен с управляющим входом регулирующего органа соответствующего регулятора, а вход через соответствующий блок суммирования подключен к датчику рассогласования, причем блок суммирования выполнен в виде двух суммирующих усилителей, выход первого из них связан с входом второго суммирующего усилителя, выход которого является выходом блока суммирования, отличающаяся тем, что указанные источники питания использованы трех видов, из которых m - солнечных батарей, p - аккумуляторных батарей, k - вторичных источников питания, блок управления выполнен в виде широтно-импульсного модулятора, первый суммирующий усилитель каждого блока суммирования выполнен с l-входами, каждый из которых соединен с l-выходами указанных датчиков рассогласования, а вход второго суммирующего усилителя в каждом регуляторе дополнительно связан с источником соответствующего опорного напряжения с величиной напряжения для солнечных батарей U·m_i/S, для аккумуляторных батарей U·(k+1)/S, для вторичных источников питания - U·k_i/S, где U - удвоенная амплитуда пилообразного напряжения; S - коэффициент усиления второго суммирующего усилителя соответствующего регулятора, при этом m+p+k=n, а 2≤l≤n, m_i=1,…,m; k_i=1,…, k. Недостатком аналога является непродуманность вопроса передачи энергии с солнечной батареи на космический аппарат. Обычно этот вопрос решается применением щеточно-контактного узла (в случае вращения СБ относительно КА) или кабельного барабана (в случае поворота СБ на ограниченный угол).

Известна космическая солнечная электростанция Глезера для обеспечения электроэнергией наземных потребителей (К. Гетланд. Космическая техника. М.: Мир, 1986 г. с.228-237, рис. на стр.233). Она представляет из себя крупногабаритную сборную конструкцию с мощной солнечной энергетической установкой и системой дистанционной передачи на Землю энергии в виде микроволнового или лазерного излучения. Известен также космический аппарат для дистанционной передачи энергии (Заявка на соискание патента РФ 94032672, МПК B64G 9/00), содержащий несущую конструкцию и установленные на ней энергетическую установку и систему дистанционной передачи энергии, отличающийся тем, что система дистанционной передачи энергии размещена в центре масс космического аппарата. Недостатками аналогов является то, что КПД системы передачи энергии посредством микроволнового или лазерного излучения невелик, вопрос обеспечения электромагнитной совместимости системы передачи энергии с другими системами КА является весьма сложным. Наиболее оптимальным способом для бесконтактной передачи энергии на малых расстояниях (менее нескольких миллиметров) является индуктивный. Примером такого устройства является поворотный трансформатор, где величина выходного напряжения не зависит от угла поворота.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему техническому решению (его прототипом) является асинхронная двухчастотная электрическая машина (патент РФ №2313886, МПК H02K 17/12, опубл. 27.12.2007, бюл. №36) с короткозамкнутым ротором и двумя совмещенными в общем сердечнике статора трехфазными обмотками с числами пар полюсов p₁ и p₂, в которых наводятся ЭДС частотой f₁ и f₂ соответственно, имеющими клеммы для присоединения внешних электрических цепей, включая электроприемники, при этом параллельно обмотке с числом пар полюсов p₂ присоединен трехфазный конденсатор возбуждения, отличающаяся тем, что имеет двигатель как источник механической мощности, приводящий во вращение вал машины, и дополнительный трехфазный конденсатор возбуждения, присоединенный параллельно обмотке с числом пар полюсов p₁. Недостатком прототипа является то, что он является электромашинным преобразователем частоты и не предназначен для передачи энергии через немагнитный зазор от неподвижного изделия к вращающемуся.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности передачи электроэнергии от неподвижного источника к вращающемуся приемнику, например от вращающейся относительно космического аппарата солнечной батареи к космическому аппарату, а также привод вращающегося приемника.

Решая поставленную техническую задачу, получаем технический результат, состоящий в обеспечении возможности передачи электроэнергии от неподвижного источника к вращающемуся приемнику, который достигается благодаря тому, что в известной двухчастотной электрической машине с двумя совмещенными в общем сердечнике статора трехфазными обмотками с числами пар полюсов p₁ и p₂, имеющими клеммы для присоединения внешних электрических цепей, согласно изобретению на роторе размещена по крайней мере одна фазная обмотка, имеющая клеммы для присоединения внешних электрических цепей, а машина снабжена преобразователем постоянного напряжения в переменное и преобразователем переменного напряжения в постоянное, причем преобразователь постоянного напряжения в переменное прикреплен к клеммам обмотки статора с числом пар полюсов p₂, а к клеммам обмотки ротора с числом пар полюсов p₂ прикреплен преобразователь переменного напряжения в постоянное.

Кроме того, ротор может иметь число намагниченных полюсов, равное 2·p₁.

Кроме того, ротор может иметь число ненамагниченных выступов, равное 2·p₁.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами (фиг.1, 2). На фиг.1 показана конструкция двухчастотной электрической машины с возбужденным от постоянных магнитов явнополюсным ротором. На фиг.2 показана конструкция двухчастотной электрической машины с явнополюсным невозбужденным ротором.

На статоре двухчастотной электрической машины в общих пазах расположены (фиг.1): обмотка 1 с числом пар полюсов p₁ и обмотка 2 с числом пар полюсов p₂, упомянутые обмотки имеют клеммы 3 и 4 для присоединения внешних электрических цепей. Ротор может быть выполнен в нескольких вариантах - с возбуждением от постоянных магнитов [явнополюсный 5 или неявнополюсный (на чертежах не показан)] и 6 - как явнополюсный невозбужденный ротор. Если ротор 5 возбуждается полем постоянных магнитов, то двухчастотная электрическая машина работает как синхронная магнитоэлектрическая. Если ротор 6 не возбужден, то двухчастотная электрическая машина работает как синхронная реактивная. Число пар полюсов ротора 5 или 6 равно p₁. Также на роторе 5 или 6 расположена фазная обмотка 7, имеющая клеммы 8.

В установившемся режиме возбужденный ротор 5 или невозбужденный ротор 6 вращается синхронно с полем обмотки 1 статора с угловой частотой Ω=2·π·f₁/p₁. Таким образом, обмотка 1 необходима для привода ротора 5 или 6 и вращения солнечной батареи, соединенной с ротором.

Обмотка 2, размещенная в пазах статора, и обмотка 7, размещенная в пазах ротора, работают как поворотный трансформатор, предназначенный для передачи энергии через немагнитный промежуток, в том числе от неподвижной части к вращающейся. При этом частота f₂>f₁ для увеличения КПД передачи энергии.

Чтобы обмотка с числом пар полюсов p₂ не создавала поле, способное создать паразитный момент как в электрической машине с электромагнитной редукцией частоты вращения, необходимо выполнить условие: k·p_1≠p₂, где k - целое число.

Для бесконтактной передачи энергии необходимо наличие переменного напряжения. Выходное напряжение солнечных батарей - постоянное, накопителем энергии на КА служат аккумуляторные батареи, которые также заряжаются постоянным напряжением. Для обеспечение бесконтактной передачи энергии постоянное напряжение СБ преобразуется в переменное с помощью преобразователя постоянного напряжения в переменное (DC-AC преобразователя) с узлами «мягкой» коммутации на стороне переменного напряжения, прикрепленного к клеммам 4.

Далее происходит передача энергии через немагнитный промежуток на космический аппарат посредством обмоток 2 и 7. Энергия, необходимая для зарядки аккумуляторных батарей, снова преобразуется в энергию постоянного напряжения с помощью преобразователя переменного напряжения в постоянное (AC-DC преобразователя), прикрепленного к клеммам 8. Для данной системы передачи энергии большой мощности возможно применение квазирезонансного преобразователя с фазовым управлением, который перед классическим преобразователем с широтно-импульсной модуляцией имеет следующие преимущества: меньшие размеры, более высокий КПД, а также пониженный уровень излучаемого шума. Благодаря применению мягкой коммутации ключей обеспечивается необходимый уровень надежности преобразователя.

Техническим результатом настоящего изобретения является также увеличение надежности по сравнению с устройствами передачи энергии с щеточно-контактным узлом, и улучшение массогабаритных показателей по сравнению с устройствами передачи энергии с кабельным барабаном.