Результат интеллектуальной деятельности: Синхронная машина

Изобретение относится к области электрических машин и может быть использовано в электромеханических преобразователях синхронного типа с постоянными магнитами на роторе.

Известны синхронные машины, содержащие многофазную обмотку на статоре, образующую по окружности полюса чередующейся полярности и ротор с постоянными магнитами (Бут, Д.А. Бесконтактные электрические машины – М.: Высшая школа, 1985, 255с., с. 62, рис. 2.22). Однако в такой машине сложно регулировать напряжение при работе её в генераторном режиме и электромагнитный момент при работе в двигательном режиме из-за невозможности изменения потока постоянных магнитов.

Для обеспечения возможности регулирования потока применяют машины с двойным (комбинированным) возбуждением: как от постоянных магнитов на роторе, так и от дополнительной обмотки – обмотки возбуждения на статоре (там же, с. 120, рис. 4.1). Путём изменения тока обмотки возбуждения в этой машине можно стабилизировать напряжение на обмотке якоря и изменять электромагнитный момент. Однако, она сложна по конструкции и технологии изготовления и сборки, так как имеет большое число сопрягаемых деталей, требует дополнительного расхода меди на обмотку возбуждения, и имеет низкие массогабаритные показатели из-за того, что часть активной длины пакета ротора отводится под магнитопровод для потока дополнительной обмотки.

Известны синхронные машины с постоянными магнитами, для регулирования потока возбуждения которых применяется подмагничивание магнитной цепи статора посредством отдельной обмотки (там же, с. 69. рис.2.30).

Недостатками известного решения являются сложность конструкции, дополнительный расход меди и конструктивных материалов на отдельную обмотку возбуждения, крайне сложная технология изготовления и сборки, и увеличенные габариты в радиальном осевом направлениях.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является синхронная машина, которая содержит кольцеобразный магнитопровод статора с катушками, одна сторона которых проходит через отверстие кольцеобразного магнитопровода, образующими электрическую цепь многофазной обмотки якоря с числом фаз m, подключенных к фазным зажимам, образующую по окружности магнитопровода 2p пар полюсов чередующейся полярности и цепь подмагничивания магнитопровода, и ротор с постоянными магнитами (Балагуров, В.А и др. Электрические машины с постоянными магнитами – М.-Л.: Энергия, 1964, 480 с., с.346, рис. 7-40 и рис. 7-41).

Однако наличие обмотки подмагничивания в этой машине усложняет её конструкцию и требует дополнительного расхода меди.

Целью изобретения является упрощение конструкции синхронной машины и снижение расхода обмоточной меди, за счёт исключения отдельной обмотки подмагничивания.

Поставленная цель в одноимённо-полюсной индукторной машине, содержащей кольцеобразный магнитопровод статора с катушками, одна сторона которых проходит через отверстие кольцеобразного магнитопровода, соединёнными в электрическую цепь многофазной обмотки якоря с числом фаз m, подключенных к фазным зажимам, образующую по окружности магнитопровода 2p пар полюсов чередующейся полярности, и цепь подмагничивания магнитопровода, и ротор с постоянными магнитами достигается тем, что катушки соединены в катушечные группы из 2q рядом расположенных катушек, где q – число катушек на полюс и фазу, включенные в фазах согласно, собранные в звезду с выведенной нулевой точкой, к которой подключены начала катушечных групп, а к фазным зажимам подключены аноды диодов, по одному в каждой фазе, катоды которых замкнуты на дополнительную нулевую точку, снабжённую зажимом.

Исходя из изложенной сущности изобретения, его отличительными признаками являются:

1) соединение рядом расположенных 2q катушек в катушечные группы q – число катушек на полюс и фазу;

2) согласное включение катушечных групп в фазах и соединение фаз в звезду с подключением к нулевой точке начал катушечных групп;

3) подключение диодов к выводам фаз, по одному к каждой фазе, и формирование их одноимёнными выводами – всеми катодами или всеми анодами, дополнительной нулевой точки.

Первый и второй признаки позволяют создавать в кольцеобразном магнитопроводе статора одновременно два поля: многополюсного переменного, с ответвлением его в зазор между статором и ротором, и постоянного, замыкающегося вдоль окружности кольцеобразного магнитопровода.

Третий признак обеспечивает возможность одновременного подключения обмотки к двум источникам напряжения: переменного многофазного, предназначенного для создания вращающегося поля якоря, и постоянного однофазного, предназначенного для подмагничивания магнитопровода статора.

По первому и второму признакам известны двухслойные петлевые обмотки с переключением числа пар полюсов (Жерве, Г.К. Обмотки электрических машин – Л.: Энергоатомиздат, 1989, 400 с., с. 294, рис. 7.9). Катушки катушечных групп такой обмотки распределены в зонах 120 электрических градусов по 2q катушек в группе и соединены в фазах согласно.

Однако электромагнитные связи между катушечными сторонами в катушках предлагаемого устройства иные, в силу другой конструкции магнитопровода статора и другой цели применения катушечных групп с расширенными фазными зонами. В предлагаемом устройстве они обеспечивают создание поля подмагничивания магнитопровода статора, тогда как в упомянутом аналоге они предназначены для создания поля большей полюсности.

По третьему признаку известны совмещённые трёхфазно-однофазные обмотки с соотношением чисел пар полюсов создаваемых полей 1:3 (Смирнов, А.Ю. Электромеханика. Основы теории и вычислительный анализ электрических машин – Нижний Новгород.: изд-во НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2014, 288с., с.83, рис. 3.17). При питании фаз этой обмотки, сопряжённых в звезду, постоянным напряжением через нулевую точку и дополнительную нулевую точку, образованную анодами диодов, катоды которых подключены к фазам звезды, по одному в каждой фазе, создаётся неподвижное поле. Число его полюсов в три раза превышает число полюсов основного (вращающегося) поля, создаваемого этой обмоткой.

Однако вследствие распределения катушек по фазным зонам в 120 электрических градусов (в трёхфазной обмотке) питание нулевых точек, основной и дополнительной, постоянным напряжением в предложенном устройстве создаёт иной эффект. А именно: поток, созданный постоянным током, протекающий через основную и дополнительную (образованную диодами) нулевые точки, не ответвляется в зазор, а замыкается внутри магнитопровода статора.

Таким образом, установлено, что заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию «существенные отличия».

На фиг. 1 представлена схема конструкции и соединений обмотки предлагаемой синхронной машины, в исполнении с гладким магнитопроводом статора (двухполюсный вариант обмотки якоря).

На фиг. 2 – то же, с зубчатым магнитопроводом статора.

На фиг. 3 изображена схема конструкции и электрических соединений предлагаемой синхронной машины в варианте с четырёхполюсной обмоткой якоря.

На фиг. 4 – схема конструкции предлагаемой синхронной машины (генератора), обеспечивающего однофазное линейной напряжение, в варианте с зубчатым кольцевым магнитопроводом статора.

Устройство содержит (фиг. 1 и фиг. 2) кольцевой магнитопровод статора 1: гладкий (фиг. 1) или зубчатый (фиг. 2). На магнитопровод намотаны катушки 2, одна сторона которых пропущена через отверстие магнитопровода 1, а противоположная размещается на его наружной цилиндрической поверхности. Катушки объединены в катушечные группы 3 по 2q рядом расположенных катушек, где q – число катушек на полюс и фазу, таким образом, что они занимают фазную зону градусов, что в представленных на фиг. 1 и фиг. 2 вариантах трёхфазной двухполюсной машины составляет 120 градусов. Катушки одной катушечной группы на фиг. 2 выделены штриховкой. Внутри кольцевого магнитопровода статора 1 установлен ротор с постоянными магнитами, образующими полюс 4 «южной» S и полюс 5 «северной» полярности.

Все катушечные группы 3 намотаны в одном направлении (либо все по часовой стрелке, либо все против часовой стрелки) и соединены в многофазную (трёхфазную, m=3) обмотку. Общее число катушечных групп в каждой фазе равно числу пар полюсов 2p. Катушечные группы разных фаз последовательно чередуются между собой при обходе вдоль окружности кольцеобразного магнитопровода.

При числе пар полюсов, превышающем одну (фиг. 3), катушечные группы 3 соединяются в фазах согласно, т.е. конец катушечной группы, условно принятой за первую, имеет последовательное соединение с началом второй катушечной группы этой же фазы.

Ветви с катушечными группами каждой фазы соединены в звезду, подключенными к зажимам фаз A, B и C концами катушечных групп, а к выводу нулевой точки 01 началами катушечных групп.

С зажимами фаз соединены также аноды диодов 6 – 8, в фазах A, B и C, соответственно, по одному в каждой фазе. Катоды диодов 6 – 8, собраны в дополнительную нулевую точку, снабжённую зажимом 02.

Синхронная машина работает следующим образом (фиг.1). При вращении ротора полем его магнитов в фазах обмотки якоря полем магнитов наводится переменная ЭДС. При подключении нагрузки через зажимы фаз A, B, C (на фигурах не показана) ей будет передаваться электрическая мощность, пропорциональная напряжению на этих зажимах и потребляемому току.

Величину напряжения можно регулировать (стабилизировать) путём подмагничивания кольцеобразного магнитопровода статора. Для этого нулевая точка звезды обмотки якоря 01 и дополнительная нулевая точка 02, образованная катодами диодов, подключаются к регулируемому источнику постоянного напряжения 9 (фиг.1), а именно к его положительной и отрицательной клеммам, «+» и «-», соответственно. Это напряжение вызывает ток I₀, равномерно распределяющийся по всем фазам обмотки якоря. Он создаёт магнитный поток, который замыкается внутри кольцеобразного магнитопровода 2 статора и подмагничивает его, т.е. увеличивает магнитное сопротивление. Вследствие возрастания магнитного сопротивления кольцеобразного магнитопровода статора величина ЭДС, наводимой постоянными магнитами 4 и 5 ротора при его вращении уменьшается, в соответствии с чем уменьшается и мощность, отдаваемая синхронной машиной нагрузке. Максимальная мощность будет генерироваться при нулевом токе подмагничивания, т.е. при отключенном источнике постоянного напряжения 9.

Диоды 6-8 блокируют замыкание тока через источник постоянного напряжения, обусловленного переменным напряжением на зажимах фаз A, B, C.

Предлагаемая синхронная машина может быть выполнена с числом фаз многофазной обмотки якоря m, большим, чем три. В этом случае в вариантах с чётным числом фаз m, например при m=4, будет обеспечена полная симметрия полуволн кривой распределения МДС вдоль окружности зазора между статором и ротором. Минимальное число фаз, с которым может быть выполнена предлагаемая синхронная машина, составляет две, m=2 (фиг.4). При работе в генераторном режиме такая машина формирует однофазное линейное напряжение, равное удвоенному фазному напряжению, в результате действия двух фазных ЭДС, встречных по отношению друг к другу.

По сравнению с ближайшим аналогом (прототип, он же базовый образец) в предлагаемой машине не требуется наматывать дополнительную обмотку – обмотку подмагничивания. Её функции выполняет обмотка якоря, за счёт чего достигаются экономия обмоточной меди и упрощение технологии изготовления.

Предполагается использовать предложенную машину в электроприводе управления и защиты регулирующих органов ядерных реакторов, для обеспечения заданной скорости опускания регулирующих органов ядерных реакторов в режиме аварийной защиты.