Модульная электрическая машина
Заявляемое техническое решение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения вентильных электрических машин. Изобретение может быть использовано как электрический двигатель, так и генератор. Суть изобретения состоит в создании модульной электрической машины, содержащей электромагнитные модули, состоящие из двух П-образных сердечников, расположенных торцами друг к другу так, что вставки на роторе, который установлен между сердечниками, совпадают в проекции с торцами каждой пары двух П-образных сердечников, электромагнитные модули закреплены по окружности без радиального смещения друг от друга, обмотки возбуждения и якоря намотаны раздельно на каждом стержне П-образного сердечника, при этом якорные обмотки одной фазы, смещенные на полюсное деление, соединены последовательно согласно, а обмотки возбуждения этой фазы соединены последовательно встречно. Конструкция такой машины обеспечивает максимальное сокращение длины магнитной линии и соответственно падение магнитного потенциала на пути замыкания магнитного потока, в исключении лобовых частей обмоток в машине и соответственно потерь в обмотках. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает упрощение конструкции машины, позволяет реализовать в одной конструкции различные варианты машин на ряд напряжений и токов, обеспечивает возможность секционирования обмоток якоря и повышение надежности. Такая конструкция позволяет наращивать мощность в радиальном и осевом направлениях, а также реализовать в одной конструкции 2-х фазную, 3-х фазную и m-фазную обмотки. 1 н/з п. ф-лы, 3 илл.
Предполагаемое устройство относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения вентильных электрических машин. Оно может быть использовано как электрический двигатель, так и генератор.
Известен вентильный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов (Пат. RU 2375807 2009.12.10) содержащий кольцевой статор с многофазной обмоткой и цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал и распределенные по окружности ферромагнитные полюсы. Каждый полюс образован пакетами шихтованных магнитопроводов двух соседних сегментов, установленных на немагнитном валу, а каждый сегмент составляет немагнитное основание П-образной формы, на котором закреплены два пакета шихтованного магнитопровода. Между пакетами образована полость для установки постоянных магнитов, после чего полость закрыта немагнитной пластиной. Упомянутые сегменты установлены на немагнитном валу с образованием немагнитного зазора между пакетами шихтованных магнитопроводов соседних сегментов, составляющих полюс. Недостатком этой конструкции является высокая цена постоянных магнитов из редкоземельных материалов, размагничивание магнитов при воздействии импульсных напряжений, сложная технология изготовления.
Известен также вентильный электродвигатель с самовозбуждением (Пат. RU 2237338 27.09.2004), содержащий статор, который состоит из закрепленных в корпусе ферромагнитных шихтованных полюсов, охваченных в радиальном направлении катушками фазной обмотки. Крайние полюса статора со стороны каждого торца двигателя объединены магнитопроводами для замыкания рабочего магнитного потока. Ротор двигателя выполнен в виде расположенных поперек оси вращения ряда дисков с установленными на них шихтованными ферромагнитными полюсами. С обеих сторон торцевых поверхностей полюсов ротора через воздушные зазоры размещены полюса статора. Количество дисков ротора определяется требуемой мощностью двигателя и его осевым габаритом. При работе двигателя на катушки каждой фазы поочередно подаются управляемые импульсы тока от автономного коммутатора, в результате чего образуется рабочий магнитный поток, который проходит через полюса ротора, статора, воздушные зазоры, и замыкается на магнитопроводах статора со стороны каждого торца двигателя. Недостатком этой конструкции является значительные радиальные силы на крайние полюса статора, ограничение в радиальном наращивании мощности, сложная технология изготовления статора.
Известна также магнитокоммутационная электрическая машина (см. Afonin A.A., Kramarz W., Cierzniewski P., Elektromechaniczne przetworniki energii z komutacj
elektroniczn, Szczecin Wydawnictwo Politechniki Szczecinskiej 2000
Оригинал и перевод той части монографии, в которой описывается магнитокоммутационная машина приведены в приложении 1), которая содержит электромагнитные модули в виде П-образных сердечников, смещенных по радиусу, закрепленных по окружности на неподвижных частях с обмотками возбуждения и якоря тороидального типа, ротор с ферромагнитными вставками, расположенными по окружности. Указанная электрическая машина по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату может быть принята в качестве ближайшего аналога. Недостатком данной электрической машины является ограничение максимальной мощности, поскольку такая машина может быть только двухфазной.
Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в создании модульной электрической машины упрощенной конструкции, обеспечить возможность наращивать максимальную мощность машины без изменения конструкции отдельного модуля и за счет секционирования повысить надежность.
Задача решается за счет того, что в устройство электрической машины внесены конструктивные изменения, а именно - обмотки возбуждения и якоря в электромагнитном модуле намотаны раздельно на каждом стержне П-образного сердечника, каждый электромагнитный модуль содержит два П-образных сердечника, расположенных торцами друг к другу так, что вставки на роторе, который установлен между сердечниками, совпадают в проекции с торцами каждой пары двух П-образных сердечников, ЭМ закреплены по окружности без радиального смещения друг от друга, при этом якорные обмотки одной фазы, смещенные на полюсное деление, соединены последовательно согласно, а обмотки возбуждения этой фазы соединены последовательно встречно. Конструкция такой машины обеспечивает максимальное сокращение длины магнитной линии и соответственно падение магнитного потенциала на пути замыкания магнитного потока, исключение лобовых частей обмоток в машине и соответственно потерь в обмотках. Такая конструкция позволяет реализовать в одной конструкции различные варианты машин на ряд напряжений и токов. Она обеспечивает возможность секционирования обмоток якоря и повышение надежности.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез одного электромагнитного модуля, на фиг.2 - одностаторный сектор трехфазной модульной электрической машины (фазы А, В, С), соответствующий двум парам полюсов, а на фиг.3 представлен продольный разрез многомодульной электрической машины.
Модульная электрическая машина состоит из немагнитного статора, на котором по окружности укрепляются ЭМ, представляющие собой П образные сердечники с намотанными на них обмотками якоря и возбуждения и немагнитного ротора с укрепленными на нем ферромагнитными вставками из магнитомягкого материала. Количество пакетов ротора и статора выбирается в зависимости от мощности модульной электрической машины.
На фиг.1 представлена конструкция одного электромагнитного модуля. Электромагнитный модуль в данной конструкции содержит два П-образных трансформаторных ферромагнитных сердечника 1, закрепленных на неподвижной части машины 6 вдоль радиуса, расположенных друг против друга так, чтобы воздушный зазор образовывался между торцами этих сердечников. На горизонтальных частях каждого сердечника намотаны обмотки 2, 3. В зазоре между сердечниками находится подвижная часть машины (ротор), представляющая собой немагнитное основание 5 с ферромагнитными вставками 4 На фиг.2 представлен одностаторный сектор трехфазной модульной электрической машины (фазы А, В, С), соответствующий двум парам полюсов. П-образные ферромагнитные сердечники 1, обмотки якоря 2 и обмотки возбуждения 3 закреплены на неподвижном статоре 6. Подвижная часть машины (ротор), представляет собой немагнитное основание 5. Увеличение мощности машины осуществляется за счет увеличения количества модулей как в радиальном, ток и в осевом направлениях. На фиг.3 представлена конструкция многомодульной модульной электрической машины. При осевом расширении модульной электрической машины используются несколько неподвижных частей (статоров - 2n, где n=1, 2, 3 целые числа) и несколько подвижных частей (роторов - 2n-1). Количество подвижных частей на единицу меньше количества неподвижных частей. Электромагнитный модуль в этом случае представляет собой набор сердечников. На наружных неподвижных частях - это П-образные сердечники трансформаторного типа, на внутренних неподвижных частях - это ферромагнитные сердечники дроссельного типа. Обмотки на внутренних неподвижных частях аналогичны обмоткам на внешних неподвижных частях. Набор сердечников с обмотками расположенными в одной плоскости вдоль оси машины соединены последовательно и образуют секцию фазной обмотки. Электромагнитные модули одной фазы смещены по окружности друг относительно друга на одно полюсное деление. При радиальном расширении машины электромагнитные модули размещаются в нескольких аналогичных радиальных слоях (А, В, фиг.3). Слои могут отличаться общим количеством модулей. В этом случае питание якорной обмотки каждого слоя осуществляется от отдельного инвертора (инверторов). Число пар полюсов в модульной машине определяется по формуле - р=k/2m, где k - число электронных модулей на окружности, m - число фаз. Так например, если на окружности простейшей модульной электрической машины умещено 36 модулей, то для двухфазной машины (m=2), количество пар полюсов равно р=9, для трехфазной модульной электрической машины р=6., для шестифазной - р=3, для девятифазной - р=2, для 18-тифазной - р=1. Приведенный пример показывает, что одна и та же конструкция неподвижной части модульной электрической машины позволяет создать машину с различным количеством фаз и числом полюсов. Из сказанного следует, что при изменении количества фаз, изменяется и число пар полюсов, что в свою очередь приводит к изменению углового смещения ферромагнитных вставок на подвижной части (роторе) модульной электрической машины. В модульной электрической машине обмотки 2 электромагнитного модуля, размещенные по всей окружности, являются якорными обмотками. Обмотки 3 являются обмотками возбуждения, они выполняются более тонким проводом и имеют большее число витков, чем якорные обмотки 2. Якорные обмотки 2-х электромагнитных модулей, смещенных на полюсное деление включаются последовательно согласно, а обмотки возбуждения этих модулей 3 включаются последовательно, встречно. Если фаза разбита на группы, то в каждой группе соединение якорных обмоток и обмоток возбуждения аналогично. Фазные якорные обмотки запитываются от обычного инвертора. Обмотки возбуждения запитываются от широтно-импульсного регулятора постоянного напряжения. Количество ферромагнитных вставок ротора в модульной электрической машине равно числу пар полюсов (р), т.е. угловое смещение вставок на окружности ротора равно 
=360/ р. Управление инвертором требует наличие датчика положения ротора.
Работу модульной электрической машины рассмотрим отдельно для генераторного и двигательного режима. В генераторном режиме при протекании постоянного тока возбуждения по обмоткам возбуждения направления потоков в двух электромагнитных модулях, смещенных на полюсное деление в одной фазе, противоположно. Поэтому, когда ферромагнитные вставки ротора проходят между торцами сердечников первого электромагнитного модуля одной фазы в обмотке якоря наводится эдс одного знака, а когда ферромагнитные вставки ротора проходят между торцами сердечников второго электромагнитного модуля этой фазы в обмотке якоря наводится эдс противоположного знака. Т.о. в обмотке якоря модульной электрической машины индуктируется переменная эдс, частота которой определяется скоростью вращения ротора и числом пар полюсов в машине. Аналогично ведут себя эдс других фаз. В двигательном режиме обмотки возбуждения запитываются также, как в генераторном режиме, а ток в якорных обмотках формируется инвертором с количеством фаз равным количеству фаз модульной электрической машины, работа этого инвертора синхронизирована с сигналами от датчика положения ротора. При таком управлении суммарное магнитное поле якоря перемещается от сердечника к сердечнику по окружности увлекая за собой ферромагнитные вставки ротора.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает упрощение конструкции машины, позволяет реализовать в одной конструкции различные варианты машин на ряд напряжений и токов, обеспечивает возможность секционирования обмоток якоря и повышение надежности. Такая конструкция позволяет наращивать мощность в радиальном и осевом направлениях, а также реализовать в одной конструкции 2-х фазную,3-х фазную и m-фазную обмотки.
1. Модульная электрическая машина, содержащая электрические модули в виде П-образных сердечников, закрепленных по окружности на неподвижных частях с обмотками возбуждения и якоря, ротор с ферромагнитными вставками, расположенными по окружности, отличающаяся тем, что обмотки возбуждения и якоря намотаны раздельно на каждом стержне П-образного сердечника, каждый электромагнитный модуль содержит два П-образных сердечника, расположенных торцами друг к другу так, что вставки на роторе, который установлен между сердечниками, совпадают в проекции с торцами каждой пары двух П-образных сердечников, электромагнитные модули закреплены по окружности без радиального смещения друг от друга, при этом якорные обмотки электромагнитного модуля одной фазы, смещенные на полюсное деление, соединены последовательно согласно, а обмотки возбуждения этой фазы соединены последовательно встречно.
2. Модульная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что машина содержит 2n (n=1, 2, 3) неподвижных частей с установленными на них электромагнитными модулями и 2n-1 подвижных частей.
3. Модульная электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что на неподвижных внутренних частях установлены сердечники дроссельного типа с обмотками аналогичными обмоткам П-образных сердечников на внешних частях.
