Бесконтактная торцовая синхронная машина

 

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к бесконтактным торцовым синхронным машинам переменнополюсного типа. Целью изобретения является повышение быстродействия и надежности путем снижения массы ротора машины. Каждый диск ротора выполнен сдополнительным сердечником. На сердечнике размещены полюса первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного сердечника диска ротора. Полюсы второй системы примыкают к указанной поверхности. В индукторе размещен дополнительный кольцевой элемент, образующий аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника каждого диска ротора. Неподвижный кольцевой источник потока возбуждения может быть выполнен в виде двух коаксиальных катушек, разделенных дополнительным кольцевым элементом индуктора, который выполнен из магнитотвердого материала и намагничен в аксиальном направлении. Кроме того, индуктор может быть выполнен с кольцевым постоянным магнитом, намагниченным в аксиальном направлении. Магнит установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнител11ного сердечника каждого диска ротора. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.^чк«<в

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 К 19/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

4 бд

С

6д

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4757635/07 (22) 13.1 1..89 (46) 15,02.92, Бюл. ЬЬ 6 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) Г.ФЯестова (53) 621.313.323(088.8) (56) Сб. Бесконтактные электрические машины, выпЛХ, Рига. "3иматне", 1970. с.22—

24.

Палэстин Л.М. Электрические машины автономных источников. — M.: Энергия, 1972, с.122-131, рис.7-5В. (54) БЕСКОНТАКТНАЯ ТОРЦОВАЯ СИНХРОННАЯ МАШИНА (57) Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к бесконтактным торцовым синхронным машинам переменнополюсного типа, Целью изобретения является повышение быстродействия и надежности путем снижения массы ротора машины. Каждый диск ротора выполнен с

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к бесконтактным торцовым синхронным машинам переменнополюсного типа, и может быть использовано как в системах электропитания, например в высокоскоростных автономных источниках питания средней мощности, так и в системах электропривода.

Целью изобретения является повышение быстродействия и надежности путем снижения массы ротора., Ы,, 1713034 А1.дополнительным сердечником, На сердечнике размещены полюса первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружнога сердечника диска ротора. Полюсы второй системы примыкают к указанной поверхности. В индукторе размещен дополнительный кольцевой элемент, образующий аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника каждого диска ротора. Неподвижный кольцевой источник потока возбуждения может быть выполнен в виде двух коаксиальных катушек, разделенных дополнительным кольцевым элементом индуктора, который выполнен из магнитотвердого материала и намагничен в аксиальном направлении. Кроме того, индуктор может быть выполнен с кольцевым постоянным магнитом, намагниченным в аксиальном направлении, Магнит установлен с аксиальным зазором с торцовой поверхностью дополнительного сердечника каждого диска ротора. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

На фиг.1 изображен продольный разрез

Ф общего вида машины электромагнитного возбуждения; на фиг.2 — вид на полюсные системы со стороны статора для числа полюсов 2р = 6; на фиг.3 — продольный разрез общего вида машины с постоянным магнитом; на фиг.4 — продольный разрез общего вида машины со смешанным возбуждением; на фиг.5 — продольный разрез общего вида машины электромагнитного возбуждения с несколькими дополнительными коль1713034 цевыми элементами индуктора; на фиг.6— продольный разрез общего вида машины с возбуждением от трех постоянных магнитов.

Бесконтактная торцовая синхронная 5 машина (фиг.1) содержит двухпакетный статор 1 с обмотками 2 и двухдисковый ротор

3, каждый из которых включает первую 4 и вторую 5 системы полюсов противоположной полярности, причем первая система 4 10 полюсов состоит из дополнительного сердечника 6 с торцовой поверхностью 7. на котором размещены полюсы 8, а вторая система 5 полюсов содержит наружный сердечник 9 с внутренней поверхностью 10 и 15 полюсами 11, и внутрейний сердечник 12 с наружной поверхностью 13 и полюсами 14, индуктор 15, состоящий из наружного магнитопровода 16 и дополнительного кольцевого элемента 17, разделяющего две 20 коаксиальные катушки возбуждения 18 и 19, два подшипниковых щита 20 и 21, подшипники 22 и 23 на валу 24, основные воздушные зазоры 25 между полюсами 8, 11, 14 ротора 3 и торцовой поверхностью соответ- 25 ствующего пакета 1 статора, добавочные воздушные зазоры: радиальные 26 — между наружными цилиндрическими поверхностями наружных сердечников 9 ротора 3 и внутренними цилиндрическими поверхностями. 30 наружного магнитопровода 16 и аксиальные 27 — между торцовыми поверхностями дополнительных сердечников каждого диска ротора 3 и торцовыми поверхностями дополнительного элемента 17. 35

Полюсные системы ротора 3, наружный магнитопровод 16 и дополнительный кольцевой элемент индуктора 17 выполнены из магнитомягкой стали, подшипниковые щиты 20 и 21 и вал 24 — из немагнитного мате- 40 риала (например. немагнитной стали, титана и др.).

Полюсы 11 и 14 второй полюсной системы ротора 3 имеют одну полярность (на фиг.1 и 2 северную) и чередуются с полюса- 45 ми 8 nepsoA полюсной системы 4, имеющими противоположную полярность (на фиг.1 и 2 южную).

Полюсы 11 и 14 второй полюсной системы 5 ротора 3 имеют одну полярность (на 50 фиг.1 южную) и чередуются с полюсами 8 первой. полюсной системы 4, имеющими противоположную полярность (на фиг.1 северную), Суммарная активная длина полюсов 11 55 и 14 равна длине полюса 8, равной активной длине пакета статора 1, при этом полюсы 11 и 14 могут быть различной длины (на фиг.1 и 2 активная длина полюсов 11 и 14 равна половине длины статора)..Первая 4 и вторая 5 полюсные системы ротора 3 могут соединяться между собой, например;путем заливки промежутков между ними немагнитным сплавом или с помощью сварки.

Конструктивно ротор 3 выполнен разборным. Неподвижные кольцевые коаксиальные катушки возбуждения 18 и 19 обеспечивают магнитные потоки, направленные согласно в дополнительном кольцевом элементе 17 индуктора.

Направление магнитных потоков, создаваемых катушками возбуждения 18 и 19, определяет пути замыкания магнитных потоков и полярность полюсов соответствующих полюсных систем ротора 3.

Пакеты статора 1 с обмотками 2 крепятся на подшипниковых щитах 20 и 21, которые, в свою очередь, крепятся к индуктору .

15.

Бесконтактная торцовая синхронная машина, изображенная на фиг,3 отличается от машины, изображенной на фиг.1, выполнением индуктора 15, в котором неподвижным источником возбуждения является дополнительный кольцевой элемент 17, который выполнен из магнитотвердого материала, например, редкоземельного (железо — неодим — бор) и намагничен в аксиальном направлении, Бесконтактная торцовая синхронная машина, изображенная на фиг.4, отличается

or машины фиг. 1 тем, что в индуктор 15 дополнительно введен кольцевой постоянный магнит 28, намагниченный аксиально и примыкающий к дополнительному кольцевому элементу 17, которые образуют добавочные аксиальные воздушные зазоры 27 с торцовыми поверхностями дополнительных сердечников 6 ротора 3. Постоянный магнит

28 обеспечивает магнитный поток, направленный согласно с магнитным по-оком, проходящим в дополнительном кольцевом элементе 17, обеспечиваемым катушками возбуждения 18 и 19.

На фиг.5 и 6 представлены варианты вынолнения машины с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов, в которых в индуктор 15 введено три дополнительных кольцевых элемента (аналогичных дополнительному кольцевому элементу 17 фиг.1), каждый из которых образует аксиальный зазор с торцовой поверхностью каждого дополнительного введенного сердечника (аналогичного дополнительному сердечнику 6 на фиг.1) соответствующей полюсной системы каждого диска ротора 3. В общем случае количество дополнительных сердечников 6 в каждом. 1713034 диске ротора 3 должно соответствовать количеству дополнительных кольцевых элементов индуктора 15.

Таким образом, первая система 4 полюсов каждого диска ротора 1(фиг.5 и 6) содержит два дополнительных сердечника с полюсами одинаковой полярности. Активная длина полюсов равна активной длине пакета статора 1, а длина одного полюса

10 равна половине активной длины пакета статора.

Между полюсами первой полюсной системы 4 каждого диска ротора 3 расположены полюсы одинаковой полярности второй полюсной системы 5 ротора 3, причем полярность полюсов второй полюсной системы 5 противоположна полярности полюсов. первой полюсной системы 4 диска ротора 3.

Вторая полюсная система 5 каждого диска ротора 3 состоит из дополнительного сердечника, на котором расположены полюсы с активной длиной, равной половине актив20 ной длины пакета статора, и наружного и . внутреннего сердечников с расположенными на них полюсами, общая длина которых равна половине активной длины пакета статора, Таким образом, общая длина полюсов первой системы 4 каждого диска ротора 3 равна длине полюсов второй полюсной системы 5.

Работа машины осуществляется следующим образом.

При выполнении машины по фиг.1 магнитный поток, создаваемый катушками воз30 буждения 18 и 19, проходит по участку магнитной цепи, состоящему иэ дополнительного кольцевого элемента 17, двух акси альных добавочных воздушных зазоров 27, двух дополнительных сердечников 6 и полюсов 8 первой полюсной системы 4 ротора

3, двух основных воздушных зазоров 25, и далее разветвляется в пакетах 4 статоров 1 на две параллельные ветви. Одна часть общего потока возбуждения замыкается через два основных воздушных зазора 25, полюса

11 и два сердечника 9 второй полюсной системы 5 ротора 3, два радиальных добавочных воздушных зазора 26 и наружный магнитопровод 16. магнитный поток, создаваемый дополнительным кольцевым элементом индуктора

16. изготовленным иэ магнитотвердого материала и являющимся источником потока возбуждения, проходит по участкам магнитной цепи, аналогично фиг.1, Другая часть общего потока возбужде- 50 ния замыкается через два основных воздушных, зазора 25. полюса 14 и два сердечника 12 второй полюсной системы 5. ротора 3. При выполнении машины по фиг.3

При выполнении машины по фиг.4 магнитный поток создается как постоянным магнитом 28, так и катушками возбуждения

18 и 19. Распределение магнитных потоков аналогично фиг.1.

Таким образом, на роторе 3 образуется переменнополюсная система полюсов, а магнитные потоки, создаваемые источником 15 (источниками) возбуждения, создают суммарную ЭДС в обмотках 2 пакетов 4 статора 1 при работе машины генератором.

Работа машины в двигательном режиме, аналогична работе известных бесконтактных синхронных двигателей переменного тока.

Проведенные расчеты показывают, что у машины мощностью 30 кВА масса ротора примерно в 1,5 раза меньше по сравнению с массой ротора машины той же мощности известной конструкции, а уменьшение аксиальных размеров позволяет снизить потери трения ротора об окружающую среду, примерно в 1,4 раза, при той же частоте вращения ротора.

Кроме того, предлагаемая конструкция обеспечивает возможность использования неподвижных постоянных магнитов в качестве источника потока возбуждения, что позволяет дополнительно уменьшить массу машины в целом и улучшить ее энергетические характеристики. Расчеты показывают, что у машины мощностью 30 кВА с возбуждением от постоянных магнитов (железо— неодим — бор) масса машины уменьшается на 40%, а КПД увеличивается на 4%.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемая бесконтактная торцо-. вая синхронная машина обеспечивает улучшение энергетических, электромагнитных характеристик и повышение надежности машины за счет снижения массы ее вращающихся частей.

Формула изобретения

1. Бесконтактная торцовая синхронная машина переменнополюсного типа, содержащая два пакета статора с обмотками, ротор с двумя дисками, каждый из которых включает первую и вторую системы полсосов противоположной полярности, расположенных между наружным и внутренним сердечниками диска, причем полюсы одной, системы размещены между полюсами другой, а полюсы первой системы образуют радиальный зазор с наружной поверхностью внутреннего сердечника, к которой примыкают полюсы второй системы, индуктор с неподвижным кольцевым источником потока возбуждения и наружным магнитопроводом, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения быстродействия и надежно1713034

Ф сти путем снижения массы ротора, каждый диск ротора выполнен с дополнительным сердечником, на котором размещены полюсы первой магнитной системы, которые образуют радиальные зазоры с внутренней поверхностью наружного сердечника диска ротора, а полюсы второй системы примыкают к указанной поверхности, à в индуктор введен дополнительный кольцевой элемент, образующий аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника каждого диска ротора.

2. Синхронная машина по п.1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что неподвижный кольцевой источник потока возбуждения выполнен в виде двух коаксиэльных катушек, разделенных упомянутым дополнительным кольцевым элементом, который выполнен из магнитомягкого материала.

3, Синхронная машина по п.1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что дополнительный кольцевой элемент индуктора выполнен из магнитотвердого материала и намагничен в аксиэльном направлении.

4. Синхронная машина по п.2, о т л и ч эю щ а я с я тем, что индуктор снабжен кольцевым постоянным магнитом, намагни- ченным в эксиальном направлении, образующим эксиэльный зазор с торцовой поверхностью дополнительного сердечника

5 каждого диска ротора.

5. Синхронная машина по п.2, о т л и ч аю щ а я с я тем, что индуктор снабжен h дополнительными кольцевыми элементами, каждый из которых установлен с аксиэль10 ным зазором с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы каждого диска ротора и, соответственно, п катушками возбуждения, где и — целое четное

15 число, причем смежные катушки возбуждения включены встречно.

6, Синхронная машина по п.3, о т л и ч аю щ а я с я тем, что индуктор снабжен и дополнительными кольцевыми элементами, 20 каждый из которых образует аксиальный зазор с торцовой поверхностью дополнительно введенного сердечника соответствующей полюсной системы каждого диска ротора, где n — .целое четное

25 число, при этом смежные дополнительные кольцевые элементы индуктора намагничены встречно друг относительно друга.

1713О34

1713034

1713034

1713034

Составитель В.Трегубов

Редактор Н.Каменская Техред М.Моргентал Корректор М,семик

Заказ 541 Тираж " Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

- 113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". r. Ужгород, ул.Гагарина, 101