Электрическая машина

 

Использование: электрические машины для электроприводов повышенной надежности , генераторы переменного тока, преобразователи рода тока. Сущность изобретения: электрическая машина содержит два коаксиально размещенных статора с обмотками , полый цилиндрический ротор с обмоткой возбуждения, размещенный между статорами, и униполярный возбудитель, причем ротор электрической машины выполнен как единое целое с ротором возбудителя и установлен на магнитных опорах вращения, 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

СО(03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕ НТУ (21) 4889383/07 .(22) 10,12.90 (46) 07.02.93. Бюл. ¹ 5 (76) В,А.Обухов (56) Технические условия ТУ 16 — 512.448 — 78, Генератор синхронный трехфазного тока типа 2MСК 5500 — 1500, 1978.

{54) ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА (57) Использование: электрические машины для электроприводов повышенной надежИзобретение относится к электромашиностроению, в частности к двухякорным электрическим машинам переменного или постоянно-переменного токов, применяемых в качестве электропривода повышенной надежности, а также могут быть использованы в качестве генераторов переменного тока или преобразователей рода тока.

Известны двухякорные электрические машины переменно-постоянного тока, используемые о качестве электрогенераторов, например генератор синхронный трехфазного тока типа МСК вЂ” 2 5500 — 1500, по ТУ 16—

512.448 — 78. кл. Н 02 К 19/38, 19/36, 16/04, принятый за прототип. В прототипе по длине корпуса статора установлены два независимых магнитопровода с обмотками якорей переменного тока, На едином валу ротора установлены два независимых индуктора с обмотками возбуждения постоянного тока, Ротор установлен на подшипниках гкольжения.

Основные недостатки прототипа следующие: большие масса и габариты, повышенные потери из-за наличия двух индукторов с двумя обмотками возбуждения.. Ж, 1794271 А3 (я)я Н 02 К 19/38, 19/36, 16/04 ности, генераторы переменного тока, преобразователи рода тока. Сущность изобретения; электрическая машина содержит два коаксиально размещенных статора с обмотками, полый цилиндрический ротор с обмоткой возбуждения, размещенный между статорами, и униполярный возбудитель, причем ротор электрической машины выполнен как единое целое с ротором возбудителя и установлен на магнитных опорах вращения, 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Цель изобретения — уменьшение массогабаритов, расширение функционального назначения.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа электрическая машина выполнена с якорями переменного тока, размещенными на внешнем и внутреннем коаксиально установленных статорах, с совмещенным индуктором, выполненным в виде проводящего полого цилиндра, разделенного с одного торца вдоль образующей на длине активных частей якорей на изолированные части с числом, равный числу полюсов якорей, жестко механически сочлененные с ферромагнитным кольцом, снабженным кольцевой герметичной камерой с размещенным s ней другим ферромагнитным кольцом, установленным с возможностью свободного вращения, с пазами, заполненными немагнитным проводящим материалом, замкнутым по торцам короткозамыкающими кольцами, снабженными жидкометаллическими контактами, соединенными с соответствующими частями проводящего полого цилиндра, пазы обращены к цилиндрической поверхности ферромагнитного диска. снабженного пазами с числом, равным

1794271 числу пазов другого ферромагнитного кольца, и кольцевой униполярной обмоткой возбуждения и размещенного на торце одного из статоров; кроме того, проводящий полый цилиндр выполнен из ферромагнитного материала с высокопроводящими немагнитными стержнями, замкнутыми с торца короткозамыкающим кольцом; кроме того, подшипниковые опоры выполнены электромагнитными, на торцах проводящего полого цилиндра установлены ферромагнитные кольца, разделенные в радиальном направлении немагнитными вставками, снабженные на внешней и внутренней цилиндрических поверхностях кольцевым рифлением, размещенные внутри3-образного магнитопровода, снабжен ного основной и дополнительной униполярными обмотками возбуждения и кольцевым рифлением на ответных ферромагнитному кольцу поверхностях; кроме того, установлены страховочные опоры в виде подшипников качения, снабженных корытообразными кол ьцами, заполненными смазочным материалом, и размещенных на осях, параллельных оси вращения торцов проводящего полого цилин. дра, вблизи его цилиндрической поверхности; кроме того, кольцевые рифления 3-образного магнитопровода заполнены немагнитным ан тифрикционным материалом; кроме того, одна из обмоток якорей переменного тока снабжена полупроводниковым коммутато. ром вентильной машины, Отличительные признаки изобретения: якоря переменного тока размещены на внешнем и внутреннем коаксиально установленных статорах, индукторы совмещены и выполнены в виде полого проводящего цилиндра, разделенного с одного торца вдоль цилиндра, на длине активных частей якорей на изолированные части с числом, равным числу полюсов якорей, жестко механически и электрически соединенные с якорем униполярного возбудителя; якорь униполярного возбудителя размещен в герметичной кольцевой камере, выполненной в ферромагнитном кольце, установленном на индукторе; проводящий полый цилиндр выполнен из ферромагнитного материала, заполненного продольными высокопроизводящими стержнями; подшипниковые опоры выполнены электромагнитными; страховочные опоры выполнены на подшипниках качения с корытообразными кольцами, заполненными смазкой, и размещены на осях, параллельных оси вращения полого цилиндра, одна из обмоток якорей снабжена полупроводниковым коммутатором вентильной машины.

На фиг. I изображена конструктивная схема электрической машины; на фиг,2—

50 сечение А-А на фиг.1 (индуктор синхронной машины); на фиг,З вЂ” сечение Б — Б на фиг.1 (униполярный возбудитель); на фиг,4 — сечение  — В на фиг.1 (магнитная опора).

Электрическая машина содержит внешний магнитопровод 1 с обмоткой якоря 2 и выходными клеммами 3, внутренний магнитопровод 4 с обмоткой 5 и выходными клеммами 6 или полупроводниковым коммутатором 7 с выходными клеммами постоянного тока, индуктор 8 с униполярным возбудителем 9, магнитными опорами .10, страховочными опорами 11, валом 12.

Индуктор (ротор) 8 синхронной машины выполнен в виде ферромагнитного цилиндра 13 с немагнитными высокопроводящими (медными) стержнями 14 и разделен вдоль образующей изоляцией 15 на части с чисIloM, равным числу полюсов, замкнутые с торца короткозамыкающим кольцом 16. Индуктор 8 может быть также выполнен из полого проводящего немагнитного цилиндра, из алюминиевой поковки. При этом цилиндр 8 разрезается только с торца униполярного возбудителя 9 на длине до конца внешнего 1 и внутреннего 4 магнитопроводов (на длине активных частей якорей). Короткозамыкающее кольцо 16 отсутствует, его функцию выполняет неразрезанная часть полого цилиндра 8.

Униполярный возбудитель 9 состоит из дополнительного ферромагнитного кольца

17, жестко механически закрепленного на индукторе 8 с герметичной кольцевой камерой 18 с размещенным в ней другим ферромагнитным кольцом 19, установленным с возможностью свободного вращения, с пазами 20, заполненными немагнитным высокопроводящим материалом (медью) 21, замкнутыми по торцам короткозамыкающими кольцами 22, снабженными >кидкометаллическими контактами, соединенными с соответствующими полярностями с высокопроводящими стержнями 14 индуктора 8.

Пазы 20 обращены к цилиндрической поверхности ферромагнитного диска 23, снабженного пазами 24 с числом, равным числу пазов другого ферромагнитного кольца 19, и униполярной обмоткой возбуждения 25.

Магнитные опоры 10 выполнены электромагнитными. На торцах высокопроводящего цилиндра 8 установлены ферромагнитные кольца 26, снабженные на внешней и внут-: ренней цилиндрических поверхностях кольцевым рифлением (выступами и впадинами), размещенные внутри 3-образного магнито-, провода 27, снабженного основной 28 и дополнительной 29 униполярными обмотками

1794271

15

25

55 возбуждения и кольцевым рифлением на ответных ферромагнитному кольцу 26 поверхностям. Основная 28 и дополнительная 29 униполярные обмотки возбуждения установлены выше и ниже аксиальной оси симметрии3-образного магнитопровода 27.

Ферромагнитные кольца 26 разделены в радиальном направлении немагнитными вставками 30. Страховочные опоры 11 выполнены в виде подшипников качения и размещены на осях, параллельных оси вращения индуктора 8. Подшипники качения снабжены корытообраэными кольцами 31 и заполнены смазочным материалом.

Устройство работает следующим образом.

Работа в сети переменного тока. режим работы двигательный, При подаче тока в униполярную обмотку

28 возбуждения магнитных опор 10 в 3-образном магнитопроводе 27 возникает два магнитных потока. Первый магнитный поток проходит в радиальном направлении ферромагнитное кольцо 26 и замыкается через его цилиндрические поверхности. Второй магнитный поток проходит в аксиальном направлении ферромагнитное кольцо 26 и замыкается через его торцовую поверхность и торцовую поверхность 3-образного магнитопровода 27. При прохождении первого и второго магнитных потоков в воздушных зазорах цилиндрических поверхностей ферромагнитного кольца 26 возникают магнитные силы, которые стремятся совместить магнитные оси кольцевых выступов рифлений ферромагнитного кольца 26 и отBQTHblx сторон 3-образного магнитопровода

27, тем самым создается аксиальная сила магнитной опоры. Кроме того, между цилиндрическими поверхностями ферромагнитного кольца 26 иЗ-образного магнитопровода 27 возникают радиальные силы магнитного тяжения. Величина первого магнитного потока не зависит от радиального положения ферромагнитного кольца 26 в магнитопроводе 27, поскольку результирующий магнитный зазор для этого магнитного потока определяется только суммой величин наружного и внутреннего воздушнь.х зазоров ферромагнитного кольца 26. Это справедливо только в случае отсутствия магнитного потока по окружности ферромагнит"lîãî кольца 26, Для этой цели ферромагнитное кольцо 26 разделено немагнитными вставками 30.

При вышеизложенных условиях радиальные магнитные силы с внешней и внутренней поверхностей ферромагнитного кольца

16, создаваемые первым магнитным потоком. равны между собой, в связи с чем одностороннее магнитное тяжение от первого магнитного потока отсутствует. Второй магнитный поток при неравномерных наружном и внутреннем воздушных зазорах создает одностороннюю силу магнитного тяжения, однако ее величина может достигать несущественных значений эа счет выбранного соотношения площадей цилиндрической поверхности ферромагнитного кольца 26 и его торцовой поверхности, При прохождении второго магнитного потока в воздушном зазоре торца ферромагнитного кольца 26 и торца 3-образного магнитопровода 27 возникают две составляющие магнитной силы — радиальная и ак . сиальная. Радиальная составляющая этой силы стремится совместить магнитные оси торца ферромагнитного кольца 26 и ответной стороны 3-образного магнитопровода

27, тем самым создается радиальная (подь-. емная) сила магнитной опоры. Аксиальная составляющая этой силы является силой одностороннего тяжения и должна составлять лишь часть от аксиальной силы магнитной опоры. Это достигается выбросом соотношения площадей цилиндрических поверхностей и -орцовой площади ферромагнитного кольца 26.

При подаче тока в дополнительную обмотку 29 возбуждения возникают два дополнительных магнитных потока, В зависимости от направления магнитного потока он может увеличивать первый основной магнитный поток в воздушном зазоре цилиндрических поверхностей ферромагнитного кольца 26, одновременно ослабляя его торцовой магнитный поток, или наоборот. Это позволяет регулировать соотношение аксиальной и радиальной сил магнитной опоры и снижать отрицатсльн ый эффект одностороннего магнитного тяжения от второго магнитного потока. Тем самым достигается регулирование величин радиальной и аксиальной сил магнитных опор, Увеличение тока s униполярных обмотках 28 и 29 возбуждения происходит до тех пор, пока индуктор 8 не всплывет на магнитных опорах и наружный и внутренний воздушные зазоры ферромагнитного кольца 26 не достигнут требуемых значений. Затем производится включение обмоток якорей 2 и 5 в сеть переменного тока. При этом индуктор 8 придет во вращение с частотой, близкой к синхронной частоте вращения электромагнитного поля в воздушном зазоре электрической машины, При подаче возбуждения в униполярную обмотку 25 возбуждения в униполярном возбудителе 9 возникает униполярный магнитный поток, основной путь замыкания которого проходит по зубцам ферромагнитного диска 23, 1794271

55 зубцам ферромагнитного кольца 22, ферромагнитному кольцу 17. Между зубцами ферромагнитного диска 23 и ферромагнитного кольца 22 возникает магнитная сила, удерживающая ферромагнитное кольцо 22 неподвижным относительно ферромагнитного диска 23. Под действием униполярного магнитного потока на короткозамыкаloùèä кольцах 22, и их жидкометаллических контактах наведется униполярная ЭДС, Под действием этой ЭДС по замкнутой цепи, образованной индуктором 8 и униполярным возбудителем 9, потечет постоянный ток и н индукторе 8 возбудится магнитный поток, при этом индуктор 8 втянется в синхронизм с электромагнитным поле обмоток якорей? и 5 электрической машины. Получение заданного значения тока возбуждения индуктора 8 достигается" регулированием величины тока возбуждения в униполярной обмотке 25 возбуждения.

Работа в сети постоянно-переменного трка.

При работе в сети постоянно-переменного тока обмотка якоря, например 5 снабжена коммутатором 7. Коммутатор 7 представляет силовой инвертор, выполняемый на управляемых полупроводниковых приборах (тиристорах). Тиристорь«управляются от датчика углового положения индуктора 8 (ротора) (ДП Р) относительно осей фаз посредством вспомогательных полупроводниковых формирователей-усилителей прямоугольных импульсов, преобразу«ощих сигналы ДПР. При подведении постоянного напряжения к выходным зажимам коммутатора 7 работа ДПР обеспечивает бесконтактное включение элементов коммутатора 7 в такой последовательности, чтобы в секциях обмотки якоря 5 ток имел неизменное на- правление в зоне данной магнитной полярности. При этом частота вращения индуктора 8 поддерживается постоянной, соответству«ощей заданной частоте напря>кения в обмотФормула изобретения

1. Электрическая машина, содер>кащая статор с двумя якорями переменного тока, два индуктора с обмотками возбуждения, подшипниковые опоры, о т л и ч а ю щ з я с я тем, что, с целью уменьшения массогабаритов, расширения функционального назначения, она выполнена с якорями переменного тока, размещенными иа внешнем и внутреннем коаксиально установленных статорах, с совмещенным индуктором, выполненным в виде проводящего полого цилиндра, раздеке якоря 2, клеммы 3. Величина выходного напряжения нз клеммах.3 регулируется током возбуждения в индукторе 8, а входного напряжения — углом управления тиристором коммутатора 7. Для обеспечения надежной работы в аварийных ситуациях электрическая машина снабжается страховочными опорами 11, которые могут устанавливаться и по торцам индуктора 8 на статоре электрической машины. Надежную смазку страховочныхх опор 11 можно обеспечить установкой на наружной поверхности подшип««икон качения корытообразных колец 31, надежно удерживающих смазку при вращении подшипников. Оси вращения страховочных опор параллельны осл вращения индуктора

8 и должны находиться н непосредственной бллзости к цилиндрической поверхности индуктора 8, Число страховочных опор по окружност«л индуктора 8 выбирается из конструктинных соображений (не менее трех), Для повышения надежности прл ударах в аварийных ре>кимах целесообразно канавки рифлений магнитных опор заполнить антифрикциоиным немагиитиым материалом.

В зависимости от разработанной конструкции элетктрической машины обмотки якорей ? и 5 могут включаться параллельно или последовательно, Преимущество предлагаемого изобретения по срзнне«и«о с прототипом заключается в уменьшении «лассогзбаритов и расширении диапазона регулирования, так как якори переменного тока размещены ««а ннешнем и внутреннем коаксиально установленных стзторах, индукторы согмещеиы, выполнены в виде полого проводящего цилиндра и снабжены магнитными опорами, нозбуд«лтель вь«полне««униполяр««ь«м с якорем, размещенным в герметичной полости ферромагнитного кольца, жестко закрепленного на совмещенном индукторе, одна из обмоток якорей снабжена управляемым полупроводниковым коммутатором, ленного с одного торца вдоль образу«ощей иа длине активных частей якорей на изолированные части с числом, равным числу пол«осов якорей, жестко механически с«3члене«-«ные с ферромагнитным кольцом, снабженным кольцевой герметичной камерой с размещенным н ней другим ферромагнитным кольцом, установленным с возможностью свободного вращения, с пазами, заполненными иемагиитным проводящим материалом, замкнуть«м по торцам короткоззмь««иющи«ли кольцами, снабженными жидкометалличе1794271 скими контактами, соединенными с соответствующими частями проводящего полого цилиндра, пазы обращены к цилиндрической поверхности ферромагнитного диска, снабженного пазами с числом, равным числу пазов другого ферромагнитного кольца, и кольцевой униполярной обмоткой возбуждения и размещенного на торце одного из статоров.

2, Машина по п.1, о т л и ч а ю ща я с я тем, что проводящий полый цилиндр выполнен из ферромагнитного материала с высокопроводящими немагнитными стержнями, замкнутыми с торца короткозмыкающим кольцом.

3. Машина по п.1, о т л и ч а ю щ а л с я

- тем, что подшипниковые опоры выполнены злектромагнитными, на торцах проводящего полого цилиндра установлены ферромагнитные кольца, разделенные в радиальном направлении немагнитными вставками, снабженные на внешней и внутренней цилиндрических поверхностях кольцевым рифлением, размещенные внутри 3-образного магнитопровода, снабженного основной и дополнительной униполярными обмотками возбуждения и кольцевым риф5 лением на ответных ферромагнитному кольцу поверхностях, 4. Машинапо п1,отличающаяся тем, что установлены страховочные опоры в виде подшипников качения, снабженных

10 корытообразными кольцами, заполненными смазочным материалом, и размещенных на осях, параллельных оси вращения торцов, проводящего полого цилиндра, вблизи его цилиндрической поверхности.

5. Машина по п.1, о тл и ч à ю щ а я с я тем, что кольцевые рифления 3-образного магнитопровода заполнены немагнитным антифрикционным материалом, 20 б, Машина по п.1, отличающаяся тем, что одна из обмоток якорей переменного тока снабжена полупроводниковым коммутатором вентильной машины.

1794271

17. 20,21 19 24 2Я f8

1794271

Составитель В.Обухов

Техред М.Моргентал Корректор M.Êåðåöìàí

Редактор

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

Заказ 533 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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