Синхронная реактивная машина
Владельцы патента RU 2408967:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (ГОУ ВПО "ЮУрГУ") (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, например, в регулируемых электроприводах общепромышленных механизмов, а также в транспортных средствах, а именно, в источниках питания бортовой сети автомобилей, тракторов, вездеходов и т.д. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в снижении нагрева ротора реактивной электрической машины за счет снижения магнитных потерь, вызванных пульсациями МДС возбуждения. В предлагаемой синхронной реактивной машине, содержащей на статоре многофазную силовую обмотку, равномерно распределенную вдоль внутренней расточки статора и предназначенную для подключения к вентильному преобразователю, а также многофазную обмотку возбуждения, размещенную в пазах статора и предназначенную для подключения к управляемым возбудителям, согласно изобретению, каждая фаза многофазной обмотки возбуждения уложена в одном из пазов каждой фазной зоны статора по центру этой зоны, а сечение паза выполнено в виде равнобедренной трапеции с основанием со стороны спинки статора, при этом стенки паза, образованные зубцами, расположены наклонно друг к другу. 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в регулируемых электроприводах общепромышленных механизмов, а также в транспортных средствах, а именно в источниках питания бортовой сети автомобилей, тракторов, вездеходов и т.д.
Известны синхронные реактивные машины, которые имеют бесконтактное исполнение (см. Кононенко Е.В. Синхронные реактивные машины / Е.В.Кононенко. - М.: Энергия, 1970. - 208 с.). Однако эти электрические машины имеют неудовлетворительные массогабаритные показатели, а попытки их улучшения требуют значительного усложнения конструкции ротора.
Наиболее близким изобретением к заявляемой машине является синхронная реактивная машина, содержащая многофазную силовую обмотку и многофазную обмотку возбуждения с полным шагом, подключаемую к управляемым возбудителям (патент РФ №2240640 МПК H02G 1/02. Синхронный реактивный генератор автономной энергетической установки и способ управления им / Ю.С.Усынин, С.М.Бутаков, М.А.Григорьев, К.М.Виноградов. Заявлено 20.06.03, №2003118611/09. Опубликовано 20.11.04. Бюл. №32).
Особенностью электрической машины, описанной в этом прототипе, является то, что ее возбуждение создается по продольной оси не обмоткой возбуждения, расположенной на роторе, как в обычных синхронных машинах (и которая отсутствует в прототипе), а током той фазы из дополнительных обмоток возбуждения, размещенных на статоре, витки которой в рассматриваемый момент времени расположены напротив межполюсного промежутка ротора, и магнитная ось которой направлена, следовательно, вдоль продольной оси машины. При вращении ротора витки обмотки возбуждения предыдущей фазы оказываются расположенными не в межполюсном промежутке, а напротив полюса ротора, поэтому ток в этой фазе уменьшают до нуля. Однако процессы снижения тока в витках обмотки возбуждения предыдущей фазы и увеличения тока возбуждения в витках обмотки возбуждения последующей фазы происходят не мгновенно, а во времени, так как витки обмотки возбуждения распределены равномерно по пазам каждой фазной зоны статора. В результате, когда край полюса при вращении ротора надвигается на очередную фазную зону статора, то часть витков обмотки возбуждения оказывается расположенной над полюсом, а часть - над межполюсным промежутком, что приводит к пульсациям магнитодвижущей силы (МДС), создаваемой обмоткой возбуждения, и пульсациям результирующей МДС и в итоге - повышенным добавочным магнитным потерям ротора. Особенно эти потери велики в электрических машинах с массивным (нешихтованным) ротором.
В основу предлагаемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в уменьшении добавочных магнитных потерь ротора, связанных с пульсациями магнитного потока из-за пульсаций МДС, создаваемой обмоткой возбуждения.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в синхронной реактивной машине, содержащей на статоре многофазную силовую обмотку, равномерно распределенную вдоль внутренней расточки статора и предназначенную для подключения к вентильному преобразователю, а также многофазную обмотку возбуждения, размещенную в пазах статора и предназначенную для подключения к управляемым возбудителям, согласно изобретению, каждая фаза многофазной обмотки возбуждения уложена в одном из пазов каждой фазной зоны статора по центру этой зоны, а сечение паза выполнено в виде равнобедренной трапеции с основанием со стороны спинки статора, при этом стенки паза, образованные зубцами, расположены наклонно друг к другу.
Предлагаемое техническое решение сохраняет все основные технические преимущества, характерные для прототипа (простоту конструкции, высокую технологичность изготовления электрической машины; бесконтактное исполнение в сочетании с отсутствием обмотки на роторе повышает надежность работы подшипников и всей машины; возможность выполнить ротор массивным, т.е. из одной цельной заготовки, существенно повышает его прочность и поперечную жесткость, что позволяет получать высокие угловые скорости и большие перегрузки по моменту). Вместе с тем предлагаемое решение позволяет снизить добавочные магнитные потери ротора, т.к. из-за снижения пульсаций МДС возбуждения снижаются пульсации магнитного потока и, следовательно, вызванные этим обстоятельством магнитные потери ротора.
Выполнение одного из пазов каждой фазной зоны статора, а именно, центрального с сечением в виде равнобедренной трапеции, увеличивает площадь поперечного сечения этого паза, что позволяет создать (получить) в каждой фазе многофазной обмотки возбуждения сосредоточенную обмотку, ширина которой вдоль окружности внутренней расточки статора очень мала и которую, следовательно, можно переключить, когда эта обмотка еще не набегает на внешнюю поверхность полюса ротора, что вызвало бы местные пульсации магнитного потока и, следовательно, увеличенные магнитные потери.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
- на фиг.1 - схематичный поперечный разрез синхронной реактивной машины;
- на фиг.2 - графики токов iA1, iA2, iB1, iB2, iC1, iC2 возбуждения в функции угла α поворота ротора.
На фиг.1 представлена в разрезе шестифазная двухполюсная синхронная реактивная машина. Статор 1 этой машины в поперечном сечении содержит шесть фазных зон A1-a1, A2-a2, B1-в1, B2-b2, C1-c1, C2-c2. Каждая фазная зона занимает пространственный угол, равный 30°. Зубцы и обмотки, принадлежащие каждой из указанных фазных зон, выполнены идентично, поэтому опишем особенности конструкции электрической машины на примере фазной зоны A1-a1.
Внутри фазной зоны A1-a1 выполнены пазы 2, 3, 4. Один из пазов 3 каждой фазной зоны статора расположен по центру этой зоны, сечение этого паза выполнено в виде равнобедренной трапеции с основанием со стороны спинки статора 1, при этом стенки паза 3, образованные зубцами 5 и 6, расположены наклонно друг к другу. Остальные зубцы (на фиг.1 - это зубцы 7 и 8) выполнены радиально. В результате площадь поперечного сечения паза 3 оказывается больше, чем площадь пазов 2 и 4 этой зоны.
В пазах 2, 3 и 4 размещены витки 9, 10 и 11, принадлежащие фазе A1-a1 многофазной силовой обмотки. Кроме того, в пазу 3 статора 1 размещена одна фаза 12 многофазной обмотки возбуждения. Разместить дополнительную обмотку 12 в пазу 3 оказалось возможным благодаря наклонному расположению зубцов 5 и 6, находящихся между пазами 2 и 3, 3 и 4, и увеличению площади поперечного сечения паза 3 за счет выполнения его в сечении в виде равнобедренной трапеции. Обмотка 12 выполнена с полным шагом и совместно с проводниками обмоток возбуждения других фазных зон статора образует многофазную обмотку возбуждения. Для удобства изображения витки обмоток силовых и возбуждения, расположенных в каждом пазу, показаны одним проводником.
Ротор 13 синхронной реактивной машины выполнен явнополюсным. В примере, изображенном на фиг.1, длины полюсной дуги ротора и межполюсного промежутка равны и составляют 90°.
В исходном положении устройства его элементы находятся в следующих состояниях. Ротор 13 занимает положение, изображенное на фиг.1, когда левый край его полюса находится на границе между фазными зонами A1-a1 и b2-B2. Токи возбуждения в обмотках: фазы A1-a1, фазы A2-a2, фазы c1-C1, фазы c2-C2 установлены равными нулю. При этом обмотки возбуждения фаз A1-a1, A2-a2 и c1-C1 находятся над полюсом, а витки обмотки возбуждения фазы c2-C2 находятся над приближающимся набегающим краем полюса ротора 13.
По обмоткам возбуждения фаз B1-b1 и B2-b2 пропускают ток возбуждения. Эти обмотки в исходном положении ротора 13 находятся напротив его межполюсного промежутка. В соответствии с обозначениями, принятыми на фиг.1 и на фиг.2, импульсы токов в этих двух обмотках имеют отрицательный знак.
Синхронная реактивная машина работает следующим образом.
При вращении ротора 13 по часовой стрелке, когда он поворачивается на угол α≈15°, равный половине фазной зоны A1-a1 статора, от управляемого возбудителя подается положительный импульс тока возбуждения +iA1 в обмотку возбуждения, расположенную в пазах фазной зоны А1-а1 (см. график тока iA1 на фиг.2). В тот же самый момент времени дается импульс на прерывание тока -ib1, протекающего в отрицательном направлении по обмотке возбуждения, расположенной в пазах фазной зоны B1-b1.
При дальнейшем повороте ротора 13 на ширину фазной зоны до α≈45° включается цепь тока +iA2 и выключается цепь тока iB2. При α≈75° включается цепь тока -iC1 и выключается цепь тока +iA1 и т.д. в соответствии с графиками токов, изображенными на фиг.2.
Если токи возбуждения двигателя изменять по указанному закону, то процессы коммутации (переключения) токов в этих обмотках будут начинаться и заканчиваться, когда они находятся напротив межполюсного промежутка. В результате МДС возбуждения остается постоянной при любом угловом положении ротора 13, что приводит к снижению пульсаций основного магнитного потока двигателя и, следовательно, к снижению добавочных магнитных потерь ротора. Особенно ощутим этот эффект снижения потерь, вызванных пульсациями магнитного потока, в электродвигателях с массивным (нешихтованным) ротором.
Промышленная применимость предлагаемого решения.
Синхронная реактивная машина, благодаря бесконтактности схемы, высокой механической прочности и жесткости ротора, может быть рекомендована в первую очередь для транспортных установок, работающих в тяжелых и особо тяжелых условиях эксплуатации (например, вездеходы, промышленные тракторы). Она может быть рекомендована и для общепромышленных установок.
Синхронная реактивная машина, содержащая на статоре многофазную силовую обмотку, равномерно распределенную вдоль внутренней расточки статора и предназначенную для подключения к вентильному преобразователю, а также многофазную обмотку возбуждения, размещенную в пазах статора и предназначенную для подключения к управляемым возбудителям, отличающаяся тем, что каждая фаза многофазной обмотки возбуждения уложена в одном из пазов каждой фазной зоны статора по центру этой зоны, а сечение паза выполнено в виде равнобедренной трапеции с основанием со стороны спинки статора, при этом стенки паза, образованные зубцами, расположены наклонно друг к другу.
