Модульная электрическая машина

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения вентильных электрических машин. Изобретение может быть использовано как электрический двигатель и как генератор. Предлагаемая модульная электрическая машина содержит электромагнитные модули, состоящие из двух П-образных сердечников, расположенных торцами друг к другу так, что ферромагнитные 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 относительно друга, обмотки якоря намотаны раздельно на каждом стержне П-образного сердечника, которые расположены дальше от вала машины, а обмотка возбуждения выполнена тороидальной, общей для всех электромагнитных модулей каждой неподвижной части статора, за счет чего стержни П-образных сердечников, находящихся ближе к валу машины, располагаются вплотную друг к другу, что приводит к максимальному сокращению расстояния между электромагнитными модулями. При этом якорные обмотки одной фазы, смещенные на полюсное деление, соединены последовательно согласно. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, - обеспечение уменьшения диаметра машины и пульсаций момента, упрощение конструкции модульной машины, что позволяет реализовать в одной конструкции различные варианты машин на ряд напряжений и токов, обеспечение возможности секционирования обмоток якоря и повышения надежности, наращивания мощности в радиальном и осевом направлениях. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое 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 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 komutacja, elektroniczna. Szczecin Wydawnictwo Politechniki Szczecinskiej 2000), 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. Недостатком данной электрической машины является ограничение максимальной мощности, поскольку такая машина может быть только двухфазной.

Известна также модульная электрическая машина (Патент на полезную модель №105540), в которой каждый электромагнитный модуль содержит два П-образных сердечника, расположенных торцами друг к другу так, что ферромагнитные вставки на роторе, который установлен между сердечниками, совпадают в проекции с торцами каждой пары П-образных сердечников, обмотки возбуждения и якоря в электромагнитном модуле намотаны раздельно на каждом стержне П-образного сердечника. Электромагнитные модули закреплены по окружности без радиального смещения друг относительно друга, при этом якорные обмотки одной фазы, смещенные на полюсное деление, соединены последовательно согласно, а обмотки возбуждения этой фазы соединены последовательно встречно.

Указанная электрическая машина по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату может быть принята в качестве ближайшего аналога. Недостатком данного технического решения является то, что наличие обмоток возбуждения на каждом стержне П-образного сердечника, расположенного ближе к валу машины, приводит к необходимости увеличения расстояния между соседними электромагнитными модулями и, как следствие, к увеличению габаритов, усложнению конструкции и увеличению пульсации момента машины. Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, заключается в разработке конструкции машины, позволяющей сократить расстояния между прилегающими друг к другу соседними модулями.

Задача решается за счет того, что в устройство электрической машины внесены конструктивные изменения, а именно - обмотка возбуждения выполнена тороидальной, общей для всех электромагнитных модулей каждой неподвижной части статора, за счет чего стержни П-образных сердечников, находящихся ближе к валу машины, располагаются вплотную друг к другу, что приводит к максимальному сокращению расстояния между электромагнитными модулями.

Техническим результатом такого решения задачи является уменьшение габаритных размеров, упрощение конструкции машины и уменьшение пульсаций момента.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез многомодульной электрической машины, на фиг.2 представлен продольный разрез однопакетного электромагнитного модуля, на фиг.3 - размещение сердечников и обмоток на неподвижной части машины.

Модульная электрическая машина фиг.1 состоит из немагнитного статора 1, состоящего из нескольких неподвижных частей, на которых по окружности укрепляются ферромагнитные сердечники электромагнитных модулей 2 с тороидальными обмотками возбуждения 3 и якорными обмотками 4, ротора 5 из немагнитного материала, с укрепленными на нем ферромагнитными вставками 6. Количество пакетов ротора и статора выбирается в зависимости от мощности модульной электрической машины. При осевом расширении модульной электрической машины используются несколько неподвижных частей статора и несколько подвижных 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 (Слой А, Слой В, фиг.1). Радиальные слои могут отличаться общим количеством модулей.

На фиг.2 представлена конструкция однопакетного электромагнитного модуля. Электромагнитный модуль в данной конструкции содержит два П-образных трансформаторных ферромагнитных сердечника 2, закрепленных на статоре машины вдоль радиуса, расположенных друг против друга так, чтобы воздушный зазор образуется между торцами этих сердечников. Тороидальная обмотка возбуждения 3 является общей для всех электромагнитных модулей. На горизонтальных стержнях П-образных сердечников, которые расположены дальше от валы машины, намотаны обмотки якоря 4. В зазоре между сердечниками находится подвижная часть - ротор, представляющая собой немагнитное основание 5 с ферромагнитными вставками 6. На фиг.3 представлено размещение П-образных сердечников 2 вплотную друг к другу близлежащими к центру машины стержнями, обмотки возбуждения 3 и обмоток якоря 4 на одной неподвижной части машины.

Работу модульной электрической машины рассмотрим для двигательного режима. В двигательном режиме при протекании постоянного тока по обмотке возбуждения направления потоков во всех электромагнитных модулях одинаково. Поэтому, когда ток в фазе якоря вызывает в ферромагнитном сердечнике поток, совпадающий с потоком возбуждения, ферромагнитные вставки ротора втягиваются между торцами сердечников электромагнитного модуля. Когда же ток в фазе якоря вызывает в ферромагнитном сердечнике поток, противоположного направления с потоком возбуждения, ферромагнитные вставки ротора выталкиваются из зазора между торцами сердечников электромагнитного модуля. Знакопеременный ток в якорных обмотках формируется инвертором с количеством фаз равным количеству фаз модульной вентильной электрической машины. Работа 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.

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 электромагнитные модули, закрепленные по окружности на неподвижных частях статора без радиального смещения друг относительно друга, каждый электромагнитный модуль содержит два П-образных сердечника, расположенных торцами друг к другу так, что ферромагнитные вставки на роторе, который установлен между сердечниками, совпадают в проекции с торцами каждой пары П-образных сердечников, она содержит также обмотки возбуждения и якорные обмотки, при этом якорные обмотки электромагнитного модуля одной фазы, смещенные на полюсное деление, соединены последовательно согласно, отличающаяся тем, что обмотка возбуждения выполнена тороидальной, общей для всех электромагнитных модулей каждой неподвижной части статора.

2. Модульная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что электромагнитные модули, закрепленные по окружности на неподвижных частях статора, располагаются вплотную друг к другу.