тороидальная конструкция шихтованного пластинами магнитопровода с электрическими обмотками

Формула изобретения

1. Тороидальная конструкция шихтованного пластинами магнитопровода с электрическими обмотками, в которой шихтовка магнитопровода в поперечном сечении выполнена по эвольвенте, отличающаяся тем, что обмотки также выполнены тороидальными и шихтованными по эвольвенте в поперечном сечении из пластин постоянной толщины.

2. Конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена из слоев пластин, различающихся функциональным назначением, например токопроводных, магнитопроводных, изолирующих, передающих механические усилия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в трансформаторах и электрических машинах.

Известен тороидальный магнитопровод с обмотками, шихтованный по эвольвенте в поперечном сечении.

Недостаток его заключается в недостаточной технологичности и ограниченной области использования.

В предлагаемом изобретении решается задача устранения указанных недостатков.

Это достигается тем, что в тороидальной конструкции шихтованного пластинами магнитопровода с электрическими обмотками, в которой шихтовка магнитопровода в поперечном сечении выполнена по эвольвенте, обмотки также выполнены тороидальными и шихтованными по эвольвенте в поперечном сечении из пластин постоянной толщины.

Кроме того, возможно выполнение конструкции из слоев пластины, различающихся функциональным назначением, например, токопроводных, магнитопроводных, изолирующих, передающих механические усилия.

На фиг. 1 представлены примеры использования изобретения в трансформаторах; на фиг. 2 и 3 то же, в униполярных машинах; на фиг. 4 и 5 - то же, в машинах переменного тока.

Трансформаторы (фиг. 1) имеют корпус 1, крышку 2, систему охлаждения 3, электрические выводы 4 и 5 (фиг. 1а, 1в). Тороидальная конструкция имеет внутреннее окно, в котором размещается первичная 6 и вторичная 7 обмотки трансформатора (вариант 1 фиг. 1а). Оболочка 8 эвольвентно шихтуется пластинами электротехнической стали. Пластины представляют собой отдельные кольца или соединены в соленоид. В соответствии с принципом электромагнитной обратимости конструкции при ее проектировании в аналогичной конструкции в тороидальном окне размещается магнитопровод 9, навитый в виде кольца из ленты электротехнической стали (вариант 2 фиг. 6а). Оболочка 8 при этом эвольвентно шихтуется листами меди, соединенными в незамкнутый (в специальных случаях замкнутый) соленоид, концы и промежуточные выводы которого имеют внутренние соединения с выводами 4 и 5 трансформатора.

В соответствии с принципом электромагнитной обратимости конструкции при ее проектировании вторичная (первичная) обмотка трансформатора может быть не только электрической, но и магнитной.

Принципиальная схема такого трансформатора показана на фиг. 1б, конструкция на фиг. 1в.

При этом во внутреннем тороидальном окне трансформатора размещается подковообразный проводник электрического тока 10 и составляющие с ним единое тело выводы 5. Оболочка 8 имеет конструкцию варианта 1 по фиг. 1а с отличием в том, что шихтовочные пластины соединены в соленоид и что часть шихтовочных пластин выходит за габарит тороидальной конструкции, выполняя роль сердечника первичной обмотки 10а (фиг. 1в).

На фиг. 1г показана конструкция вращающегося трехфазного трансформатора с цилиндрическим воздушным зазором "", разделяющим тороидальную конструкцию магнитопровода с электрическими обмотками на две части, одна из которых закрепляется в корпусе электрической машины вращения, другая на валу. Обе части имеют эвольвентную шихтовку магнитопровода, обе части имеют электрические обмотки первичные в неподвижной части, вторичные в подвижной. Конструкция может быть использована в цепи возбудителя бесконтактной синхронной машины с вращающимся выпрямителем.

Двигатели и генераторы (фиг. 2-5) имеют корпус или корпус-раму 11, крышки 12, подшипники 13, вал 14, распределительные коробки для соединений электрических обмоток машины с внешней электрической сетью и систему охлаждения, которые на фиг. 2-5 не показаны.

Тороидальная конструкция разделена воздушными зазорами (цилиндрическими, дисковыми или их комбинацией) на роторную и статорную части с соответствующим закреплением (например, через шлицевые соединения) их на валу 14 и в корпусе 11.

На участках электрического тока и магнитного потока тороидальная конструкция имеет эвольвентную шихтовку магнитопровода и электрических обмоток, на участках переменного направления магнитного потока эвольвентную шихтовку магнитопровода, на участках постоянного направления магнитного потока магнитопровод выполняется из сплошного металла.

На фиг. 2 даны примеры конструкции униполярной (прямоточной) машины постоянного тока с радиальным (по эвольвенте) (фиг. 2а) и осевым (фиг. 2б) направлениями рабочего тока.

Конструкция имеет два внутренних тороидальных окна, в которых размещаются электрические обмотки возбуждения магнитного потока.

Особенность конструкции состоит в эвольвентной шихтовке ротора и пропорции радиальных размеров.

На фиг. 3а дан пример униполярной машины однофазного переменного тока.

Все участки магнитопровода имеют эвольвентную шихтовку из листов электротехнической стали. Роторная часть магнитопровода на кольце с наружным диаметром Д и внутренним Д₁ дополнительно шихтована токопроводящими слоями (листовая медь или медное покрытие стальных пластин), которые составляют обмотку рабочего тока электрической машины.

Во внутренних окнах магнитопровода в его статорной части размещены две электрические обмотки возбуждения магнитного потока.

Рабочий ток подается на роторную часть магнитопровода через скользящие контакты от внешнего источника (вариант 1, фиг. 3а) или через обмотки возбуждения и трансформаторы Т, встроенные внутри магнитопровода электрической машины (вариант 2 фиг. 3а).

В последнем случае статорная часть магнитопровода составляется из нескольких секций и каждая секция имеет собственную вторичную обмотку, которая через скользящие контакты замыкается на обмотке рабочего тока ротора.

Оба варианта могут использоваться в одной электрической машине и разных режимах ее работы, например, при пуске и номинальной нагрузке.

На фиг. 3б дан пример электрической машины с многоходовым движением рабочего тока, которое используется во всех основных типах современных электрических машин постоянного и переменного тока.

В приведенной конструкции силовые линии магнитного потока имеют осевое направление и замыкаются через кольца 15, размещенные в крышках 12 и навитые из ленты электротехнической стали. Силовые линии электрического тока имеют радиальное (по эвольвенте) направление.

Тороидальная конструкция магнитопровода имеет три составные части однотипной конструкции, разделенные дисковыми воздушными зазорами. Крайние части закреплены в корпусе и относятся к статору, средняя часть закреплена на валу и относится к статору, средняя часть закреплена на валу и относится к ротору.

Все составные части тороидальной конструкции имеют внутреннюю коммутацию. В качестве одного из примеров на фиг. 4 показаны волновые обмотки, составленные из токопроводящих слоев шихтовочных пластин и С-образных проводников, расположенных в каждом из четырех угловых пазов каждой составной части магнитопровода с шагом по каждому угловому пазу в четыре шихтовочных пластины и расстоянием между полками С-образного проводника в три шихтовочных пластины (4а). Полки размещаются в окнах проводника.

На фиг. 4б дана принципиальная схема электрических соединений при работе машины на трехфазном токе. Число пластин, используемых в схеме, кратно 12. На фиг. 4б использовано 24 пластины. Направление электрического тока в каждой фазе принято для момента времени t t₁, при котором I_a I_max, I_b I_c -1/2 I_max.

Обе статорные части тороидальной конструкции могут иметь независимые выводы и подключаться к внешней сети последовательно (например, при пуске на пониженном напряжении) или параллельно (при работе).

При этом роторная часть тороидальной конструкции может быть замкнута внутри соединениями A-X, B-Y, C-Z (короткозамкнутый ротор) или иметь соответствующие выходы на скользящие контакты 16 (фиг. 3), как это имеет место у асинхронных двигателей с фазовым ротором.

Для работы в режиме синхронной машины в роторной части тороидальной конструкции внутреннюю коммутацию надо дополнить связями X-Y, B-Z, концы А и С вывести на контактные кольца и подать через них постоянный ток.

Для работы электрической машины в режиме двигателя постоянного тока может быть использована тороидальная конструкция со схемой внутренней коммутации электрических обмоток, как и для режима синхронной машины, но с дополнительным использованием известных решений управляемых полупроводниковых коммутаторов вентильных двигателей.

Однако если использовать поочередное включение фаз А, В и С на постоянный ток с помощью многофазного инвертора, технические возможности электрической машины с предлагаемой тороидальной конструкцией будут недоиспользоваться.

На фиг. 4в,г приведена схема внутренней коммутации составной части магнитопровода с числом шихтовочных пластин N 4 (3K1) минимальным, равным 8 (фиг. 4в) и промежуточным N 20 (фиг. 4г).

Из схемы по фиг. 4в с очевидностью следует, что если в момент времени t t₁ внешний источник постоянного тока соединить с С-образными проводниками, соединяющими токопроводящие слои 1-ой и 4-ой пластин (-), а 5-ую и 8-ую пластины (+), то по 1, 2, 3 и 4 пластинами ток будет иметь одно направление, а по 5, 6, 7, 8 пластинам противоположное. В последующий момент времени можно изменять схему внешних соединений по одному из двух вариантов:

к внешнему источнику (+) подсоединить С-образный проводник, соединяющий токопроводящие слои 2-ой и 5-ой пластин и 6-ой и 1-ой пластин (-). Произойдет поворот магнитного поля на одну пластину. Однако такая схема чередования внешних соединений требует использования C-образных проводников, расположенных на разных диаметрах;

второй вариант обеспечивает вращение магнитного поля с дискретным его смещением сразу на две шихтовочные пластины, когда в момент времени t₂ к внешнему источнику подсоединяются:

к "-" 3-5 пластин,

к "+" 7-2 пластины,

далее, к "-" 5-8,

к "+" 1-5 и т. д.

С каждым циклом переключений схема обеспечивает дискретный поворот магнитного поля на 90 электрических градусов.

Такая схема управления требует либо коллектора, либо большое число тиристов, аналогична известным решениям по вентильным двигателям.

На фиг. 4г для создания вращающегося магнитного поля показана схема использования 20 шихтовочных пластин с токопроводящими слоями.

C-образные проводники 1-4, 3-6, 5-8 пластин статорных обмоток через тиристоры 17, 18, 19 подключаются к "-" внешней сети, а 11-14, 13-16, 15-18 через тиристоры 20, 21, 22 к "+". В момент пуска, момент t₁, а также в моменты t₄, t₇, t₁₀, открыты тиристоры 17 и 18. В момент времени t₂, а также в моменты t₅, t₈, t₁₁, управляющими сигналами, например, от дополнительного микропроцессорного блока управления (на фиг. 9г не показан) тиристоры 17 и 20 закрываются, одновременно открываются тиристоры 18 и 21. Аналогично в момент времени t₃, а также в моменты t₆, t₉, закрываются тиристоры 18 и 21 и одновременно открываются тиристоры 19 и 22.

При этом C-образные проводники роторной обмотки 2-5 и 12-15 через контактные кольца 16 подключены к постоянному источнику питания.

Рассмотренная схема управления обеспечивает скорость движения, определяемую блоком управления, и может использоваться как пусковая. После набора двигателем требуемой скорости тиристорный блок управления с микропроцессором из работы выключается, а статорные обмотки через контакты 23 и 24 (фиг. 4г) подключаются к источнику однофазного переменного тока.

На фиг. 5 даны примеры нетрадиционных типов электрических машин вращения.

На фиг. 5а электрическая машина по схеме работы отличается от традиционной рамки с электрическим током в магнитном поле тем, что по рамке протекает магнитный поток, а силовые линии, которые он пересекает, представляют собой силовые линии электрического тока. Тороидальная конструкция состоит из двух роторных частей 25 и 26. Часть 25 шихтована стальными листами и медными полосами. Часть 26 шихтована только стальными листами. Наружная втулка 27 части 25 представляет собой коллектор, содержащий как минимум три пластины.

На фиг. 5б показана электрическая машина трехфазного переменного тока. Отличительная особенность машины состоит в расположении фазных обмоток в трех внутренних окнах тороидальной конструкции. На фиг. 5б они выполнены на роторной части магнитопровода, что не является обязательным. Наружные втулки 28 роторной части выполнены из магнитно-мягкого материала и по наружной части имеют зубцовые выступы. Шаг зубьев на каждой наружной втулке 28 постоянный и составляет величину S. По отношению друг к другу зубья наружных втулок 28 смещены на величину "1/4 S". При этом проводники статорной части параллельны продольной оси.

На фиг. 5в показана машина однофазного переменного тока, воздушный зазор которой заменен телами качения 28 из токопроводящего материала (например, бронзы). Электрические обмотки возбуждения магнитного потока и электрического тока совмещены в обмотках 29. Электрический ток проходит также по валу 31. К внешней сети обмотки подключаются через выводы 32 и 33. Для усиления эффекта работы электрической машины по фиг. 5в электрические обмотки 30 могут выполняться многозаходными, кольца подшипников выполняться из композиционных материалов с малым омическим сопротивлением в радиальном направлении и большим омическим сопротивлением по окружности, вал 31 дополнительно шихтован токопроводящими слоями, число выводов 32 и 33 увеличено и между собой по отношению к внешней электрической сети они имеют последовательное соединение.