электрический двигатель

Формула изобретения

Электрический двигатель, содержащий аксиально установленные в одном корпусе двигательный узел и узел передачи энергии с первичной обмоткой, расположенной на его внешнем магнитопроводе и подключенной к источнику переменного тока, и вторичной обмоткой, расположенной на его внутреннем магнитопроводе, закрепленном на валу двигательного узла, составленного из полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора с обмоткой, секции которой расположены по внутренней образующей магнитопровода статора, и отделенного от него воздушным зазором внутреннего цилиндрического магнитопровода ротора с обмоткой, секции которой соединены с секциями вторичной обмотки узла передачи энергии, отличающийся тем, что узел передачи энергии выполнен в виде асинхронного двигателя, статорная обмотка которого является первичной обмоткой, а роторная обмотка вторичной обмоткой узла передачи энергии, секции которой выполнены с диаметральной намоткой, и снабжен узлом синфазирования, установленным в корпусе аксиально упомянутым узлам, втулкой из немагнитного материала, закрепленной на валу двигательного узла, магнитопроводом обмотки возбуждения, выполненным в виде двух рядов скобообразных магнитопроводов, каждый магнитопровод одного ряда расположен вдоль наружной образующей полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора, сопрягаясь с ее частью, ограниченной контуром секции обмотки статора, выполняющей функции обмотки возбуждения, скобообразные магнитопроводы второго ряда совместно с разделяющими их немагнитными изоляторами собраны в кольцо, установленное между немагнитной втулкой и полым цилиндрическим магнитопроводом ротора и закрепленное фиксирующими фланцами, причем торцевые части скобообразных магнитопроводов статора и ротора двигательного узла сопряжены через воздушный зазор, образуя магнитный коллекторный узел, роторная обмотка двигательного узла выполнена тороидальной, а ее секции расположены в радиальных плоскостях на цилиндрическом полом магнитопроводе ротора, магнитная система узла синфазирования составлена из двух расположенных один в другом и разделенных воздушным зазором цилиндрических полых магнитопроводов, внешний из которых расположен на статоре, а внутренний на немагнитной втулке, установленной на валу двигательного узла, в радиальных плоскостях на указанных магнитопроводах расположены синфазирующие обмотки, выполненные с тороидальной намоткой, причем плоскости секций статорной синфазирующей обмотки совпадают с плоскостями симметрии секций обмотки возбуждения двигательного узла, соединенной последовательно со статорной синфазирующей обмоткой узла синфазирования, секции роторной обмотки которого соединены последовательно с секциями роторных обмоток двигательного узла и узла передачи энергии, находящимися в одной с ними плоскости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам.

Известен асинхронный двигатель, принцип действия которого основан на взаимодействии первичного магнитного поля статора и вторичного магнитного поля роторной нагрузки ( Брускин Д. Э. Зорохович А. Е. Хвостов В.С. М. Высшая школа, 1981, с. 122-128).

Известен также асинхронный двигатель, в котором возбуждение осуществляется переменным током, при этом вращающееся поле возбуждения с помощью датчиков ЭДС осуществляет коммутацию обмоток статора (патент ФРГ N 2413266, кл. H 02 K 17/42, 1974).

Наиболее близким к изобретению является электрический двигатель, содержащий аксиально установленные в одном корпусе двигательный узел и узел передачи энергии с первичной обмоткой, расположенной на его внешнем магнитопроводе и подключенной к источнику переменного тока, и вторичной обмоткой, расположенной на его внутреннем магнитопроводе, закрепленном на валу двигательного узла, составленного из полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора с обмоткой и отделенного от него воздушным зазором внутреннего цилиндрического магнитопровода ротора с обмоткой, секции которой соединены с секциями вторичной обмотки узла передачи энергии. Указанный двигатель входит в состав бесконтактного вентильного электродвигателя, имеющего два преобразователя частоты, систему коммутации.

Благодаря системе вентильной коммутации указанный электродвигатель имеет свойства, значительно превосходящие свойства асинхронного двигателя (авт. свид. СССР N 1069083, кл. H 02 K 24/00, 1984).

Недостатком указанного электродвигателя является его сложность из-за наличия двух преобразователей частоты и системы коммутации, что увеличивает вес, габариты, стоимость и усложняет эксплуатацию, а также увеличивает энергоемкость.

Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции, улучшении эксплуатационных свойств и повышении экономичности.

Это достигается тем, что в электрическом двигателе, содержащем аксиально установленные в одном корпусе двигательный узел и узел передачи энергии с первичной обмоткой, расположенной на его внешнем магнитопроводе и подключенной к источнику переменного тока, и вторичной обмоткой, расположенной на его внутреннем магнитопроводе, закрепленном на валу двигательного узла, составленного из полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора с обмоткой, и отделенного от него воздушным зазором внутреннего цилиндрического магнитопровода ротора с обмоткой, секции которой соединены с секциями вторичной обмотки узла передачи энергии, узел передачи энергии выполнен в виде асинхронного двигателя, статорная обмотка которого является первичной обмоткой, роторная обмотка вторичной обмоткой узла передачи энергии, секции которой выполнены с диаметральной намоткой, и снабжен узлом синфазирования, установленным в корпусе аксиально упомянутым узлам, втулкой из немагнитного материала, закрепленной на валу двигательного узла, магнитопроводом обмотки возбуждения, выполненным в виде двух рядов скобообразных магнитопроводов, каждый магнитопровод одного ряда расположен вдоль наружной образующей полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора, сопрягаясь с ее частью, ограниченной контуром секции обмотки статора, выполняющей функции обмотки возбуждения, скобообразные магнитопроводы второго ряда совместно с разделяющими их немагнитными изоляторами собраны в кольцо, установленное между немагнитной втулкой и полым цилиндрическим магнитопроводом ротора и закрепленное фиксирующими фланцами, причем торцевые части скобообразных магнитопроводов статора и ротора двигательного узла сопряжены через воздушный зазор, образуя магнитный коллекторный узел, роторная обмотка двигательного узла выполнена тороидальной, и ее секции расположены в радиальных плоскостях на цилиндрическом полом магнитопроводе ротора, магнитная система узла синфазирования составлена из двух расположенных один в другом и разделенных воздушным зазором цилиндрических полых магнитопроводов, внешний из которых расположен на статоре, а внутренний на немагнитной втулке, установленной на валу двигательного узла, в радиальных плоскостях на указанных магнитопроводах расположены синфазирующие обмотки, выполненные с тороидальной намоткой, причем плоскости секций статорной синфазирующей обмотки совпадают с плоскостями симметрии секций обмотки возбуждения двигательного узла, соединенной последовательно со статорной синфазирующей обмоткой узла синфазирования, секции роторной обмотки которого соединены последовательно с секциями роторных обмоток двигательного узла и узла передачи энергии, находящимися в одной с ними плоскости.

На фиг. 1 представлен электрический двигатель;

на фиг. 2 разрезы А-А и Б-Б на фиг. 1;

на фиг. 3 электрическая схема двигателя;

на фиг. 5 соединение и размещение роторных обмоток, лежащих в одной диаметральной плоскости;

на фиг. 6 соединение и ориентация секций обмотки возбуждения и статорной обмотки узла синфазирования;

на фиг. 7 устройство и электромагнитная картина узла синфазирования;

на фиг. 8 симметричное замыкание магнитной цепи;

на фиг. 9 сопряжение двигательного узла и узла синфазирования;

на фиг. 10 разрез Е-Е на фиг. 9;

на фиг. 11 разрез Д-Д на фиг. 9 с изображением электромагнитных картин роторной нагрузки и обмотки возбуждения;

на фиг. 12 распределение индукции поля возбуждения по скобообразному магнитопроводу;

на фиг. 13 распределение индукции возбуждения и поля роторной нагрузки (разрез Г-Г на фиг. 12).

Электрический двигатель содержит аксиально установленные в одном корпусе узел передачи энергии, двигательный узел и узел синфазирования, расположенные на одном валу. Узел передачи энергии 1 (фиг. 1) выполнен в виде асинхронного двигателя, статорная обмотка которого является первичной обмоткой упомянутого узла, а роторная обмотка вторичной обмоткой узла передачи энергии. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока.

Основным назначением узла является передача энергии в роторную цепь двигателя, чем и определяются продольные размеры этого узла.

Двигательный узел составлен из полого цилиндрического внешнего магнитопровода 2 статора, несущего на себе секционированную обмотку возбуждения 3, расположенную по внутренней образующей магнитопровода статора: в пазах на внутренней поверхности магнитопровода 2.

Электродвигатель снабжен магнитопроводом обмотки возбуждения, выполненным в виде двух рядов скобообразных магнитопроводов. Скобообразные магнитопроводы 4 первого ряда расположены параллельно оси двигателя в радиальных плоскостях, при этом каждый из них расположен вдоль наружной образующей полого цилиндрического внешнего магнитопровода 2 статора двигательного узла, сопрягаясь с ее частью, ограниченной контуром секции обмотки возбуждения 3 статора.

Ротор двигательного узла, выполненный в виде внутреннего цилиндрического магнитопровода 6, отделенного от статора воздушным зазором, снабжен втулкой 5 из немагнитного материала. Между втулкой 5 и цилиндрическим магнитопроводом 6 установлены кольца 8 и 9, каждое из которых составлено из скобообразных магнитопроводов (пластин) 10 (фиг. 2), изолированных между собой немагнитными изоляторами 11. Кольца закреплены фиксирующими фланцами 7.

Торцевые части скобообразных магнитопроводов статора и ротора двигательного узла сопряжены через воздушный зазор, образуя магнитный коллекторный узел.

На полом цилиндрическом магнитопроводе 6 в пазах расположены роторная обмотка 12, имеющая тороидальную намотку, а ее секции расположены в радиальных плоскостях. Для вывода соединительных концов роторной обмотки 12 двигательного узла в полукольце 9 имеются пазы 18 (фиг. 11).

Магнитная система узла синфазирования электрического двигателя составлена из двух, расположенных один в другом и разделенных воздушным зазором цилиндрических полых магнитопроводов, из которых внешний магнитопровод 13 расположен на статоре, а внутренний магнитопровод 14 на немагнитной втулке 15, закрепленной на валу двигательного узла. В радиальных плоскостях внешнего магнитопровода 13 расположена статорная синфазирующая обмотка 16, а в радиальных плоскостях внутреннего магнитопровода 14 роторная синфазирующая обмотка 17, т. е. указанные обмотки имеют тороидальную намотку. Радиальная плоскость секции статорной синфазирующей обмотки 16 совпадает с плоскостью симметрии секции обмотки возбуждения 3 магнитопровода статора двигательного узла (фиг. 6).

Секции статорных обмоток 3 и 16 двигательного узла и узла синфазирования соединены между собой.

Роторная цепь электрического двигателя образована последовательным соединением роторной обмотки 12 двигательного узла, роторной обмотки 17 узла синфазирования и роторной (вторичной) обмотки узла передачи энергии 1 (фиг. 4).

Работа двигателя основана на взаимодействии двухконтурной системы токов с несимметричным замыканием магнитного потока и синфазированного с пространственным распределением роторной нагрузки магнитного поля возбуждения при электромагнитной развязке контуров обмотки возбуждения и роторной цепи.

Применение двухконтурной обмотки ротора с тороидальной намоткой в совокупности с магнитным коллекторным узлом дает возможность сложения полей возбуждения и роторной нагрузки при исключении электромагнитной связи контуров (магнитное поле возбуждения распространяется радиально, т.е. не пересекая контура обмотки ротора (фиг. 11 и 13).

Для сохранения электромагнитной картины поля роторной нагрузки для двухконтурной системы обмоток ротора применено несимметричное замыкание магнитного потока (сравнить фиг. 7 и 8), что обеспечено отсутствием магнитопроводящих материалов в пространстве внутри роторного цилиндрического магнитопровода 6 (втулка 5 и изоляторы 11 из немагнитного материала), ослабляющее симметричную (статорной ветви, фиг. 2, 7 и 8) ветвь замыкания магнитного потока практически до нудя, вследствие чего двухконтурная система становится эквивалентной одноконтурной системе с симметричным замыканием (фиг. 7 и 8).

Синфазирование, т.е. полное соответствие (в отличие от асинхронного двигателя) пространственного распределения роторной нагрузки и магнитного поля возбуждения осуществляется с помощью узла синфазирования, представляющего собой, по существу, трансформатор тока для преобразования вращающегося магнитного поля, в котором задающей является роторная обмотка (фиг. 7).

Поскольку по основному свойству трансформатора тока намагничивающие силы обмоток узла синфазирования (статорной и роторной) противоположны в пространстве (электромашинный аналог измерительного трансформатора тока), распределение роторной нагрузки копируется в обмотке возбуждения, секции которой соединены с секциями статорной синфазирующей обмотки (фиг. 9, 10 и 11).

Секции обмотки возбуждения, имеющие общий контур со статорными обмотками узла синфазирования и имеющие ортогональную относительно них ориентацию, возбуждают в скобообразных магнитопроводах, цепь которых замыкается через цилиндрические полые магнитопроводы ротора и статора (в радиальном направлении) и магнитный коллектор, индукцию магнитного поля возбуждения, вращающуюся в пространстве синфазно с вращающейся токовой нагрузкой (фиг. 11 и 13).

Магнитное поле возбуждения, взаимодействуя с двухконтурной системой роторной обмотки, создает электромагнитный момент; общая картина их взаимодействия общеизвестна и иллюстрируется в данном случае фиг. 13.

Работа предлагаемого двигателя в статическом режиме представляется следующим образом.

Узел передачи электрической энергии при наличии скольжения трансформирует в роторной обмотке систему ЭДС, поскольку секции роторной обмотки узла передачи энергии соединены с соответствующими секциями роторной обмотки двигательного узла и узла синфазирования, по ним потечет система токов, параметры которой определяются скольжением и параметрами роторной обмотки двигателя.

Пространственное распределение токовой нагрузки ротора с помощью узла синфазирования трансформируется в магнитное поле возбуждения, синфазированное с токовой нагрузкой ротора.

Двухконтурная обмотка ротора двигательного узла взаимодействует с магнитным полем обмотки возбуждения, возбуждая электромагнитный момент. При этом за счет синфазирования токовой нагрузки и магнитного поля возбуждения противомомента, характерного для любого режима (кроме x.x.) синхронного двигателя, не возникает.

По поводу режима холостого хода: по типу электромагнитного взаимодействия предложенный двигатель имеет характеристики, близкие к характеристикам двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (ток обмотки возбуждения пропорционален току нагрузки) с той разницей, что точка холостого хода предлагаемого двигателя будет обусловлена свойствами узла передачи энергии: при скорости ротора, равной синхронной, роторная цепь перестает получать энергию, а при увеличении скорости возникает тормозной момент.