вентильно-индукторная машина

Формула изобретения

1. Вентильно-индукторная машина, содержащая первичный элемент с многофазной обмоткой с одной стороны рабочего зазора, состоящей из смещенных вдоль рабочего зазора сосредоточенных фазных катушек с вентильными коммутаторами для поочередного подключения фазных катушек к внешней цепи постоянного тока, и вторичный элемент, причем первичный и вторичный элементы выполнены с возможностью относительного перемещения, отличающаяся тем, что первичный элемент имеет однородную магнитную структуру в направлении относительного перемещения первичного и вторичного элементов, вторичный элемент выполнен с полюсными модулями, геометрические параметры которых обеспечивают циклическое согласованное положение фазных катушек и полюсных модулей единовременно для одной фазы, при этом полюсные модули вторичного элемента выполнены магнитноавтономными и активными в виде сосредоточенных катушек или постоянных магнитов, одноименные полюсы которых обращены к рабочему зазору, а фазные катушки первичного элемента выполнены электромагнитнонезависимыми.

2. Вентильно-индукторная машина по п. 1, отличающаяся тем, что сосредоточенные катушки вторичного элемента выполнены с одинаковыми направлением намотки и расположением входных и выходных зажимов.

3. Вентильно-индукторная машина по п. 1, отличающаяся тем, что полюсные модули вторичного элемента размещены в криостате, а их постоянные магниты выполнены в виде массивных керамических высокотемпературных сверхпроводников с вмороженным магнитным потоком.

4. Вентильно-индукторная машина по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что все катушки выполнены из сверхпроводникового провода и размещены в криостате.

5. Вентильно-индукторная машина по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что первичный и вторичный элементы выполнены линейными и закреплены с возможностью их относительного линейного перемещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано в электроприводе, на транспорте, в энергетике.

Вентильно-индукторные машины (ВИМ) широко применяются в современных технологиях [1] . Во многих случаях ВИМ успешно конкурируют с синхронными, вентильными и асинхронными машинами благодаря повышенной магнитной индукции в воздушном зазоре, простой конструкции статора, ротора и инвертора, пониженной стоимости.

Наиболее близкой к данному изобретению является вентильно-индукторная машина (называемая в английской литературе Switched Reluctance Motor - SRM) [2] . Она содержит первичный элемент с многофазной обмоткой, расположенной с одной стороны рабочего зазора и состоящей из смещенных вдоль зазора автономных сосредоточенных фазных катушек с вентильными коммутаторами для поочередного подключения катушек к внешней цепи постоянного тока, и вторичный элемент с полюсными модулями, расположенными с другой стороны рабочего зазора и имеющими геометрические параметры, обеспечивающие циклическое согласованное положение фазных катушек и полюсных модулей единовременно для одной фазы, причем первичный и вторичный элементы закреплены с возможностью относительного перемещения. Первичный элемент машины размещен на статоре и содержит индуктор в виде общего для всех фаз кольцевого ферромагнитного сердечника с полюсными выступами, обращенными к оси машины и охваченными фазными катушками, которые подключены к сети постоянного тока через вентильные ключи с обратными диодами. Первичный элемент выполняет также функции якоря, так как в фазных катушках наводится рабочая ЭДС. Магнитопровод вторичного элемента (ротора) выполнен в виде цилиндрического сердечника с наружными полюсными модулями, обращенными к первичному элементу. Число полюсных модулей вторичного элемента не равно числу полюсных выступов первичного элемента. Полюсные модули вторичного элемента являются пассивными (т.е. не содержат обмоток с токами или постоянных магнитов) и разнополярными, а магнитная структура первичного элемента в направлении перемещения неоднородная из-за полюсных выступов.

Недостатками машины являются: большая масса, пульсации рабочего момента, усложненный запуск, наличие помех и низкий энергетический коэффициент К_э - отношение преобразованной энергии к поступившей в каждом рабочем цикле, аналогичный коэффициенту мощности cos (К_э0,5-0,6).

Повышенная удельная масса машины определяется, во-первых, наличием стальных сердечников. Во-вторых, большая масса и пониженный пусковой момент машины объясняются тем, что пусковой и рабочий моменты создаются единовременно полюсными выступами первичного элемента для одной фазы, число которых нельзя существенно увеличить, так как при этом полюсы сужаются, увеличивается магнитное рассеяние. Число фаз машины где - число полюсных выступов первичного элемента в поперечном сечении. Относительно малое число фаз приводит к заметным пульсациям рабочего момента при переключении фазы, что ухудшает рабочие и акустические характеристики машины. Кроме того, в машине имеются взаимные магнитные потоки между фазами из-за общего магнитопровода, что также увеличивает массу и вызывает помехи. Низкий энергетический коэффициент обусловлен тем, что фазные катушки создают основной пульсирующий рабочий магнитный поток, что аналогично загрузке сети реактивной мощностью, как, например, в асинхронных машинах. Кроме того, в линейной модификации двигателя возникают дополнительные потери в концевых зонах из-за нарушения симметрии магнитной цепи и взаимоиндукции между фазами, имеющими общий сердечник. Компенсация концевых эффектов требует утолщения концевых зон сердечников и дополнительного увеличения их массы.

Целью изобретения является снижение массы машины, уменьшение пульсаций момента и улучшение пусковых характеристик, снижение помех, повышение энергетического коэффициента, устранение вредных концевых эффектов в линейных конструкциях.

Цель достигается тем, что в вентильно-индукторной машине, содержащей первичный элемент с многофазной обмоткой, расположенной с одной стороны рабочего зазора и состоящей из смещенных вдоль зазора автономных сосредоточенных фазных катушек с вентильными коммутаторами для поочередного подключения катушек к внешней цепи постоянного тока, и вторичный элемент с полюсными модулями, расположенными с другой стороны рабочего зазора и имеющими геометрические параметры, обеспечивающие циклическое согласованное положение фазных катушек и полюсных модулей единовременно для одной фазы, причем первичный и вторичный элементы закреплены с возможностью относительного перемещения, полюсные модули вторичного элемента выполнены активными, магнитно-автономными, а первичный элемент имеет однородную магнитную структуру в направлении относительного перемещения первичного и вторичного элементов. Кроме того, полюсные модули вторичного элемента могут быть выполнены в виде сосредоточенных катушек с одинаковыми направлением намотки и расположением входных и выходных зажимов. Кроме того, полюсные модули вторичного элемента могут быть размещены в криостате и выполнены в виде массивных керамических высокотемпературных сверхпроводников с вмороженным магнитным потоком, одноименные полюсы которых обращены к рабочему зазору. Кроме того, полюсные модули вторичного элемента могут быть выполнены в виде постоянных магнитов, одноименные полюсы которых обращены к рабочему зазору. Кроме того, все катушки могут быть выполнены из сверхпроводникового провода и размещены в криостате. Кроме того, первичный и вторичный элементы могут быть выполнены линейными и закреплены с возможностью их относительного линейного перемещения.

Масса машины снижается благодаря возможности исключить стальные сердечники и использовать сверхпроводники и высокоэнергетические постоянные магниты, пульсации момента уменьшаются, а пусковые характеристики улучшаются благодаря увеличению числа магнитно не связанных фаз (mz₁), помехи устраняются вследствие электромагнитной независимости фаз, а энергетический коэффициент возрастает благодаря использованию активных магнитно-автономных полюсных модулей вторичного элемента, создающих постоянное первичное магнитное поле возбуждения (аналогично тому, как это имеет место в синхронных машинах, для которых cos1.

На фиг.1 показан поперечный разрез цилиндрической вентильно-индукторной машины с активными полюсными модулями вторичного элемента, выполненными в виде сосредоточенных катушек с одинаковыми направлением намотки и расположением входных и выходных зажимов, которые могут быть сделаны или из обычного провода, или из сверхпроводникового провода, размещенного в криостате; на фиг.2 - поперечный разрез вентильно-индукторной машины с активными полюсными модулями вторичного элемента, размещенными в криостате и выполненными в виде массивных керамических высокотемпературных сверхпроводников с вмороженным магнитным потоком; на фиг.3 - поперечный разрез вентильно-индукторной машины с активными полюсными модулями вторичного элемента выполненными в виде постоянных магнитов; на фиг. 4 - продольный разрез линейной вентильно-индукторной машины с активными полюсными модулями (любого типа); на фиг.5 - аксонометрия развертки вентильно-индукторной машины с активными полюсными модулями вторичного элемента и поблочно сопряженными фазными катушками.

Машина с активными полюсными модулями в виде сосредоточенных катушек по п.п.2 и 5 формулы изобретения (фиг.1) содержит первичный элемент (якорь) 1 с закрепленными фазными катушками 2, подключенными через вентильные коммутаторы 3 с обратными диодами 4 (в режиме двигателя) к сети постоянного тока. Вторичный элемент (индуктор) 5 содержит полюсные модули 6 в виде сосредоточенных катушек с одинаковыми направлением намотки и расположением входных и выходных зажимов. Катушки 6 подключены к источнику постоянного тока через контактное устройство (на фиг.1 не показано). Катушки 2 и 6 выполняются или из обычного провода (при кратковременных режимах), или из сверхпроводникового провода, размещенного в кольцевом криостате 7. Криостат 7 может иметь непроводящие и проводящие стенки, если последние удалены от катушек 2 на расстояние, превышающее половину их диаметра (для снижения вихревых токов). Обмотки первичного и вторичного элементов закреплены в легких конструктивных элементах (на фиг.1 не показаны).

Поперечный разрез вентильно-индукторной машины с активными полюсными модулями вторичного элемента, размещенными в криостате и выполненными в виде массивных керамических высокотемпературных сверхпроводников с вмороженным магнитным потоком по п. 3 формулы изобретения (фиг.2) содержит первичный элемент 1 с описанными выше позициями 2-4. Вторичный элемент 5 содержит полюсные модули 8 в виде массивных керамических высокотемпературных сверхпроводников с вмороженным магнитным потоком. Полюсные модули закреплены в легких конструктивных элементах и размещены в кольцевом криостате 7. При этом, если статорные катушки 2 работают кратковременно или имеют интенсивное жидкостное охлаждение и не требуют криостатирования, то криостат 7 охватывает только полюсные модули 8 и его стенка на роторе, примыкающая к рабочему зазору, должна изготовляться из непроводящего материала (типа стеклопластика) для борьбы с вихревыми токами.

Вентильно-индукторная машина с активными полюсными модулями вторичного элемента, выполненными в виде постоянных магнитов по п.4 формулы изобретения (фиг. 3), содержит первичный элемент 1 с описанными выше позициями 2-4. На вторичном элементе 5 закреплены полюсные модули 9, выполненные в виде постоянных магнитов. Для увеличения индукции в зазоре ВИМ может иметь вспомогательные облегченные сердечники, например, из магнитодиэлектрика, имеющие индукции насыщения 1,01,5 Тл [3] и не требующие шихтовки магнитопровода. В частности, возможна конструкция ВИМ, показанной на фиг.3, состоящая из двух идентичных сопрягаемых блоков на общем валу, которые имеют различную полярность постоянных магнитов, связанных продольным (осевым) сердечником из магнитодиэлектрика. Аналогичный осевой сердечник может размещаться вокруг обмоток первичного элемента, имеющих различную полярность выходных зажимов в разных блоках. При этом рабочий поток является радиально-осевым, как в двухпакетных индукторных машинах [4].

Линейная вентильно-индукторная машина с активными полюсными модулями (фиг. 4) по п.6 формулы изобретения содержит линейный первичный элемент 10 с закрепленными фазными катушками 11, подключенными через вентильные коммутаторы 3 с обратными диодами 4 к сети постоянного тока. Линейный вторичный элемент 12 содержит активные полюсные модули 13 любого из описанных ранее типов (или в виде сосредоточенных катушек с одинаковыми направлением намотки и расположением входных и выходных зажимов, выполненных из обычного либо из сверхпроводникового провода, или в виде массивных керамических высокотемпературных сверхпроводников с вмороженным магнитным потоком, или в виде постоянных магнитов).

Машина с активными полюсными модулями и поблочно сопряженными фазными катушками (фиг.5) в 4-фазном исполнении (фазы А, В, С, D, сдвинутые последовательно в направлении относительного движения первичного и вторичного элементов на j пространственного периода магнитного поля индуктора) содержит первичный элемент 14 с двумя якорными блоками 15 и 16. В первом блоке размещены сопряженные катушки фаз А и С, во втором блоке - сопряженные катушки фаз В и D, сдвинутые на S расстояния между соседними полюсами индуктора относительно катушек фаз А и С (соответственно). Фазные катушки подключены к сети постоянного тока через такие же коммутаторы (на фиг.5 не показаны), как и в схемах на фиг.1-4. Вторичный элемент 17 содержит активные полюсные модули 18 любого из описанных ранее типов. Такая машина как в цилиндрическом, так и в линейном исполнениях, обеспечивает компактное размещение якорных фазных катушек и высокое использование полюсов индуктора.

Во всех модификациях предложенной машины первичный и вторичный элементы могут альтернативно размещаться как на неподвижной части (статоре), так и на подвижной части (роторе). Благодаря электромагнитной независимости фазных катушек число фаз m в предложенной машине может быть равно числу фазных катушек z₁ первичного элемента (m=z₁).

Машина, показанная на фиг.1, в режиме двигателя работает следующим образом.

Обмотки 6 вторичного элемента создают начальное однополярное магнитное поле. Перед началом перекрытия обмоток первичного и вторичного элементов для определенной фазы замыкаются ключи 3 и ток в обмотке 2 первичного элемента нарастает до необходимой величины. После начала перекрытия обмоток благодаря нарастанию взаимной индуктивности согласно включенных обмоток создается электромагнитная сила, движущая обмотку вторичного элемента в согласованное положение. При приближении к нему обмотка первичного элемента отключается и включается обмотка следующей фазы, что обеспечивает непрерывность момента на валу. Ток в отключаемой обмотке замыкается через обратный диод и питающую сеть или вспомогательные конденсаторы. Каждая пара обмоток первичного и вторичного элементов работает автономно благодаря отсутствию стальных сердечников. Подавление внешних полей может осуществляться с помощью экранов (не показаны). Процессы в машине аналогичны таковым для обычной ВИМ (прототипа), но вместо полюсных ферромагнитных выступов вторичного элемента используются активные полюсные модули, а сила создается благодаря нарастанию взаимной индуктивности между обмотками первичного и вторичного элементов.

Принцип работы машин, показанных на фиг.2 и 3, следующий.

Активные полюсные модули вторичного элемента: однополярные СП-магниты 8 из массивных керамических высокотемпературных сверхпроводников с вмороженным магнитным потоком (фиг.2) или однополярные постоянные магниты 9 (фиг.3) создают начальное однополярное магнитное поле. Перед началом перекрытия обмотки первичного элемента и полюсного модуля вторичного элемента для определенной фазы замыкаются ключи 3 и ток в обмотке первичного элемента нарастает до необходимой величины. После начала перекрытия обмотки первичного элемента и полюсного модуля вторичного элемента создается электромагнитная сила, действующая на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, которая движет полюсный модуль вторичного элемента в согласованное положение. При приближении к нему обмотка первичного элемента отключается и включается обмотка следующей фазы, что обеспечивает непрерывность момента на валу. Каждая обмотка первичного элемента и соответствующий полюсный модуль вторичного элементов работают автономно.

Для ВИМ линейного исполнения (фиг.4) и ВИМ с поблочно сопряженными фазными катушками (фиг.5) принцип действия основан на тех же физических эффектах, что и для рассмотренных выше модификаций машины. Благодаря сопряжению фазных катушек в машине на фиг.5 ее массогабаритные показатели могут быть минимизированы, так как напротив каждого полюса индуктора всегда располагаются проводники якоря (отсутствуют тангенциальные зазоры между катушками, где магнитное поле индуктора не используется). Кроме того, в такой ВИМ значительно снижаются пульсации рабочего и пускового моментов благодаря непрерывному перекрытию фаз.

Рабочие значения магнитной индукции в зазоре между первичным и вторичным элементами могут достигать нескольких тесла при использовании сверхпроводниковых или импульсно-включаемых обычных обмоток, 13 Тл при использовании высокотемпературных сверхпроводниковых модулей (на основе, например, соединений типа Y-Ba-Cu-0) с вмороженным потоком [5], 0,40,6 Тл при использовании высококоэрцитивных постоянных магнитов [6]. Такие значения индукции обеспечивают улучшение массогабаритных показателей предложенной машины по сравнению с прототипом и известными аналогами.

Положительной особенностью предложенной ВИМ является намагничивающая реакция якоря, т.к. магнитное поле фазной катушки усиливает поле полюсного модуля в двигательном режиме. Это, в частности, предохраняет модули вторичного элемента от размагничивания, которое имеет место в обычных синхронных машинах.

Необходимо также отметить, что в зоне между однополярными модулями вторичного элемента существует встречное магнитное поле относительно основного поля (из условия div подразумевающего замкнутость магнитных линий). Это поле, взаимодействуя с током в проводниках обратной стороны фазной катушки, находящихся в зоне между модулями, создает добавочную электромагнитную силу в том же направлении, что и основная сила, действующая на прямую сторону катушки, расположенную над вторичным модулем (в обеих сторонах фазной катушки поле и ток одновременно меняют направление).

В конструкциях машины, показанных на фиг. 1-4, число фазных катушек первичного элемента превышает число полюсных модулей вторичного элемента для обеспечения последовательного включения фаз. Возможна блочная конструкция машины, у которой в рабочем поперечном сечении число фазных катушек равно числу вторичных полюсных модулей, что повысит эффективность взаимодействия катушек и модулей. При этом машина содержит подобных блоков на валу, каждый из которых соответствует определенной фазе машины и подключается к сети с последовательным сдвигом во времени, равным, где Т - период работы фазной катушки, m - число фаз. Такая конструкция обеспечит дополнительное снижение удельной массы машины (массы на единицу мощности). Возможна также многодисковая конструкция машины, в которой катушки первичного элемента и полюсные модули вторичного элемента размещаются на чередующихся вращающихся и неподвижных дисках. Это повышает мощность и снижает удельную массу машины, так как каждая фазная катушка охвачена полюсными модулями с двух сторон.

Рациональный режим работы предложенной машины в качестве двигателя обеспечивается при равенстве напряжения питания и наводимой противо-ЭДС (при базовой скорости ротора), когда энергетический коэффициент достигает больших значений (0,90,95). Регулирование машины осуществляется изменением моментов включения и отключения катушек 2 первичного элемента, напряжения питания (например, ШИМ-регулятором), тока в катушках 6.

Предложенная машина может работать в режиме генератора постоянного тока, когда внешний привод обеспечивает относительное движение первичного и вторичного элементов, благодаря которому в фазных катушках первичного элемента наводятся ЭДС, питающие током нагрузки, подключенные к сети постоянного тока. В качестве коммутаторов в этом случае используются обычные диоды или простые управляемые вентили без обратных диодов. Пульсации тока при переключении вентилей могут сглаживаться фильтрами (например, дросселями).

Для генераторного режима возможна модификация, аналогичная машине, показанной на фиг.5, с двумя сопряженными фазами (А и С), подключенными к сети через 2 вентиля, которые работают в режиме естественной коммутации (включается вентиль с наибольшим прямым напряжением). Рабочая ЭДС и выходное напряжение будут практически постоянными. Такая двухфазная двухвентильная ВИМ обеспечивает минимизацию числа коммутаторов. Она значительно проще и технологичнее, чем известные машины постоянного тока. По энергетическим показателям она, например, превосходит на 20-30% классическую вентильную разнополярную машину с простейшим электронным преобразователем со средней точкой (нулевая схема), также имеющим два вентиля. Это объясняется сопряжением обмоток (соответственно наводимых в них ЭДС и создаваемых сил) в предлагаемой ВИМ, тогда как в разнополярной вентильной машине всегда имеются "мертвые" зоны между полюсами, где силы и ЭДС не создаются.

В качестве аналогов электромеханической части предложенной машины могут выступать синхронные и вентильные машины с активными разнополярными полюсами возбуждения (в том числе, сверхпроводниковыми или на основе постоянных магнитов). Однако при переходе к питанию от сети постоянного тока (в вентильных машинах) эти аналоги требуют сложной распределенной m-фазной обмотки, обеспечивающей создание вращающегося или бегущего магнитного поля и, соответственно, усложненного инвертора, обеспечивающего синусоидальность рабочего тока. В мостовых инверторах относительно высока вероятность появления аварийных сквозных токов. Такие преобразователи должны снабжаться системой громоздких фильтров и вспомогательных управляющих элементов. В предложенной машине используется наиболее простая сосредоточенная (катушечная) обмотка первичного элемента, работающая в режиме циклического однополярного включения. Благодаря указанным особенностям стоимость машины на 15-20% ниже стоимости аналогичных известных вентильных машин. Кроме того, в известных вентильных двигателях с регулируемым инвертором (по углу опережения) коэффициент мощности, аналогичный К_э, составляет 0,60,8 [4], что ниже, чем у предложенной машины, работающей в базовом режиме (К_э0,90,95).

Эффективность предложенной машины будет, по меньшей мере, не ниже, чем у известных вентильных машин. Это определяется тем, что в вентильных машинах проводники обмотки якоря практически непрерывно обтекаются рабочими токами, но при синусоидальных токах и индукциях их действующие значения в меньше амплитудных (I_m, В_m), поэтому электромагнитная сила, действующая на проводник, пропорциональна 0,5I_mB_m (с некоторым уменьшением из-за межполюсных промежутков). В предложенной машине ток в каждом проводнике обмотки якоря течет примерно 1/2 периода, но имеет максимальное значение _m, как и индукция В_m. Поэтому средняя сила на проводник также примерно пропорциональна 0,5I_mВ_m, но предложенная машина имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными вентильными машинами, которые были указаны ранее.

Согласно проведенным теоретическим исследованиям и расчетам предложенная машина в диапазоне мощностей 10100 кВт при базовых скоростях ротора порядка 80 м/с имеет удельные активные массы 0,60,8 кг/кВт для модификации с постоянными магнитами на роторе и воздухоохлаждаемыми фазными катушками, 0,10,2 кг/кВт для модификации со сверхпроводниковыми керамическими модулями на роторе и обычными обмотками с жидкостным охлаждением на статоре, 0,030,05 кг/кВт для модификации со сверхпроводниковыми модулями и катушками. При этом во всех случаях энергетический коэффициент К_э0,90,95, а КПД 0,93. Массогабаритные и энергетические показатели предложенной машины на 20-30% лучше, чем у аналогичных известных электрических машин. При увеличенном числе фаз (m=z₁) пусковой момент возрастает на 30%, а пульсации момента снижаются на 10% по сравнению с прототипом.

Линейная конструкция предложенной машины (фиг.4) может эффективно использоваться для высокоскоростного транспорта и обеспечит снижение удельной массы тяговой системы на 20% по сравнению с системами на линейных синхронных двигателях [7]. Кроме того, линейная конструкция позволяет полностью устранить негативные концевые эффекты и повысить КПД преобразования электрической энергии в механическую (до 0,9 и выше). Фазные катушки в линейной конструкции машины для высокоскоростного транспорта могут размещаться на полотне и работать при больших токах в импульсном режиме (только в период прохождения экипажа) с длительными паузами, что допускает применение обычных термоинерционных неохлаждаемых катушек простой конструкции.

Источники информации

1. Ильинский Н.Ф. Перспективы применения вентильно-индукторного привода в современных технологиях. - Электротехника, 1997, 2.

2. Miller T. J.E., Switched Reluctance Motors and Their Control. - Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993.

3. Троицкий В.А., Ролик А.И., Яковлев А.И., Магнитодиэлектрики в силовой электротехнике. - Киев, "Техника", 1983.

4. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990.

5. Бертинов А.И., Алиевский Б.Л., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Семенихин B. C. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы. - М. Изд-во МАИ, 1993.

6. Постоянные магниты. Справочник / Под ред. Ю.М.Пятина. - М.: Энергия, 1980.

7. Бахвалов Ю.А., Бочаров В.И., Винокуров В.А., Нагорский В.Д. Транспорт с магнитным подвесом. - М.: Машиностроение, 1991.