RU105540U1

RU105540U1 - MODULAR ELECTRIC MACHINE

Info

Publication number: RU105540U1
Application number: RU2010113746/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Германович Герман-Галкин; Юрий Владимирович Загашвили; Василий Васильевич Верюжский
Original assignee: Сергей Германович Герман-Галкин; Юрий Владимирович Загашвили; Василий Васильевич Верюжский
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-06-10

Abstract

1. Модульная электрическая машина, содержащая электрические модули в виде П-образных сердечников, закрепленных по окружности на неподвижных частях с обмотками возбуждения и якоря, ротор с ферромагнитными вставками, расположенными по окружности, отличающаяся тем, что обмотки возбуждения и якоря намотаны раздельно на каждом стержне П-образного сердечника, каждый электромагнитный модуль содержит два П-образных сердечника, расположенных торцами друг к другу так, что 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 от друга, при этом якорные обмотки электромагнитного модуля одной фазы, смещенные на полюсное деление, соединены последовательно согласно, а обмотки возбуждения этой фазы соединены последовательно встречно. ! 2. Модульная электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что машина содержит 2n (n=1, 2, 3…) неподвижных частей с установленными на них электромагнитными модулями и 2n-1 подвижных частей. ! 3. Модульная электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что на неподвижных внутренних частях установлены сердечники дроссельного типа с обмотками аналогичными обмоткам П-образных сердечников на внешних частях. 1. A modular electric machine containing electric modules in the form of U-shaped cores, circumferentially mounted on fixed parts with field windings and armature, a rotor with ferromagnetic inserts arranged around a circle, characterized in that the field windings and armature are wound separately on each rod U-shaped core, each electromagnetic module contains two U-shaped cores located end to end so that the inserts on the rotor, which is installed between the cores, coincide in the ends with each pair of two U-shaped cores, the electromagnetic modules are fixed around the circumference without radial displacement from each other, while the armature windings of the electromagnetic module of one phase, shifted by the pole division, are connected in series according to, and the field windings of this phase are connected in series. ! 2. The modular electric machine according to claim 1, characterized in that the machine contains 2n (n = 1, 2, 3 ...) fixed parts with electromagnetic modules mounted on them and 2n-1 moving parts. ! 3. The modular electric machine according to claim 2, characterized in that throttle-type cores with windings similar to the windings of U-shaped cores on the outer parts are installed on the fixed internal parts.

Description

Предполагаемое устройство относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения вентильных электрических машин. Оно может быть использовано как электрический двигатель, так и генератор.The proposed device relates to the field of electrical engineering and concerns the design features of valve electric machines. It can be used as an electric motor or generator.

Известен вентильный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов (Пат. RU 2375807 2009.12.10) содержащий кольцевой статор с многофазной обмоткой и цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал и распределенные по окружности ферромагнитные полюсы. Каждый полюс образован пакетами шихтованных магнитопроводов двух соседних сегментов, установленных на немагнитном валу, а каждый сегмент составляет немагнитное основание П-образной формы, на котором закреплены два пакета шихтованного магнитопровода. Между пакетами образована полость для установки постоянных магнитов, после чего полость закрыта немагнитной пластиной. Упомянутые сегменты установлены на немагнитном валу с образованием немагнитного зазора между пакетами шихтованных магнитопроводов соседних сегментов, составляющих полюс. Недостатком этой конструкции является высокая цена постоянных магнитов из редкоземельных материалов, размагничивание магнитов при воздействии импульсных напряжений, сложная технология изготовления.Known valve motor with excitation from permanent magnets (Pat. RU 2375807 2009.12.10) containing a ring stator with a multiphase winding and a cylindrical rotor, including a non-magnetic shaft and distributed around the circumference of the ferromagnetic poles. Each pole is formed by packets of lined magnetic cores of two adjacent segments mounted on a non-magnetic shaft, and each segment constitutes a non-magnetic U-shaped base on which two packets of lined magnetic circuit are fixed. A cavity is formed between the packages for installing permanent magnets, after which the cavity is closed by a non-magnetic plate. The said segments are mounted on a non-magnetic shaft with the formation of a non-magnetic gap between the packs of charged magnetic circuits of adjacent segments constituting the pole. The disadvantage of this design is the high price of permanent magnets from rare-earth materials, demagnetization of magnets under the influence of pulsed voltages, and complex manufacturing technology.

Известен также 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.Also known is a self-excited valve motor (Pat. RU 2237338 09/27/2004), containing a stator, which consists of ferromagnetic magnetic charge poles fixed in a housing, radially enveloped by phase winding coils. The extreme poles of the stator on the side of each end of the motor are connected by magnetic circuits to close the working magnetic flux. The rotor of the engine is made in the form of a number of disks located transverse to the axis of rotation with lined ferromagnetic poles mounted on them. On both sides of the end surfaces of the rotor poles, stator poles are placed through the air gaps. The number of rotor disks is determined by the required engine power and its axial dimension. During engine operation, controlled pulses of current from the autonomous switch are alternately supplied to the coils of each phase, as a result of which a working magnetic flux forms, which passes through the poles of the rotor, stator, air gaps, and closes on the stator magnetic circuits from the side of each motor end. The disadvantage of this design is the significant radial forces at the extreme poles of the stator, the limitation in the radial build-up of power, and the complex manufacturing technology of the stator.

Известна также магнитокоммутационная электрическая машина (см. Afonin A.A., Kramarz W., Cierzniewski P., Elektromechaniczne przetworniki energii z komutacją elektroniczną, Szczecin Wydawnictwo Politechniki Szczecinskiej 2000… Оригинал и перевод той части монографии, в которой описывается магнитокоммутационная машина приведены в приложении 1), 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. Указанная электрическая машина по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату может быть принята в качестве ближайшего аналога. Недостатком данной электрической машины является ограничение максимальной мощности, поскольку такая машина может быть только двухфазной.A magneto-switching electric machine is also known (see Afonin AA, Kramarz W., Cierzniewski P., Elektromechaniczne przetworniki energii z komutacją elektroniczną, Szczecin Wydawnictwo Politechniki Szczecinskiej 2000 ... The original and translation of that part of the monograph in which the description is given in Appendix 1, which describes) which contains electromagnetic modules in the form of U-shaped cores shifted in radius, fixed around the circumference on fixed parts with field windings and toroidal armature, a rotor with ferromagnetic inserts located around the circle. The specified electric machine on the set of essential features and the achieved technical result can be adopted as the closest analogue. The disadvantage of this electric machine is the limitation of maximum power, since such a machine can only be two-phase.

Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в создании модульной электрической машины упрощенной конструкции, обеспечить возможность наращивать максимальную мощность машины без изменения конструкции отдельного модуля и за счет секционирования повысить надежность.The problem to which the claimed device is directed is to create a modular electric machine with a simplified design, to provide the ability to increase the maximum power of the machine without changing the design of a separate module and, due to sectioning, to increase reliability.

Задача решается за счет того, что в устройство электрической машины внесены конструктивные изменения, а именно - обмотки возбуждения и якоря в электромагнитном модуле намотаны раздельно на каждом стержне П-образного сердечника, каждый электромагнитный модуль содержит два П-образных сердечника, расположенных торцами друг к другу так, что вставки на роторе, который установлен между сердечниками, совпадают в проекции с торцами каждой пары двух П-образных сердечников, ЭМ закреплены по окружности без радиального смещения друг от друга, при этом якорные обмотки одной фазы, смещенные на полюсное деление, соединены последовательно согласно, а обмотки возбуждения этой фазы соединены последовательно встречно. Конструкция такой машины обеспечивает максимальное сокращение длины магнитной линии и соответственно падение магнитного потенциала на пути замыкания магнитного потока, исключение лобовых частей обмоток в машине и соответственно потерь в обмотках. Такая конструкция позволяет реализовать в одной конструкции различные варианты машин на ряд напряжений и токов. Она обеспечивает возможность секционирования обмоток якоря и повышение надежности.The problem is solved due to the fact that constructive changes have been made to the device of the electric machine, namely, the field windings and anchors in the electromagnetic module are wound separately on each rod of the U-shaped core, each electromagnetic module contains two U-shaped cores located with their ends facing each other so that the inserts on the rotor, which is installed between the cores, coincide in projection with the ends of each pair of two U-shaped cores, EMs are fixed around the circumference without radial displacement from each other, when ohm armature winding of one phase, shifted by a pole pitch, are connected in series in, and the excitation of the phase winding are connected in series in opposition. The design of such a machine provides the maximum reduction in the length of the magnetic line and, accordingly, a decrease in the magnetic potential on the path of magnetic flux closure, elimination of the frontal parts of the windings in the machine and, accordingly, losses in the windings. This design allows you to implement in one design various machine options for a number of voltages and currents. It provides the ability to section the armature windings and increase reliability.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез одного электромагнитного модуля, на фиг.2 - одностаторный сектор трехфазной модульной электрической машины (фазы А, В, С), соответствующий двум парам полюсов, а на фиг.3 представлен продольный разрез многомодульной электрической машины.The claimed technical solution is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a longitudinal section of one electromagnetic module, Fig. 2 shows a single-stator sector of a three-phase modular electric machine (phases A, B, C) corresponding to two pairs of poles, and Fig. 3 shows a longitudinal section of a multi-module electric machine.

Модульная электрическая машина состоит из немагнитного статора, на котором по окружности укрепляются ЭМ, представляющие собой П образные сердечники с намотанными на них обмотками якоря и возбуждения и немагнитного ротора с укрепленными на нем ферромагнитными вставками из магнитомягкого материала. Количество пакетов ротора и статора выбирается в зависимости от мощности модульной электрической машины.A modular electric machine consists of a non-magnetic stator, on which EM are mounted around the circumference, which are U-shaped cores with armature and excitation windings wound on them and a non-magnetic rotor with ferromagnetic inserts made of magnetically soft material fixed to it. The number of rotor and stator packages is selected depending on the power of the modular electric machine.

На фиг.1 представлена конструкция одного электромагнитного модуля. Электромагнитный модуль в данной конструкции содержит два П-образных трансформаторных ферромагнитных сердечника 1, закрепленных на неподвижной части машины 6 вдоль радиуса, расположенных друг против друга так, чтобы воздушный зазор образовывался между торцами этих сердечников. На горизонтальных частях каждого сердечника намотаны обмотки 2, 3. В зазоре между сердечниками находится подвижная часть машины (ротор), представляющая собой немагнитное основание 5 с ферромагнитными вставками 4 На фиг.2 представлен одностаторный сектор трехфазной модульной электрической машины (фазы А, В, С), соответствующий двум парам полюсов. П-образные ферромагнитные сердечники 1, обмотки якоря 2 и обмотки возбуждения 3 закреплены на неподвижном статоре 6. Подвижная часть машины (ротор), представляет собой немагнитное основание 5. Увеличение мощности машины осуществляется за счет увеличения количества модулей как в радиальном, ток и в осевом направлениях. На фиг.3 представлена конструкция многомодульной модульной электрической машины. При осевом расширении модульной электрической машины используются несколько неподвижных частей (статоров - 2n, где n=1, 2, 3 … целые числа) и несколько подвижных частей (роторов - 2n-1). Количество подвижных частей на единицу меньше количества неподвижных 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 (А, В, фиг.3). Слои могут отличаться общим количеством модулей. В этом случае питание якорной обмотки каждого слоя осуществляется от отдельного инвертора (инверторов). Число пар полюсов в модульной машине определяется по формуле - р=k/2m, где k - число электронных модулей на окружности, m - число фаз. Так например, если на окружности простейшей модульной электрической машины умещено 36 модулей, то для двухфазной машины (m=2), количество пар полюсов равно р=9, для трехфазной модульной электрической машины р=6., для шестифазной - р=3, для девятифазной - р=2, для 18-тифазной - р=1. Приведенный пример показывает, что одна и та же конструкция неподвижной части модульной электрической машины позволяет создать машину с различным количеством фаз и числом полюсов. Из сказанного следует, что при изменении количества фаз, изменяется и число пар полюсов, что в свою очередь приводит к изменению углового смещения ферромагнитных вставок на подвижной части (роторе) модульной электрической машины. В модульной электрической машине обмотки 2 электромагнитного модуля, размещенные по всей окружности, являются якорными обмотками. Обмотки 3 являются обмотками возбуждения, они выполняются более тонким проводом и имеют большее число витков, чем якорные обмотки 2. Якорные обмотки 2-х электромагнитных модулей, смещенных на полюсное деление включаются последовательно согласно, а обмотки возбуждения этих модулей 3 включаются последовательно, встречно. Если фаза разбита на группы, то в каждой группе соединение якорных обмоток и обмоток возбуждения аналогично. Фазные якорные обмотки запитываются от обычного инвертора. Обмотки возбуждения запитываются от широтно-импульсного регулятора постоянного напряжения. Количество ферромагнитных вставок ротора в модульной электрической машине равно числу пар полюсов (р), т.е. угловое смещение вставок на окружности ротора равно α=360/ р. Управление инвертором требует наличие датчика положения ротора.Figure 1 shows the design of one electromagnetic module. The electromagnetic module in this design contains two U-shaped transformer ferromagnetic cores 1, mounted on a fixed part of the machine 6 along a radius located opposite each other so that an air gap is formed between the ends of these cores. Windings 2, 3 are wound on the horizontal parts of each core. In the gap between the cores there is a moving part of the machine (rotor), which is a non-magnetic base 5 with ferromagnetic inserts 4. Figure 2 shows a single-stator sector of a three-phase modular electric machine (phases A, B, C ) corresponding to two pairs of poles. U-shaped ferromagnetic cores 1, armature windings 2 and field windings 3 are fixed on a fixed stator 6. The moving part of the machine (rotor) is a non-magnetic base 5. The machine power is increased by increasing the number of modules in both radial, current and axial directions. Figure 3 presents the design of a multi-module modular electric machine. During axial expansion of a modular electric machine, several stationary parts (stators - 2n, where n = 1, 2, 3 ... integers) and several moving parts (rotors - 2n-1) are used. The number of moving parts is one less than the number of fixed parts. The electromagnetic module in this case is a set of cores. On the external stationary parts, these are U-shaped cores of the transformer type, on the internal stationary parts, these are ferromagnetic cores of the throttle type. The windings on the internal stationary parts are similar to the windings on the external stationary parts. A set of cores with windings located in the same plane along the axis of the machine are connected in series and form a phase winding section. The electromagnetic modules of one phase are displaced in a circle relative to each other by one pole division. When the machine is radially expanded, the electromagnetic modules are placed in several similar radial layers (A, B, Fig. 3). Layers may differ in the total number of modules. In this case, the supply of the anchor winding of each layer is carried out from a separate inverter (inverters). The number of pole pairs in a modular machine is determined by the formula - p = k / 2m, where k is the number of electronic modules on the circle, m is the number of phases. So, for example, if 36 modules are located on the circumference of a simple modular electric machine, then for a two-phase machine (m = 2), the number of pole pairs is p = 9, for a three-phase modular electric machine, p = 6., for a six-phase one, p = 3, for nine-phase - p = 2, for 18-phase - p = 1. The above example shows that the same design of the fixed part of a modular electric machine allows you to create a machine with a different number of phases and the number of poles. From what has been said, it follows that when the number of phases changes, the number of pole pairs also changes, which in turn leads to a change in the angular displacement of the ferromagnetic inserts on the moving part (rotor) of the modular electric machine. In a modular electric machine, the windings of 2 electromagnetic modules located around the circumference are anchor windings. Windings 3 are field windings, they are made with a thinner wire and have a greater number of turns than anchor windings 2. Anchor windings of 2 electromagnetic modules shifted by pole division are connected in series according to, and the field windings of these modules 3 are connected in series, counterclockwise. If the phase is divided into groups, then in each group the connection of the anchor windings and field windings is similar. Phase anchor windings are powered from a conventional inverter. Field windings are powered by a pulse-width DC voltage regulator. The number of ferromagnetic rotor inserts in a modular electric machine is equal to the number of pole pairs (p), i.e. the angular displacement of the inserts on the circumference of the rotor is α = 360 / p. Inverter control requires a rotor position sensor.

Работу модульной электрической машины рассмотрим отдельно для генераторного и двигательного режима. В генераторном режиме при протекании постоянного тока возбуждения по обмоткам возбуждения направления потоков в двух электромагнитных модулях, смещенных на полюсное деление в одной фазе, противоположно. Поэтому, когда ферромагнитные вставки ротора проходят между торцами сердечников первого электромагнитного модуля одной фазы в обмотке якоря наводится эдс одного знака, а когда ферромагнитные вставки ротора проходят между торцами сердечников второго электромагнитного модуля этой фазы в обмотке якоря наводится эдс противоположного знака. Т.о. в обмотке якоря модульной электрической машины индуктируется переменная эдс, частота которой определяется скоростью вращения ротора и числом пар полюсов в машине. Аналогично ведут себя эдс других фаз. В двигательном режиме обмотки возбуждения запитываются также, как в генераторном режиме, а ток в якорных обмотках формируется инвертором с количеством фаз равным количеству фаз модульной электрической машины, работа этого 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.We will consider the operation of a modular electric machine separately for generator and motor mode. In the generator mode, when a direct current flows through the field windings, the directions of the flows in two electromagnetic modules, shifted by pole division in one phase, are opposite. Therefore, when the ferromagnetic inserts of the rotor pass between the ends of the cores of the first electromagnetic module of one phase, the emf of the same sign is induced in the armature winding, and when the ferromagnetic inserts of the rotor pass between the ends of the cores of the second electromagnetic module of this phase, the emf of the opposite sign is induced in the armature winding. T.O. a variable emf is induced in the armature winding of a modular electric machine, the frequency of which is determined by the rotor speed and the number of pole pairs in the machine. The emf of other phases behave similarly. In the motor mode, the field windings are powered as in the generator mode, and the current in the armature windings is generated by an inverter with the number of phases equal to the number of phases of a modular electric machine, the operation of this inverter is synchronized with the signals from the rotor position sensor. With this control, the total magnetic field of the armature moves from the core to the core around the circumference, dragging along the ferromagnetic inserts of the rotor.

Таким образом, 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.Thus, the proposed technical solution provides a simplification of the design of the machine, allows you to implement in one design various machine options for a number of voltages and currents, provides the ability to section the armature windings and increase reliability. This design allows you to increase power in the radial and axial directions, as well as to realize in one design 2-phase, 3-phase and m-phase windings.

Claims

1. A modular electric machine containing electric modules in the form of U-shaped cores, circumferentially mounted on fixed parts with field windings and armature, a rotor with ferromagnetic inserts arranged around a circle, characterized in that the field windings and armature are wound separately on each rod U-shaped core, each electromagnetic module contains two U-shaped cores located end to end so that the inserts on the rotor, which is installed between the cores, coincide in the ends with each pair of two U-shaped cores, the electromagnetic modules are fixed around the circumference without radial displacement from each other, while the armature windings of the electromagnetic module of one phase, shifted by the pole division, are connected in series according to, and the field windings of this phase are connected in series.

2. The modular electric machine according to claim 1, characterized in that the machine contains 2n (n = 1, 2, 3 ...) fixed parts with electromagnetic modules mounted on them and 2n-1 moving parts.

3. The modular electric machine according to claim 2, characterized in that throttle-type cores with windings similar to the windings of U-shaped cores on the outer parts are installed on the fixed internal parts.