RU2065243C1

RU2065243C1 - Multiphase electrical machine

Info

Publication number: RU2065243C1
Authority: RU
Inventors: Давид Вениаминович Свечарник
Original assignee: Давид Вениаминович Свечарник
Priority date: 1992-09-03
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1996-08-10

Abstract

FIELD: contactless electric drives. SUBSTANCE: multiphase electrical machine has stator built up of two groups of axially arranged annular or four arc toothed cores. First and third cores are not offset in respect to each other and form transformer group. Second and fourth cores offset in respect to them through pole pitch form motor group of stator, nor are they offset relative to each other. Cores carry annular or arc windings. Each stator group has additional toothed and wound cores. Each group has four arc cores and four or two annular cores. Winding placed on middle part of transformer group is to be connected to single-place AC supply mains; two windings of the same group placed on extreme cores of group are connected through rectifiers to winding of middle part of motor group built up of two parallel circuits. In arc cores, groups are displaced through 2πm rad relative to each other, where m is number of phases. In annular cores, groups are displaced axially relative to each other. Rotor is toothed unwound structure. Rotor tooth pitch equals that of stator. Rotor has two parts of each group. With motor group having four cores, group rotors are similar and made of longitudinal magnetically conductive bars. With two-core motor groups, rotors are built of permanent-magnet bars placed in polarity-alternating manner around rotor circumference. EFFECT: improved design. 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бесконтактных электроприводах. The invention relates to electrical engineering and can be used in non-contact electric drives.

Известна многофазная машина с раздельными фазами индукторного типа (авт. свид. N 1580492). Known multiphase machine with separate phases of the inductor type (ed. Certificate. N 1580492).

Техническое решение, защищенное в указанном изобретении, имеет значительное преимущество перед традиционными электрическими машинами оно надежнее, проще и технологичнее благодаря отсутствию пазовых обмоток; улучшены массо-габаритные показатели благодаря высокой индукции в рабочем зазоре и позволяет создать низкоскоростные, высокоэффективные безредукторные электроприводы. The technical solution protected in this invention has a significant advantage over traditional electric machines; it is more reliable, simpler and more technologically advanced due to the absence of slot windings; mass and dimensional indicators are improved due to high induction in the working gap and allows you to create low-speed, highly efficient gearless electric drives.

Технический результат, достигаемый данным изобретением, состоит в создании полностью бесконтактного электродвигателя с характеристиками машины коллекторного типа "автосинхронного", у которого частота тока равна или кратна частоте вращения собственного ротора. Кроме того, у машины по данному изобретению все обмотки сосредоточенные, наиболее технологичные и надежные. The technical result achieved by this invention is to create a completely non-contact electric motor with the characteristics of a collector type machine "auto-synchronous", in which the current frequency is equal to or a multiple of the frequency of rotation of its own rotor. In addition, in the machine according to this invention, all the windings are concentrated, the most technologically advanced and reliable.

Для создания автосинхронной машины с характеристиками коллекторной машины с независимым возбуждением и широкими пределами регулирования предлагается: многофазная электрическая машина с раздельными фазами, содержащая статор, снабженный смещенными вдоль оси машины зубчатыми кольцевыми или дуговыми магнитопроводами группами по 4 в каждой фазе. Совпадающие оси зубцов ("пар полюсов") 1-го и 3-го магнитопроводов смещены на одно полюсное деление от оси зубцов 2-го и 4-го магнитопроводов, с кольцевыми или дуговыми обмотками, размещенными между указанными магнитопроводами. Ротор выполнен зубчатым, с числом зубцов ("пар полюсов") на единицу дуги, равным числу зубцов на магнитопроводах статора. В каждой фазе статора установлена дополнительно группа зубчатых магнитопроводов с обмотками, с 4-мя магнитопроводами при дуговом выполнении и 4-мя или 2-мя при кольцевом выполнении статора, причем средняя обмотка первой трансформаторной группы подключена к внешней части однофазного переменного тока, а крайние его обмотки к выпрямителям, выход которых встречно подключен к катушкам средней обмотки двигательной группы и при дуговом исполнении группы фаз статора смещены по дуге общего зубчатого ротора друг относительно друга на угол 2π/m (где m число фаз; при двухфазной машине m=4), а при кольцевом выполнении группы смещены друг относительно друга вдоль оси машины. Роторы каждой из групп отдельные и механически связаны друг с другом. При 4-х магнитопроводах у двигательной группы ротор аналогичен ротору 1-ой группы (трансформаторной) и состоит из продольных магнитопроводящих брусков, а при 2-х магнитопроводах двигательной группы из расположенных вдоль оси машины брусков постоянных магнитов, смещенных друг относительно друга по дуге ротора на одно полюсное деление. Все нечетные бруски в этом случае имеют одну полярность, а все четные - противоположную. Питание всей многофазной системы: от однофазной сети (для всех первичных обмоток трансформаторных модулей) и от сети постоянного тока (при электромагнитном возбуждении двигательных модулей). To create an auto-synchronous machine with the characteristics of a collector machine with independent excitation and wide regulation limits, it is proposed: a multiphase electric machine with separate phases, containing a stator, equipped with toothed ring or arc magnetic circuits with groups of 4 in each phase. The coincident axis of the teeth ("pairs of poles") of the 1st and 3rd magnetic circuits are shifted by one pole division from the axis of the teeth of the 2nd and 4th magnetic circuits, with ring or arc windings placed between these magnetic circuits. The rotor is gear, with the number of teeth ("pairs of poles") per arc unit, equal to the number of teeth on the stator magnetic circuits. In each phase of the stator, an additional group of toothed magnetic cores with windings is installed, with 4 magnetic cores for arc execution and 4 or 2 for ring stator execution, with the middle winding of the first transformer group connected to the outer part of the single-phase alternating current, and its extreme windings to rectifiers, the output of which is counter-connected to the coils of the middle winding of the motor group and, when the arc design is performed, the stator phase groups are displaced along the arc of the common gear rotor relative to each other by an angle of 2π / m (where m number of phases, with a two-phase machine m = 4), and for performing the annular band offset from each other along the machine axis. The rotors of each of the groups are separate and mechanically connected to each other. With 4 magnetic circuits of the motor group, the rotor is similar to the rotor of the 1st group (transformer) and consists of longitudinal magnetically conductive bars, and with 2 magnetic circuits of the motor group of bars of permanent magnets located along the machine axis, offset from each other along the arc of the rotor by one pole division. All the odd bars in this case have one polarity, and all the even ones are opposite. Power supply for the entire multiphase system: from a single-phase network (for all primary windings of transformer modules) and from a direct current network (with electromagnetic excitation of motor modules).

Изобретение иллюстрируется фиг.1-4 и графиком наведенных и выпрямленных токов фиг.5. The invention is illustrated in Fig.1-4 and a graph of induced and rectified currents of Fig.5.

На фиг. 1 изображена принципиальная конструкция двухфазной машины в дуговом исполнении два дуговых модуля трансформаторных и два двигательных с общим ротором с продольными зубцами и полюсами ("шестеренка"). In FIG. 1 shows the basic design of a two-phase machine in an arc version, two transformer arc modules and two motor modules with a common rotor with longitudinal teeth and poles ("gear").

На фиг.2 принципиальная конструкция двухфазной машины с двумя кольцевыми модулями на внутреннем статоре и двумя дуговыми модулями на наружном статоре для конкретности основные размеры (масштаб 1:10) приведены для магистрального электровоза двигателя, устанавливаемого непосредственно на оси колес; роторные бруски "спицы" намечено при этом закрепить во внутреннем ободе колес. In Fig.2, the basic design of a two-phase machine with two ring modules on the internal stator and two arc modules on the external stator for specificity, the main dimensions (scale 1:10) are given for the main electric locomotive of the engine mounted directly on the axis of the wheels; At the same time, the rotor bars of the “spokes” are to be fixed in the inner wheel rim.

На фиг.3 показан разрез А-А модуля; на фиг.4 электрическая схема включения обмоток с элементами регулирования, соответствующими обычным элементам регулирования коллекторного двигателя постоянного тока, например, тягового. На фиг.5 показаны:
а) график потокосцепления ψ₂₁ одной из вторичных обмоток, например, левой трансформаторного модуля первой фазы, и соответственно, ток, поступающий на вход выпрямительного мостика этой обмотки при повороте ротора на дугу, равную расстоянию между осями соседних зубцов;
б) i₂₁ выпрямленный ток этого мостика;
в) i₂₂ выпрямленный ток, например, левой вторичной обмотки соответствующего мостика 2-ой фазы;
г) i₂₃ выпрямленный ток другой (например, правой) вторичной обмотки первой фазы;
д) i₂₄ выпрямленный ток мостика правой вторичной обмотки второй фазы;
е) i_ф1 результирующий ток (i_ф1=i₂₁-i₂₃ якорной обмотки первой фазы двигательного модуля;
ж) i_ф2 результирующий ток (i_ф2=i₂₂-i₂₄ якорной обмотки второй фазы двигательного модуля.Figure 3 shows a section aa module; figure 4 is an electrical circuit for turning on the windings with control elements corresponding to conventional control elements of a DC collector motor, for example, a traction motor. Figure 5 shows:
a) the flux linkage diagram ψ _{21 of} one of the secondary windings, for example, the left transformer module of the first phase, and, accordingly, the current supplied to the input of the rectifier bridge of this winding when the rotor rotates through an arc equal to the distance between the axes of adjacent teeth;
b) i ₂₁ rectified current of this bridge;
c) i ₂₂ rectified current, for example, of the left secondary winding of the corresponding bridge of the 2nd phase;
d) i ₂₃ rectified current of another (for example, right) secondary winding of the first phase;
e) i _{24 the} rectified current of the bridge of the right secondary winding of the second phase;
f) i _ф1 resulting current (i _ф1 = i ₂₁ -i _{23 of the} armature winding of the first phase of the motor module;
g) i _f2 resulting current (i _f2 = i ₂₂ -i _{24 of the} armature winding of the second phase of the motor module.

На рис. 1-4: 1 опорная плита машины; 2 зубец полюс ротора (при наличии внутреннего статора продольный ферромагнитный брусок "спица" ротора); 3 зубец-полюс магнитопровода наружного статора; 4 магнитопровод наружного статора; 5 обмотка наружного статора; 6 продольный замыкающий магнитопровод наружного статора; 7 корпус машины; 8 рельс; 9 колесо; 10 зубец полюс внутреннего статора; 11 кольцевая обмотка внутреннего статора; 12 кольцевой магнитопровод внутреннего статора; 13 вал машины; 14 подшипник; 15 крышка машины; 16 выпрямительный мостик; 17 - регулировочные элементы в цепи возбуждения машины; 18 регулировочные элементы якорной цепи машины. In fig. 1-4: 1 base plate of the machine; 2 tooth pole of the rotor (in the presence of an internal stator, a longitudinal ferromagnetic bar "spoke" of the rotor); 3 tooth-pole of the magnetic circuit of the external stator; 4 magnetic circuit of the external stator; 5 winding of the external stator; 6 longitudinal closing magnetic circuit of the external stator; 7 car body; 8 rail; 9 wheel; 10 prong pole of the internal stator; 11 ring winding of the internal stator; 12 ring magnetic core of the internal stator; 13 shaft of the machine; 14 bearing; 15 machine cover; 16 rectifier bridge; 17 - adjusting elements in the excitation circuit of the machine; 18 adjusting elements of the anchor chain of the machine.

Работа машины ясна из рассмотрения фиг.5 в якорных обмотках двигателя действуют результирующие тока частоты вращения ротора машины, смещенные по фазе вращения ротора и по размещению на статоре. При их взаимодействии с потоками возбуждения, соответственно смещенными, создается знакопостоянный вращающий момент, и частота вращения ротора установится в зависимости от величины потока возбуждения, создающего соответствующую противоЭДС в якорных обмотках двигателя и величины преодолеваемого момента совершенно аналогично тем же процессам, происходящим в коллекторной машине постоянного тока, но при этом предлагаемая машина полностью бесконтактна, имеет только высоконадежные и технологичные, малотрудоемкие сосредоточенные обмотки, ротора "шестеренку" или "спицы", хорошее использование объемов благодаря высоким значениям индукции в зазорах особенно при электромагнитном возбуждении в двигательной части. The operation of the machine is clear from the consideration of figure 5 in the anchor windings of the motor are the resulting current rotational speed of the rotor of the machine, offset by the phase of rotation of the rotor and by placement on the stator. When they interact with excitation flows correspondingly displaced, an alternating torque is created, and the rotor speed is set depending on the magnitude of the excitation flux, which creates the corresponding counter-EMF in the armature windings of the motor and the magnitude of the overcome torque, is completely analogous to the same processes that occur in a DC collector machine but at the same time, the proposed machine is completely non-contact, has only highly reliable and technological, low-labor-intensive concentrated windings and the rotor "gear" or "spokes" good use of volume due to the high induction values in the gaps especially in electromagnetic excitation in the motor part.

Рассчитанные конкретные машины (данные одной из них приведены на фиг.2) показывают на значительные преимущества предлагаемой машины перед обычными, в том числе по использованию объема. Возникают и дополнительные возможности использования предлагаемой машины для многодвигательного электропривода с трансформаторными модулями только у ведущей машины. Регулирование работы машины обычным воздействием на цепи возбуждения и якоря и при введении вместо механической связи следящей системы между роторами и трансформаторной и двигательной групп воздействием на угол поворота роторов друг относительно друга. The calculated specific machines (the data of one of them are shown in figure 2) show the significant advantages of the proposed machine over conventional, including the use of volume. There are additional opportunities for using the proposed machine for a multi-engine electric drive with transformer modules only in the host machine. Regulation of the operation of the machine by the usual action on the excitation circuit and the armature, and when a tracking system is introduced instead of a mechanical connection between the rotors and the transformer and motor groups, by affecting the angle of rotation of the rotors relative to each other.

Claims

1. A multiphase electric machine containing a stator, consisting of two groups of axially arranged, ring or four arc gear magnetic circuits, the first and third magnetic circuits placed without bias relative to each other and forming a transformer group, offset by pole division relative to the second and fourth magnetic circuits, also placed without bias relative to each other and forming a motor group with ring or arc windings placed on the magnetic circuits and windingless a gear rotor, the gear division of which is equal to the gear division of the stator, characterized in that in each stator group additionally gear magnetic cores with windings are installed, the number of magnetic cores in the group is 4, when they are arc and 4 or 2, when they are ring, the winding, located on the middle part of the transformer group, designed to connect to a single-phase AC network, two windings of the same group, located on the extreme magnetic circuits of the group, are connected through rectifiers to second of the two parallel branches of the middle portion of the motor winding group when performing arc cores groups offset from each other by 2π / m rad. where m is the number of phases, when performing the magnetic circuits the ring groups are displaced axially relative to each other, the rotor is made of two components of each group, when the motor part is made of four magnetic circuits, the rotors of the groups are the same and are made of longitudinal magnetic conductors, when the motor group is made of two magnetic cores from bars of permanent magnets placed with alternating polarity around the circumference of the rotor.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the groups of magnetic cores are made in the form of two coaxially placed stators, between which a rotor is placed.

3. The machine according to claims 1 and 2, characterized in that it is made with one transformer and several motor groups, the windings of which are connected in parallel to the outputs of the rectifiers.

4. The machine according to claims 1 to 3, characterized in that the winding of the transformer group is connected to a single-phase network, and the motor group winding is connected to the outputs of the rectifiers through control devices.

5. The machine according to paragraphs. 1 to 4, characterized in that the connection between the constituent parts of the rotor is provided with an angle-adjustable tracking system.