RU2069440C1

RU2069440C1 - Induction machine

Info

Publication number: RU2069440C1
Authority: RU
Inventors: Виталий Арсеньевич Обухов
Original assignee: Виталий Арсеньевич Обухов
Priority date: 1990-11-02
Filing date: 1990-11-02
Publication date: 1996-11-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: induction machine has stator with main magnetic circuit 1 and ac winding 2 and rotor with main magnetic circuit 12 and winding 13. Stator has auxiliary magnetic circuit 3 with nonmagnetic rings 4 and 20 and unipolar field windings 5 and 6. Rotor incorporates first auxiliary magnetic circuit 14 with winding 15, second toothed auxiliary magnetic circuit 16, and third auxiliary magnetic circuit 18. Third auxiliary magnetic circuit of rotor is placed between auxiliary magnetic circuits 14 and 16. Sealed annular chambers 21 and 22 are arranged inside stator auxiliary magnetic circuit. Hollow ferromagnetic cores 7,8, and 22 and liquid-metal contacts 23 are placed into these chambers. Ferromagnetic cylinders 7,8,25 are free to rotate. Sealed chambers may be filled with inert gas. EFFECT: improved design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к регулируемым асинхронным электрическим машинам и может быть использовано в качестве регулируемого электропривода или генератора общепромышленного назначения. The invention relates to adjustable asynchronous electric machines and can be used as an adjustable electric drive or generator for general industrial use.

Известны регулируемые асинхронные двигатели с магнитными шунтами [1] Недостатком таких двигателей является узкий диапазон регулирования, большие потери скольжения при регулировании. Это техническое решение принято за аналог. Техническое решение наиболее близко соотносящееся к предполагаемому изобретению описано в патенте СССР "Асинхронный регулируемый двигатель" [2] и принято за прототип. Known adjustable asynchronous motors with magnetic shunts [1] The disadvantage of such motors is a narrow range of regulation, large slip loss during regulation. This technical solution is taken as an analog. The technical solution most closely related to the proposed invention is described in the USSR patent "Asynchronous adjustable motor" [2] and is taken as a prototype.

Асинхронный регулируемый двигатель содержит статор, включающий основной магнитопровод, несущий обмотку переменного тока, дополнительный магнитопровод с немагнитным кольцом, две униполярные обмотки возбуждения, первый и второй полые ферромагнитные цилиндры с замкнутыми друг на друга скользящими контактами, обеспечивающими цилиндрам возможность свободного вращения, и снабженные проводящими немагнитными стержнями и короткозамкнутыми кольцами, ротор с основным магнитопроводом несущим обмотку, первым дополнительным магнитопроводом с обмоткой и вторым дополнительным зубчатым магнитопроводом. Прототипу присущи следующие недостатки:
1. Униполярный магнитный поток замыкается поперек шихтовки первого дополнительного магнитопровода ротора, что приводит к резкому увеличению эффективного воздушного зазора и требует весьма большой мощности возбуждения униполярной обмотки и снижает кпд электродвигателя.An asynchronous adjustable motor contains a stator, including a main magnetic circuit carrying an alternating current winding, an additional magnetic circuit with a non-magnetic ring, two unipolar field windings, first and second hollow ferromagnetic cylinders with sliding contacts closed to each other, allowing the cylinders to freely rotate, and equipped with conductive non-magnetic rods and squirrel-cage rings, a rotor with a main magnetic circuit carrying a winding, the first additional magnetic circuit the winding and the second auxiliary toothed yoke. The prototype has the following disadvantages:
1. The unipolar magnetic flux closes across the batch of the first additional rotor magnetic circuit, which leads to a sharp increase in the effective air gap and requires a very large excitation power of the unipolar winding and reduces the efficiency of the electric motor.

2. Переменный магнитный поток первого дополнительного магнитопровода ротора каждой пары полюсов замыкается по магнитопроводу первого полого ферромагнитного цилиндра вокруг высокопроводящего стержня, поэтому толщина ферромагнитного цилиндра определяется индукцией насыщения в поперечном сечении этого цилиндра и требует значительных размеров. В связи с чем, масса и поперечные размеры первого цилиндра становятся весьма значительными. Кроме того, немагнитные вставки также уменьшают полезное использование первого цилиндра. 2. The alternating magnetic flux of the first additional rotor magnetic circuit of each pair of poles is closed by the magnetic circuit of the first hollow ferromagnetic cylinder around a highly conductive rod; therefore, the thickness of the ferromagnetic cylinder is determined by the saturation induction in the cross section of this cylinder and requires considerable dimensions. In this connection, the mass and transverse dimensions of the first cylinder become very significant. In addition, non-magnetic inserts also reduce the useful use of the first cylinder.

3. Скользящие контакты открыты, что не позволяет использовать жидкометаллический контакт с сохранением высокой надежности. 3. Sliding contacts are open, which does not allow the use of liquid metal contact while maintaining high reliability.

Цель изобретения улучшение энергетических характеристик машины и повышение надежности. Указанная цель достигается тем, что в отличие от прототипа ротор снабжен третьим дополнительным магнитопроводом, установленным между первым и вторым дополнительными магнитопроводами, дополнительный магнитопровод статора по длине первого полого ферромагнитного цилиндра выполнен из шихтованного ферромагнитного материала, разделен от остальной его части вторым немагнитным кольцом, а концентрично двум ферромагнитным цилиндрам установлен полый внутренний цилиндр, образующий совместно с дополнительным магнитопроводом статора две кольцевые герметичные камеры, внутри одной из которых находится второй ферромагнитный цилиндр, причем, внутри другой герметичной камеры установлен третий ферромагнитный цилиндр, жестко связанный с первым, скользящие контакты выполнены жидкометаллическими, а первый полый ферромагнитный цилиндр разделен вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу полюсов обмотки ротора первого дополнительного магнитопровода, эти части замкнуты с одного торца короткозамыкающими кольцами, с другого торца одной полярности электрически соединены с проводящими стержнями третьего полого ферромагнитного цилиндра, другой полярностью cоединены с жидкометаллическим контактом соответствующей полярности первого цилиндра, кроме того, герметичные кольцевые камеры заполнены инертным газом. The purpose of the invention is to improve the energy characteristics of the machine and increase reliability. This goal is achieved by the fact that, in contrast to the prototype, the rotor is equipped with a third additional magnetic circuit installed between the first and second additional magnetic circuits, the additional stator magnetic circuit along the length of the first hollow ferromagnetic cylinder is made of burnt ferromagnetic material, separated from the rest by a second non-magnetic ring, and concentrically two ferromagnetic cylinders have a hollow inner cylinder, which together with the additional stator magnetic circuit forms two sealed chambers, inside one of which there is a second ferromagnetic cylinder, moreover, inside another sealed chamber there is a third ferromagnetic cylinder rigidly connected to the first, sliding contacts are made of liquid metal, and the first hollow ferromagnetic cylinder is divided along the generatrix into isolated parts with a number equal to the number poles of the rotor winding of the first additional magnetic circuit, these parts are closed at one end by short-circuiting rings, from the other end of the same polarity are electrically a unified conductive rods third ferromagnetic hollow cylinder, the other polarity coedineny liquid metal contact corresponds to the polarity of the first cylinder, moreover, sealed annular chamber filled with inert gas.

Отличительными признаками предполагаемого изобретения являются: разделение путей магнитных потоков, возбуждаемых переменным и постоянным потоками, путем введения третьего дополнительного магнитопровода на роторе, разделением магнитопровода статора вторым немагнитным кольцом; изменение пути замыкания магнитного потока первого дополнительного магнитопровода ротора за счет создания полного витка на каждый полюс индуктора (в прототипе 1/2 витка на полюс) путем разделения первого полого ферромагнитного цилиндра с высокопроводящими стержнями на изолированные части, числом равным числу полюсов обмотки ротора первого дополнительного магнитопровода, а также выполнением части дополнительного магнитопровода статора шихтованным; в таком случае магнитный поток первого дополнительного магнитопровода ротора замыкается не по поперечному сечению первого дополнительного цилиндра, а по шихтованной части статора, при этом отпадает необходимость в немагнитных вставках первого ферромагнитного цилиндра. Резко повышается коэффициент заполнения ферромагнитного цилиндра медью (высокопроводящими стержнями), а следовательно, снижаются потери, повышается кпд; уменьшение массы первого полого вращающего цилиндра, поскольку магнитный поток не замыкается по поперечному сечению первого ферромагнитного цилиндра; это приводит к уменьшению потерь трения; дополнительный магнитопровод статора снабжен двумя герметичными кольцевыми камерами с установленными ферромагнитными цилиндрами и жидкометаллическими контактами, что повышает надежность асинхронной машины. Distinctive features of the proposed invention are: separation of the magnetic flux paths excited by alternating and constant fluxes, by introducing a third additional magnetic circuit on the rotor, by separating the stator magnetic circuit by a second non-magnetic ring; changing the closure path of the magnetic flux of the first additional rotor magnetic circuit by creating a complete coil for each pole of the inductor (in the prototype 1/2 turn per pole) by dividing the first hollow ferromagnetic cylinder with highly conductive rods into insulated parts equal to the number of poles of the rotor winding of the first additional magnetic circuit , as well as the implementation of part of the additional stator magnetic circuit laden; in this case, the magnetic flux of the first additional rotor magnetic circuit is not closed along the cross section of the first additional cylinder, but along the stoned part of the stator, and there is no need for non-magnetic inserts of the first ferromagnetic cylinder. The fill factor of the ferromagnetic cylinder with copper (highly conductive rods) sharply increases, and consequently, losses are reduced, and efficiency is increased; a decrease in the mass of the first hollow rotating cylinder, since the magnetic flux does not close along the cross section of the first ferromagnetic cylinder; this leads to a decrease in friction loss; the additional stator magnetic circuit is equipped with two sealed annular chambers with mounted ferromagnetic cylinders and liquid metal contacts, which increases the reliability of the asynchronous machine.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия", так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п.2 "Правила составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение"), технические решения с признаками подобными заявленным не обнаружены. The proposal meets the criterion of "significant differences", since from the well-known list of information established by the regulatory document (Clause 2, "Rules for Compiling, Filing and Considering an Application for the Issue of a Patent for an Invention"), technical solutions with features similar to those declared were not found.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема асинхронной электрической машины; на фиг. 2 сечение АА, на фиг. 3 сечение ВВ. Асинхронная электрическая машина включает статор с основным магнитопроводом 1 и обмоткой переменного тока 2, дополнительным магнитопроводом 3 с первым немагнитным кольцом 4, первой 5 и второй 6 униполярными катушками возбуждения, с первым 7 и вторым 8 полыми ферромагнитными цилиндрами с высокопроводящими немагнитными стержнями 9 (фиг. 2) и 10 (фиг. 3), с короткозамыкающими кольцами 11, установленными с возможностью свободного вращения, ротор с основным магнитопроводом 12 и обмоткой 13, первым дополнительным магнитопроводом 14 с обмоткой 15, вторым дополнительным магнитопроводом 16 с пазами 17 (фиг. 3) и третьим дополнительным магнитопроводом 18. In FIG. 1 shows a structural diagram of an asynchronous electric machine; in FIG. 2 section AA, in FIG. 3 section BB. An asynchronous electric machine includes a stator with a main magnetic circuit 1 and an AC winding 2, an additional magnetic circuit 3 with a first non-magnetic ring 4, first 5 and second 6 unipolar field coils, with first 7 and second 8 hollow ferromagnetic cylinders with highly conductive non-magnetic rods 9 (Fig. 2) and 10 (Fig. 3), with short-circuiting rings 11 installed with the possibility of free rotation, the rotor with the main magnetic circuit 12 and winding 13, the first additional magnetic circuit 14 with winding 15, the second to a complete magnetic circuit 16 with slots 17 (Fig. 3) and a third additional magnetic circuit 18.

Дополнительный магнитопровод статора 3 (фиг. 1) на длине первого ферромагнитного цилиндра 7 выполнен из шихтованного (немассивного) ферромагнитного материала 19 и разделен от основной части дополнительного магнитопровода вторым немагнитным кольцом 20. Дополнительный магнитопровод статора 3 снабжен двумя герметичными кольцевыми камерами 21 и 22 с установленными в них полыми ферромагнитными цилиндрами 7 и 8 и жидкометаллическими контактами 23. The additional stator magnetic circuit 3 (Fig. 1) along the length of the first ferromagnetic cylinder 7 is made of laden (non-massive) ferromagnetic material 19 and is separated from the main part of the additional magnetic circuit by the second non-magnetic ring 20. The additional stator 3 magnetic circuit is equipped with two sealed annular chambers 21 and 22 with installed in them hollow ferromagnetic cylinders 7 and 8 and liquid metal contacts 23.

Первый полый ферромагнитный цилиндр 78 с высокопроводящими немагнитными стержнями 9 (фиг. 2) разделен вдоль образующей изоляционными прокладками 24 (фиг. 2) с числом равным числу полюсов обмотки 15 ротора первого дополнительного магнитопровода 14. Первый полый ферромагнитный цилиндр 7 механически жестко сочленен с третьим полым ферромагнитным цилиндром 25, заполненным аналогично первому цилиндру высокопроводящими немагнитными (медными) стержнями (изоляционные прокладки 24 (фиг. 2) в третьем цилиндре 25 могут отсутствовать). Первая униполярная обмотка возбуждения 5 размещена в поперечном сечении дополнительного магнитопровода 3, между первой 21 и второй 22 герметичными камерами. Жидкометаллические контакты 23 третьего 25 и второго 8 полых ферромагнитных цилиндров замкнуты друг на друга, при этом высокопроводящие стержни третьего ферромагнитного цилиндра 25 соединены с одной полярностью (например, +) высокопроводящих стержней 9 первого ферромагнитного цилиндра 7 (фиг. 2). Вторая полярность этих высокопроводящих стержней 9 (соответственно -) соединена с жидкометаллическим контактом 23. The first hollow ferromagnetic cylinder 78 with highly conductive non-magnetic rods 9 (Fig. 2) is divided along the generatrix by insulating spacers 24 (Fig. 2) with a number equal to the number of poles of the winding 15 of the rotor of the first additional magnetic circuit 14. The first hollow ferromagnetic cylinder 7 is mechanically rigidly articulated with the third hollow a ferromagnetic cylinder 25 filled similarly to the first cylinder with highly conductive non-magnetic (copper) rods (insulating gaskets 24 (Fig. 2) in the third cylinder 25 may be absent). The first unipolar field winding 5 is placed in a cross section of an additional magnetic circuit 3, between the first 21 and second 22 sealed chambers. The liquid metal contacts 23 of the third 25 and second 8 hollow ferromagnetic cylinders are closed to each other, while the highly conductive rods of the third ferromagnetic cylinder 25 are connected to one polarity (for example, +) of the highly conductive rods 9 of the first ferromagnetic cylinder 7 (Fig. 2). The second polarity of these highly conductive rods 9 (respectively -) is connected to the liquid metal contact 23.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения в обмотку переменного тока 2 (фиг. 1), ротор 12 может прийти во вращение с какой-либо частотой. В обмотке ротора 13 наведется эдс частоты скольжения. Под действием этой эдс по обмотке 15 ротора дополнительного магнитопровода 14 потечет ток, который создаст в дополнительном магнитопроводе вращающее поле с числом полюсов равным числу полюсов обмотки 15 дополнительного магнитопровода 14. При этом придет во вращение первый ферромагнитный цилиндр 7 и сочлененный с ним третий ферромагнитный цилиндр 25. При достижении ферромагнитным цилиндром 7 подсинхронной частоты вращения в униполярную обмотку возбуждения 5 подается постоянный ток, возбуждающий униполярный магнитный поток. Под действием униполярного магнитного потока в третьем ферромагнитном цилиндре 25 наведется униполярная эдс, в результате чего по замкнутой цепи, образованной третьим, первым и вторым ферромагнитными цилиндрами и замкнутыми друг на друга жидкометаллическими контактами 23, потечет постоянный ток. Этот ток создает в первом ферромагнитном цилиндре 7 (фиг. 2) систему пар полюсов с числом полюсов равным числу изоляционных прокладок 24. При этом первый ферромагнитный цилиндр 7 втянется в синхронизм с вращающимся электромагнитным полем, возбуждаемым обмоткой 15 ротора первого дополнительного магнитопровода 14. Одновременно униполярный магнитный поток возбуждаемый обмоткой 5 (фиг. 1), будет замыкаться и по второму ферромагнитному цилиндру 8 (фиг. 1 и 3). Второй ферромагнитный цилиндр 8 придет во вращение с частотой, определяемой соотношением между униполярной эдс и величиной магнитного потока, пересекающего поверхность цилиндра 8 (Е=спф). При этом частота вращения ферромагнитного цилиндра 8 может не совпадать с частотой вращения основного ротора 12. Совпадение частот вращения ферромагнитного цилиндра 8 и ротора 12 достигается подачей тока во вторую униполярную обмотку возбуждения 6. В этом случае второй ферромагнитный цилиндр 8 (фиг. 1) и (фиг. 3) совместно со вторым дополнительным магнитопроводом 16 ротора будет работать в режиме синхронной муфты и передавать вращающий момент на ротор. Величина суммарного магнитного потока, пересекающего второй ферромагнитный цилиндр, может сохраняться неизменной при широком диапазоне регулирования магнитных потоков, создаваемых первой и второй униполярными обмотками. Это позволяет регулировать cosΦ асинхронной машины при неизменных оборотах или регулировать частоту вращения в диапазоне, определяемом от синхронной частоты вращения электромагнитного поля основной асинхронной машины практически до нулевого значения. The device operates as follows. When applying voltage to the AC winding 2 (Fig. 1), the rotor 12 can come into rotation with any frequency. In the winding of the rotor 13, the emf of the slip frequency is induced. Under the influence of this emf, a current will flow through the winding 15 of the rotor of the additional magnetic circuit 14, which will create a rotating field in the additional magnetic circuit with the number of poles equal to the number of poles of the winding 15 of the additional magnetic circuit 14. In this case, the first ferromagnetic cylinder 7 and the third ferromagnetic cylinder 25 connected to it will come into rotation . When the ferromagnetic cylinder 7 reaches a sub-synchronous rotation frequency, a direct current is supplied to the unipolar field winding 5 to excite the unipolar magnetic flux. Under the influence of a unipolar magnetic flux, a unipolar emf is induced in the third ferromagnetic cylinder 25, as a result of which a direct current flows through a closed circuit formed by the third, first and second ferromagnetic cylinders and closed to each other by liquid metal contacts 23. This current creates in the first ferromagnetic cylinder 7 (Fig. 2) a system of pole pairs with the number of poles equal to the number of insulating gaskets 24. In this case, the first ferromagnetic cylinder 7 is drawn in synchronism with the rotating electromagnetic field excited by the winding 15 of the rotor of the first additional magnetic circuit 14. At the same time, the unipolar the magnetic flux excited by the winding 5 (Fig. 1) will be closed by the second ferromagnetic cylinder 8 (Figs. 1 and 3). The second ferromagnetic cylinder 8 will come into rotation with a frequency determined by the ratio between the unipolar emf and the magnitude of the magnetic flux crossing the surface of the cylinder 8 (E = cf). In this case, the rotation frequency of the ferromagnetic cylinder 8 may not coincide with the rotation frequency of the main rotor 12. The coincidence of the rotation frequencies of the ferromagnetic cylinder 8 and the rotor 12 is achieved by supplying current to the second unipolar field winding 6. In this case, the second ferromagnetic cylinder 8 (Fig. 1) and ( Fig. 3) together with the second additional magnetic circuit 16 of the rotor will operate in synchronous clutch mode and transmit torque to the rotor. The magnitude of the total magnetic flux crossing the second ferromagnetic cylinder can remain unchanged with a wide range of regulation of magnetic flux generated by the first and second unipolar windings. This allows you to adjust cosΦ of the asynchronous machine at constant speeds or to regulate the speed in a range determined from the synchronous frequency of rotation of the electromagnetic field of the main asynchronous machine to almost zero.

Преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются в улучшении энергетических характеристик, так как униполярный магнитный поток первого дополнительного магнитопровода замыкается по массивной магнитной стали, а не поперек шихтовки пакета стали, что значительно уменьшает его магнитное сопротивление, а следовательно, уменьшает потери на возбуждение; переменный магнитный поток первого дополнительного ротора замыкается по дополнительному магнитопроводу шихтованного статора, а не по поперечному сечению первого ферромагнитного цилиндра. Кроме того, отпадает необходимость в немагнитных вставках в первом ферромагнитном цилиндре, что позволяет повысить коэффициент заполнения медью и снизить потери, а также резко уменьшить массу и габариты первого ферромагнитного цилиндра; рабочий ток третьего ферромагнитного цилиндра создает полный виток на полюс, что в 2 раза по сравнению с прототипом повышает мощность индуктора, а следовательно, повышает использование активных материалов. The advantages of the proposed technical solution compared to the prototype are improved energy characteristics, since the unipolar magnetic flux of the first additional magnetic circuit is closed by massive magnetic steel, and not across the batch of the steel package, which significantly reduces its magnetic resistance and, therefore, reduces excitation losses; the alternating magnetic flux of the first additional rotor is closed by an additional magnetic circuit of the charge stator, and not by the cross section of the first ferromagnetic cylinder. In addition, there is no need for non-magnetic inserts in the first ferromagnetic cylinder, which allows to increase the fill factor with copper and reduce losses, as well as drastically reduce the mass and dimensions of the first ferromagnetic cylinder; the working current of the third ferromagnetic cylinder creates a full turn per pole, which is 2 times higher than the prototype increases the power of the inductor, and therefore increases the use of active materials.

Герметичные кольцевые камеры с жидкометаллическими контактами позволяют повысить надежность асинхронной электрической машины. Sealed annular chambers with liquid metal contacts can improve the reliability of an asynchronous electric machine.

Claims

An asynchronous electric machine containing a stator, including a main magnetic circuit carrying an AC winding, an additional magnetic circuit with a non-magnetic ring, two unipolar field windings, first and second hollow ferromagnetic cylinders with sliding contacts closed to each other, providing cylinders with free rotation, and equipped with conductive non-magnetic rods and squirrel-cage rings, a rotor with a main magnetic circuit carrying a winding, the first additional magnetic circuit with a winding and a second additional gear magnetic circuit, characterized in that, in order to improve energy performance and reliability, the rotor is equipped with a third additional magnetic circuit installed between the first and second additional magnetic circuits, the additional stator magnetic circuit along the length of the first hollow ferromagnetic cylinder is made of burnt ferromagnetic material , is separated from the rest by a second non-magnetic ring, and concentrically to two ferromagnetic cylinders hermetically a hollow inner cylinder is installed, forming, together with an additional stator magnetic circuit, two annular hermetic chambers, one of which contains a second ferromagnetic cylinder, and a third ferromagnetic cylinder is installed inside the other hermetic chamber, rigidly connected to the first, sliding contacts are made of liquid metal, and the first hollow ferromagnetic cylinder divided along the generatrix into isolated parts with a number equal to the number of poles of the rotor winding of the first additional magnetic circuit, et portion closed at one end short-circuited rings, with the other end of the same polarity are electrically connected to conductive pins of the third ferromagnetic hollow cylinder, the other polarity are connected with liquid contact respective polarities of the first cylinder.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the sealed annular chambers are filled with an inert gas.