RU2189685C1

RU2189685C1 - Thyratron-induction machine

Info

Publication number: RU2189685C1
Application number: RU2001112798A
Authority: RU
Inventors: Д.А. Бут; Л.К. Ковалев; Н.И. Куликов; К.В. Илюшин; Д.В. Сухов; Е.Н. Чернова; Л.А. Егошкина; В.А. Зенин
Original assignee: Московский государственный авиационный институт (технический университет)
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: electrical engineering, electric drives, transport, power engineering. SUBSTANCE: machine includes primary element with multiphase winding of lump phase coils for their sequential connection to external D C circuit and secondary element. Primary element has uniform structure in direction of relative displacement of primary and secondary elements. The latter has pole-piece modules with geometric parameters securing cyclic matched position of phase coils and pole-piece modules at same time for single phase. Pole-piece modules are magnetically autonomous and active and come in the form of lump coils or permanent magnets, their like poles face working gap. Phase coils are produced as electrically independent coils. EFFECT: reduced mass of electric machine, diminished pulsation at moment of its start, improved starting characteristics, decreased interference, improved power characteristics, elimination of harmful end effect in linear structures. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано в электроприводе, на транспорте, в энергетике. The invention relates to electric machines and can be used in an electric drive, in transport, in the energy sector.

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. Valve induction machines (VIM) are widely used in modern technologies [1]. In many cases, VIMs successfully compete with synchronous, valve, and asynchronous machines due to the increased magnetic induction in the air gap, the simple design of the stator, rotor, and inverter, and the reduced cost.

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. Closest to this invention is a valve-induction machine (referred to in the English literature Switched Reluctance Motor - SRM) [2]. It contains a primary element with a multiphase winding located on one side of the working gap and consisting of autonomous concentrated phase coils displaced along the gap with gate switches for alternately connecting the coils to an external DC circuit, and a secondary element with pole modules located on the other side of the working gap and having geometric parameters, providing a cyclic coordinated position of the phase coils and pole modules at a time for one phase, and the primary the second and secondary elements are fixed with the possibility of relative movement. The primary element of the machine is placed on the stator and contains an inductor in the form of a ring ferromagnetic core common to all phases with pole protrusions facing the axis of the machine and covered by phase coils that are connected to the DC network through valve keys with reverse diodes. The primary element also performs the function of an anchor, since a working emf is induced in phase coils. The magnetic core of the secondary element (rotor) is made in the form of a cylindrical core with external pole modules facing the primary element. The number of pole modules of the secondary element is not equal to the number of pole protrusions of the primary element. The pole modules of the secondary element are passive (i.e., they do not contain windings with currents or permanent magnets) and are bi-polar, and the magnetic structure of the primary element in the direction of movement is inhomogeneous due to the pole protrusions.

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 cosφ (К_э≈0,5-0,6).The disadvantages of the machine are: large mass, pulsation of the operating moment, complicated start-up, the presence of interference and a low energy coefficient K _e - the ratio of the converted energy to the energy received in each working cycle, similar to the power factor cosφ (K _e ≈ 0.5-0.6).

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.The increased specific gravity of the machine is determined, firstly, by the presence of steel cores. Secondly, the large mass and reduced starting torque of the machine are explained by the fact that the starting and working moments are created at the same time by the pole protrusions of the primary element for one phase, the number of which cannot be significantly increased, since the poles are narrowed, magnetic scattering increases. The number of phases of the machine

Where

- the number of pole protrusions of the primary element in cross section. A relatively small number of phases leads to noticeable pulsations of the operating moment when switching the phase, which affects the working and acoustic characteristics of the machine. In addition, the machine has mutual magnetic fluxes between the phases due to the common magnetic circuit, which also increases the mass and causes interference. The low energy coefficient is due to the fact that the phase coils create the main pulsating working magnetic flux, which is similar to loading the network with reactive power, as, for example, in asynchronous machines. In addition, in the linear modification of the motor, additional losses occur in the end zones due to the violation of the symmetry of the magnetic circuit and the mutual induction between the phases having a common core. Compensation of the end effects requires a thickening of the end zones of the cores and an additional increase in their mass.

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. The aim of the invention is to reduce the mass of the machine, reduce ripple torque and improve starting characteristics, reduce interference, increase energy coefficient, eliminate harmful end effects in linear structures.

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. The goal is achieved in that in a valve-inductor machine containing a primary element with a multiphase winding located on one side of the working gap and consisting of autonomous concentrated phase coils displaced along the gap with valve switches for alternately connecting the coils to an external DC circuit, and a secondary element with pole modules located on the other side of the working gap and having geometric parameters that provide a cyclic coordinated position of the phase coils and the pole 's modules at the same time for one phase, wherein the primary and secondary elements are fixed with the possibility of relative movement of the secondary modules pole member being active, magnetically-autonomous, and the primary element has a uniform magnetic structure in the direction of relative movement of the primary and secondary elements. In addition, the pole modules of the secondary element can be made in the form of lumped coils with the same direction of winding and the location of the input and output terminals. In addition, the pole modules of the secondary element can be placed in a cryostat and made in the form of massive ceramic high-temperature superconductors with frozen magnetic flux, the poles of the same name facing the working gap. In addition, the pole modules of the secondary element can be made in the form of permanent magnets, the poles of the same name facing the working gap. In addition, all coils can be made of a superconductor wire and placed in a cryostat. In addition, the primary and secondary elements can be linear and fixed with the possibility of their relative linear movement.

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 (m≤z₁), 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 cosφ≈1.The mass of the machine is reduced due to the ability to eliminate steel cores and use superconductors and high-energy permanent magnets, torque ripples are reduced, and starting characteristics are improved due to an increase in the number of magnetically unconnected phases (m≤z ₁ ), interference is eliminated due to electromagnetic phase independence, and the energy coefficient increases due to the use of active magnetically autonomous pole modules of the secondary element, creating a constant primary magnetic field excited I (just as is the case in synchronous machines, for which cosφ≈1.

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. Figure 1 shows a cross-section of a cylindrical valve-induction machine with active pole modules of the secondary element, made in the form of lumped coils with the same direction of winding and the location of the input and output clamps, which can be made either from a conventional wire or from a superconductor wire placed in a cryostat; figure 2 is a cross section of a valve-inductor machine with active pole modules of the secondary element, placed in a cryostat and made in the form of massive ceramic high-temperature superconductors with frozen magnetic flux; figure 3 is a cross section of a valve-induction machine with active pole modules of the secondary element made in the form of permanent magnets; in FIG. 4 is a longitudinal section of a linear valve inductor machine with active pole modules (of any type); figure 5 is a perspective view of the scan valve-induction machine with active pole modules of the secondary element and block conjugate phase coils.

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). A machine with active pole modules in the form of lumped coils according to claims 2 and 5 of the claims (Fig. 1) contains a primary element (armature) 1 with fixed phase coils 2 connected through valve switches 3 with reverse diodes 4 (in motor mode ) to a direct current network. The secondary element (inductor) 5 contains pole modules 6 in the form of lumped coils with the same direction of winding and the location of the input and output terminals. Coils 6 are connected to a direct current source through a contact device (not shown in FIG. 1). Coils 2 and 6 are made either from a conventional wire (for short-term operation) or from a superconducting wire placed in an annular cryostat 7. The cryostat 7 can have non-conductive and conductive walls if the latter are removed from the coils 2 by a distance exceeding half their diameter (for eddy current reduction). The windings of the primary and secondary elements are fixed in light structural elements (not shown in FIG. 1).

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. A cross-sectional view of a valve-inductor machine with active pole modules of a secondary element located in a cryostat and made in the form of massive ceramic high-temperature superconductors with frozen-in magnetic flux according to claim 3 of the claims (Fig. 2) contains a primary element 1 with the above-described positions 2-4 . The secondary element 5 contains pole modules 8 in the form of massive ceramic high-temperature superconductors with frozen magnetic flux. The pole modules are mounted in lightweight structural elements and placed in an annular cryostat 7. Moreover, if the stator coils 2 operate for a short time or have intensive liquid cooling and do not require cryostatting, then the cryostat 7 covers only the pole modules 8 and its wall on the rotor adjacent to the working the gap should be made of non-conductive material (such as fiberglass) to combat eddy currents.

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 1,0÷1,5 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]. Valve-inductor machine with active pole modules of the secondary element, made in the form of permanent magnets according to claim 4 of the claims (Fig. 3), contains the primary element 1 with the above positions 2-4. Pole modules 9 are mounted on the secondary element 5, made in the form of permanent magnets. To increase the induction in the gap, the VIM can have auxiliary lightweight cores, for example, of magnetodielectric, having saturation induction of 1.0–1.5 T [3] and not requiring a magnetic circuit charge. In particular, the design of the VIM shown in FIG. 3 is possible, consisting of two identical mating blocks on a common shaft, which have different polarity of permanent magnets connected by a longitudinal (axial) core made of magnetodielectric. A similar axial core can be placed around the windings of the primary element having different polarity of the output terminals in different blocks. In this case, the working flow is radial-axial, as in two-pack induction machines [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). The linear valve-inductor machine with active pole modules (Fig. 4) according to claim 6 contains a linear primary element 10 with fixed phase coils 11 connected through valve switches 3 with reverse diodes 4 to a direct current network. Linear secondary element 12 contains active pole modules 13 of any of the types previously described (either in the form of lumped coils with the same winding direction and arrangement of input and output clamps made of ordinary or superconducting wire, or in the form of massive ceramic high-temperature superconductors with frozen magnetic flux , or in the form of permanent magnets).

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. A machine with active pole modules and block conjugate phase coils (Fig. 5) in a 4-phase design (phases A, B, C, D, shifted sequentially in the direction of relative motion of the primary and secondary elements by j spatial period of the magnetic field of the inductor) contains a primary element 14 with two anchor blocks 15 and 16. In the first block there are paired coils of phases A and C, in the second block there are paired coils of phases B and D shifted by S the distance between adjacent poles of the inductor relative to the coils of phases A and C (respectively Tween). Phase coils are connected to the DC network through the same switches (not shown in Fig. 5), as in the circuits in Figs. 1-4. The secondary element 17 comprises active pole modules 18 of any of the types previously described. Such a machine, both in cylindrical and in linear versions, provides compact placement of anchor phase coils and high use of the poles of the inductor.

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).In all modifications of the proposed machine, the primary and secondary elements can alternatively be placed both on the fixed part (stator) and on the moving part (rotor). Due to the electromagnetic independence of the phase coils, the number of phases m in the proposed machine can be equal to the number of phase coils z _{1 of the} primary element (m = z ₁ ).

Машина, показанная на фиг.1, в режиме двигателя работает следующим образом. The machine shown in figure 1, in engine mode, operates as follows.

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. The windings 6 of the secondary element create an initial unipolar magnetic field. Before the overlapping of the windings of the primary and secondary elements for a certain phase, the keys 3 are closed and the current in the winding 2 of the primary element rises to the required value. After the start of the overlap of the windings, due to the increase in mutual inductance according to the included windings, an electromagnetic force is created, which moves the winding of the secondary element to a coordinated position. When approaching it, the winding of the primary element is turned off and the winding of the next phase is turned on, which ensures the continuity of the torque on the shaft. The current in the disconnectable winding is closed through the reverse diode and the supply network or auxiliary capacitors. Each pair of windings of the primary and secondary elements operates autonomously due to the absence of steel cores. External fields can be suppressed using screens (not shown). The processes in the machine are similar to those for a conventional VIM (prototype), but instead of the pole ferromagnetic protrusions of the secondary element, active pole modules are used, and the force is created due to the increase in mutual inductance between the windings of the primary and secondary elements.

Принцип работы машин, показанных на фиг.2 и 3, следующий. The principle of operation of the machines shown in figure 2 and 3, the following.

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. Active pole modules of the secondary element: unipolar SP magnets 8 from massive ceramic high-temperature superconductors with frozen-in magnetic flux (Fig. 2) or unipolar permanent magnets 9 (Fig. 3) create an initial unipolar magnetic field. Before the overlap of the primary element winding and the pole module of the secondary element begins, the keys 3 are closed for a certain phase and the current in the primary element winding rises to the required value. After the start of the overlap of the winding of the primary element and the pole module of the secondary element, an electromagnetic force is created that acts on the conductors with current in the magnetic field, which moves the pole module of the secondary element to a coordinated position. When approaching it, the winding of the primary element is turned off and the winding of the next phase is turned on, which ensures the continuity of the torque on the shaft. Each winding of the primary element and the corresponding pole module of the secondary elements operate autonomously.

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. For VIM linear execution (figure 4) and VIM with block conjugate phase coils (figure 5), the principle of operation is based on the same physical effects as for the above machine modifications. Due to the coupling of phase coils in the machine in Fig. 5, its weight and size indicators can be minimized, since armature conductors are always located opposite each pole of the inductor (there are no tangential gaps between the coils where the magnetic field of the inductor is not used). In addition, in such a VIM, the pulsations of the operating and starting moments are significantly reduced due to the continuous phase overlap.

Рабочие значения магнитной индукции в зазоре между первичным и вторичным элементами могут достигать нескольких тесла при использовании сверхпроводниковых или импульсно-включаемых обычных обмоток, 1÷3 Тл при использовании высокотемпературных сверхпроводниковых модулей (на основе, например, соединений типа Y-Ba-Cu-0) с вмороженным потоком [5], 0,4÷0,6 Тл при использовании высококоэрцитивных постоянных магнитов [6]. Такие значения индукции обеспечивают улучшение массогабаритных показателей предложенной машины по сравнению с прототипом и известными аналогами. The working values of magnetic induction in the gap between the primary and secondary elements can reach several tesla when using superconducting or pulse-switched conventional windings, 1 ÷ 3 T when using high-temperature superconducting modules (based on, for example, Y-Ba-Cu-0 compounds) with an frozen-in flow [5], 0.4–0.6 T when using highly coercive permanent magnets [6]. Such values of induction provide an improvement in the overall dimensions of the proposed machine in comparison with the prototype and known analogues.

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. A positive feature of the proposed VIM is the magnetizing reaction of the armature, because the magnetic field of the phase coil amplifies the field of the pole module in the motor mode. This, in particular, protects the modules of the secondary element from the demagnetization that occurs in conventional synchronous machines.

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).It should also be noted that in the zone between unipolar modules of the secondary element there is a counter magnetic field relative to the main field (from the condition div

implying isolation of magnetic lines). This field, interacting with the current in the conductors of the reverse side of the phase coil located in the area between the modules, creates an additional electromagnetic force in the same direction as the main force acting on the straight side of the coil located above the secondary module (in both sides of the phase coil and current simultaneously change direction).

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. In the machine designs shown in FIG. 1-4, the number of phase coils of the primary element exceeds the number of pole modules of the secondary element to ensure phase sequential switching. A block design of the machine is possible, in which in the working cross section the number of phase coils is equal to the number of secondary pole modules, which will increase the efficiency of interaction between the coils and modules. Moreover, the machine contains similar blocks on the shaft, each of which corresponds to a certain phase of the machine and is connected to the network with a sequential time shift equal to, where T is the period of operation of the phase coil, m is the number of phases. This design will provide an additional reduction in the specific gravity of the machine (mass per unit of power). A multi-disc machine design is also possible in which the primary element coils and pole modules of the secondary element are placed on alternating rotating and stationary disks. This increases power and reduces the specific gravity of the machine, since each phase coil is covered by pole modules on both sides.

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 (0,9÷0,95). Регулирование машины осуществляется изменением моментов включения и отключения катушек 2 первичного элемента, напряжения питания (например, ШИМ-регулятором), тока в катушках 6. The rational mode of operation of the proposed machine as an engine is ensured when the supply voltage is equal to the induced counter-EMF (at the base rotor speed), when the energy coefficient reaches large values (0.9 ÷ 0.95). Regulation of the machine is carried out by changing the moments of turning on and off the coils 2 of the primary element, the supply voltage (for example, a PWM controller), the current in the coils 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). The proposed machine can operate in the mode of a direct current generator, when an external drive provides relative movement of the primary and secondary elements, due to which EMFs are fed into the phase coils of the primary element, supplying current loads connected to the DC network. In this case, conventional diodes or simple controlled gates without reverse diodes are used as switches. Current ripple when switching valves can be smoothed out by filters (for example, chokes).

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. For the generator mode, a modification similar to the machine shown in Fig. 5 is possible with two conjugate phases (A and C) connected to the network through 2 valves that operate in natural switching mode (the valve with the highest forward voltage is turned on). The working EMF and output voltage will be almost constant. This two-phase dual-valve VIM minimizes the number of switches. It is much simpler and more technologically advanced than the known DC machines. In terms of energy performance, it, for example, exceeds by 20-30% the classical multi-polar valve machine with the simplest electronic converter with a midpoint (zero circuit), also having two valves. This is explained by the conjugation of the windings (respectively, induced EMF and generated forces) in the proposed VIM, whereas in a bipolar valve machine there are always "dead" zones between the poles, where the forces and EMF are not created.

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 0,6÷0,8 [4], что ниже, чем у предложенной машины, работающей в базовом режиме (К_э≈0,9÷0,95).Synchronous and valve machines with active bipolar excitation poles (including superconducting or based on permanent magnets) can act as analogues of the electromechanical part of the proposed machine. However, when switching to power supply from a direct current network (in valve machines), these analogs require a complex distributed m-phase winding, which ensures the creation of a rotating or running magnetic field and, accordingly, a complicated inverter that provides a sinusoidal operating current. In bridge inverters, the probability of occurrence of emergency through currents is relatively high. Such converters should be equipped with a system of bulky filters and auxiliary control elements. The proposed machine uses the simplest concentrated (coil) winding of the primary element, operating in the cyclic unipolar inclusion mode. Due to these features, the cost of the machine is 15-20% lower than the cost of similar known valve machines. In addition, in the known valve motors with adjustable inverter (in advance), the power factor, similar to K _e , is 0.6 ÷ 0.8 [4], which is lower than that of the proposed machine operating in the basic mode (K _e ≈ 0.9 ÷ 0.95).

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 I_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.The effectiveness of the proposed machine will be at least no lower than that of the known valve machines. This is determined by the fact that in valve machines, the conductors of the armature winding almost continuously flow around with operating currents, but with sinusoidal currents and inductions, their effective values in

less than the amplitude (I _m , V _m ), therefore, the electromagnetic force acting on the conductor is proportional to 0.5I _m B _m (with some decrease due to interpolar gaps). In the proposed machine, the current in each conductor of the armature winding flows for about 1/2 period, but has a maximum value of I _m , like induction In _m . Therefore, the average force on the conductor is also approximately proportional to 0.5I _m B _m , but the proposed machine has a number of advantages compared to traditional valve machines, which were indicated earlier.

Согласно проведенным теоретическим исследованиям и расчетам предложенная машина в диапазоне мощностей 10÷100 кВт при базовых скоростях ротора порядка 80 м/с имеет удельные активные массы 0,6÷0,8 кг/кВт для модификации с постоянными магнитами на роторе и воздухоохлаждаемыми фазными катушками, 0,1÷0,2 кг/кВт для модификации со сверхпроводниковыми керамическими модулями на роторе и обычными обмотками с жидкостным охлаждением на статоре, 0,03÷0,05 кг/кВт для модификации со сверхпроводниковыми модулями и катушками. При этом во всех случаях энергетический коэффициент К_э≈0,9÷0,95, а КПД η≥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.According to theoretical studies and calculations, the proposed machine in the power range of 10 ÷ 100 kW at base rotor speeds of about 80 m / s has a specific active mass of 0.6 ÷ 0.8 kg / kW for modification with permanent magnets on the rotor and air-cooled phase coils, 0.1 ÷ 0.2 kg / kW for modifications with superconducting ceramic modules on the rotor and conventional liquid-cooled windings on the stator, 0.03 ÷ 0.05 kg / kW for modifications with superconducting modules and coils. Moreover, in all cases, the energy coefficient K _e ≈0.9 ÷ 0.95, and the efficiency η≥0.93. The overall dimensions and energy indices of the proposed machine are 20-30% better than similar known electric machines. With an increased number of phases (m = z ₁ ), the starting torque increases by 30%, and the pulsation of the torque decreases by 10% compared with the prototype.

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. The linear design of the proposed machine (figure 4) can be effectively used for high-speed transport and will reduce the specific gravity of the traction system by 20% compared with systems on linear synchronous motors [7]. In addition, the linear design allows you to completely eliminate negative end effects and increase the efficiency of conversion of electrical energy into mechanical energy (up to 0.9 and higher). The phase coils in the linear design of the machine for high-speed transport can be placed on the canvas and operate at high currents in a pulsed mode (only during the passage of the crew) with long pauses, which allows the use of conventional thermo-inert uncooled coils of a simple design.

Источники информации
1. Ильинский Н.Ф. Перспективы применения вентильно-индукторного привода в современных технологиях. - Электротехника, 1997, 2.Sources of information
1. Ilyinsky N.F. Prospects for the use of a valve-inductor drive in modern technologies. - Electrical Engineering, 1997, 2.

2. Miller T. J.E., Switched Reluctance Motors and Their Control. - Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993. 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. 3. Troitsky V.A., Rolik A.I., Yakovlev A.I., Magnetodielectrics in power electrical engineering. - Kiev, "Technique", 1983.

4. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990. 4. Booth D. A. Non-contact electric machines. - M.: Higher School, 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. 5. Bertinov A.I., Alievsky B.L., Ilyushin K.V., Kovalev L.K., Semenikhin B. C. Superconducting electric machines and magnetic systems. - M. Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 1993.

6. Постоянные магниты. Справочник / Под ред. Ю.М.Пятина. - М.: Энергия, 1980. 6. Permanent magnets. Handbook / Ed. Yu.M. Pyatina. - M .: Energy, 1980.

7. Бахвалов Ю.А., Бочаров В.И., Винокуров В.А., Нагорский В.Д. Транспорт с магнитным подвесом. - М.: Машиностроение, 1991. 7. Bakhvalov Yu.A., Bocharov V.I., Vinokurov V.A., Nagorsky V.D. Vehicles with magnetic suspension. - M.: Mechanical Engineering, 1991.

Claims

1. Valve-inductor machine containing a primary element with a multiphase winding on one side of the working gap, consisting of concentrated phase coils displaced along the working gap with valve switches for alternately connecting the phase coils to an external DC circuit, and a secondary element, the primary and secondary the elements are made with the possibility of relative movement, characterized in that the primary element has a uniform magnetic structure in the direction of relative movement of the primary of the second and secondary elements, the secondary element is made with pole modules, the geometric parameters of which provide a cyclic coordinated position of the phase coils and pole modules at a time for one phase, while the pole modules of the secondary element are made magnetically autonomous and active in the form of lumped coils or permanent magnets, whose poles of the same name facing the working gap, and the phase coils of the primary element are made electromagnetically independent.

2. Valve-inductor machine according to claim 1, characterized in that the concentrated coils of the secondary element are made with the same direction of winding and the location of the input and output terminals.

3. Valve-inductor machine according to claim 1, characterized in that the pole modules of the secondary element are placed in a cryostat, and their permanent magnets are made in the form of massive ceramic high-temperature superconductors with frozen magnetic flux.

4. Valve induction machine according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that all the coils are made of a superconductor wire and placed in a cryostat.

5. Valve induction machine according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the primary and secondary elements are linear and fixed with the possibility of their relative linear movement.