RU2437198C1

RU2437198C1 - Electric reduction machine with axial excitation

Info

Publication number: RU2437198C1
Application number: RU2010140674/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Чернухин (RU); Владимир Михайлович Чернухин
Original assignee: Владимир Михайлович Чернухин
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2011-12-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention refers to the design of synchronous electric machines with contact rings with possibility of high electromagnetic reduction and can be used in automation systems, in military equipment, in domestic equipment, as motorised wheels, motorised drums, starter-generators, electric steering wheel boosters, electric drives of high and average power of ships, trolleybuses, trams of the underground, concrete mixers, lifting mechanisms, belt conveyors, liquid transfer pumps, mechanisms with high torques on the shaft and low frequencies of its rotation, as well as wind-driven generators, hydraulic generators, high-frequency electric generators and synchronous generators of frequency converters. Electric reduction machine with axial excitation includes stator the armature core of which consists of insulated electrotechnical steel plates with high magnetic permeability and has salient poles on inner surface of which there are elementary teeth, coil m-phase armature winding, each coil of which is arranged on the appropriate salient pole of armature, and inductor with odd and even tooth cores with even number of teeth on each core; the number of cores of inductor is at least two, active length of extreme inductor cores in axial direction is the same; if there are more than two inductor cores, active length of cores in axial direction, which are located between extreme inductor cores, is more by two times than active length of extreme cores, even inductor cores are offset relative to odd ones in tangential direction through the half of its tooth division; salient tooth poles of armature and tooth inductor cores face each other and are divided with air gap; between inductor cores there located is excitation winding of inductor, which is made in the form of ring-shaped coils the number of which is one less than the number of inductor cores; excitation of inductor is performed during feeding of excitation winding with direct (rectified) current through brushes and contact rings; tooth-and-slot zone of armature is comb-shaped and distributed. At that, for serviceability of electric reduction machine with axial excitation there shall be certain relations between the number of salient poles of armature, number of elementary teeth on salient pole of armature, number of salient poles of armature in phase, total number of armature teeth, number of teeth on each inductor core and number of phases of m-phase armature winding.

EFFECT: manufacture of high-technology and highly repairable constructions of electric reduction machines with axial excitation by applying electromagnetic reduction in wide ranges at providing high energy parameters and operating characteristics with possibility of smooth and deep control by means of output parameters.

9 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения синхронных электрических машин с контактными кольцами с возможностью высокой электромагнитной редукции и может быть использовано в системах автоматики, в военной технике, в бытовой технике, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, электроприводов большой и средней мощности судов, троллейбусов, трамваев метро, бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами его вращения, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и синхронных генераторов преобразователей частоты.The invention relates to electrical engineering, in particular to low-speed high-torque electric motors, electric drives and generators, for the design of synchronous electric machines with slip rings with the possibility of high electromagnetic reduction and can be used in automation systems, in military equipment, in household appliances, as a motor -wheels, motor-drums, starter-generators, electric power steering, electric drives of large and medium power ships, trolley buses, metro trams, onosmesiteley, lifting mechanisms, conveyor belts, pumps for pumping liquids mechanisms with high shaft torque and low frequencies of rotation, as well as wind turbines, hydro-generators, high frequency electric power generators and synchronous generators frequency converters.

Известны конструкции синхронных машин с трехфазной обмоткой якоря и обмоткой возбуждения индуктора (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. Стр.490÷513). Якорь выполняется неявнополюсным, несущим трехфазную распределенную разноименнополюсную p-периодную обмотку, индуктор выполняется явнополюсным или неявнополюсным, несущим разноименнополюсную p-периодную обмотку возбуждения. Электрическая связь с источником питания осуществляется непосредственно и при помощи щеточно-контактного узла. Наибольшее распространение получили синхронные машины, у которых обмотка якоря подключается к нагрузке (в режиме генератора) или к источнику трехфазного напряжения (в режиме двигателя) непосредственно, а обмотка возбуждения индуктора соединена с контактными кольцами и подключается к постоянному источнику напряжения через скользящие контакты при помощи щеток. Синхронные машины малой мощности могут изготавливаться и в обращенном исполнении, когда электрический контакт с обмоткой возбуждения осуществляется непосредственно, а с обмоткой якоря - через щеточно-контактный узел. Недостатком этих электрических машин является сложность выполнения распределенной обмотки якоря. Применение в них распределенной обмотки якоря снижает надежность по сравнению с катушечной сосредоточенной обмоткой. Кроме этого, синхронные машины данного класса в режиме двигателя имеют малые пусковые моменты, и для пуска их в ход применяют специальные меры.Known designs of synchronous machines with a three-phase winding of the armature and the excitation winding of the inductor (Ivanov-Smolensky A.V. Electric machines: Textbook for high schools. - M .: Energy, 1980. P.490 ÷ 513). The armature is carried out by an implicit pole carrying a three-phase distributed opposite pole p-period winding, the inductor is carried out by an explicit pole or non-polar pole carrying a opposite pole p-period field winding. Electrical communication with the power source is carried out directly and using a brush-contact unit. Synchronous machines are most widely used, in which the armature winding is connected to the load (in generator mode) or to a three-phase voltage source (in motor mode) directly, and the inductor excitation winding is connected to slip rings and connected to a constant voltage source through sliding contacts using brushes . Low-power synchronous machines can also be manufactured in reverse design, when electrical contact with the field winding is carried out directly, and with the armature winding through the brush-contact unit. The disadvantage of these electric machines is the difficulty of performing a distributed winding of the armature. The use of a distributed armature winding in them reduces reliability compared to a concentrated coil winding. In addition, synchronous machines of this class in the engine mode have small starting torques, and special measures are used to start them.

Известен синхронный редукторный двигатель (Патент RU, 2054220 С1, МПК6 H02K 37/00, H02K 19/06, авторы: Шевченко А.Ф.; Калужский Д.Л.), содержащий ротор с Z_p зубцами и статор с 4·р полюсами (р=1, 2, 3, …), на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы по Z_s зубцов на каждом полюсе, причем Z_r=4·p·(Z_s+K)±p (где K=0, 1, 2, … - целое число), в большие пазы между полюсами уложены катушки однофазной обмотки по одной на каждом полюсе, катушки, расположенные на одноименных полюсах с номерами, различающимися на 4, соединены последовательно «конец» с «началом» и образуют четыре ветви, «конец» первой ветви, образованной 1, 5, …, 1+4·(p-1) катушками, соединен с «началом» третьей ветви, образованной 3, 7, …, 3+4·(p-1) катушками, и точка соединения этих ветвей подключена к первому выводу обмотки, «конец» второй ветви, образованной 2, 6, …, 2+4·(p-1) катушками, соединен с «началом» четвертой ветви, образованной 4, 8, …, 4+4·(p-1) катушками, и точка соединения этих ветвей через последовательно включенный конденсатор также подключена к первому выводу, а ко второму выводу подключены два диода таким образом, что с анодом первого из них соединены первая и четвертая ветви, а с катодом второго диода - вторая и третья ветви. Недостатком описанного синхронного редукторного двигателя являются невысокие энергетические показатели. Кроме этого, указанные технические устройства чаще всего выполняют с малыми воздушными зазорами, что затрудняет их изготовление при массовом (серийном) производстве.Known synchronous geared motor (Patent RU, 2054220 C1, IPC6 H02K 37/00, H02K 19/06, authors: Shevchenko AF; Kaluzhsky DL), containing a rotor with Z _p teeth and a stator with 4 · p poles (p = 1, 2, 3, ...), on the inner surface of which there are elementary teeth with Z _s teeth at each pole, with Z _r = 4 · p · (Z _s + K) ± p (where K = 0, 1 , 2, ... is an integer), single-phase winding coils are placed in large grooves between the poles, one at each pole, coils located at the same poles with numbers differing by 4 are connected in series from the “end” to the “beginning” and form four branches, the "end" of the first branch formed by 1, 5, ..., 1 + 4 · (p-1) coils, connected to the "beginning" of the third branch, formed by 3, 7, ..., 3 + 4 · (p- 1) by coils, and the connection point of these branches is connected to the first terminal of the winding, the “end” of the second branch formed by 2, 6, ..., 2 + 4 · (p-1) coils is connected to the “beginning” of the fourth branch formed by 4, 8, ..., 4 + 4 · (p-1) coils, and the connection point of these branches through a series-connected capacitor is also connected to the first output, and two diodes are connected to the second output in such a way that with the anode of the first of them with the first and fourth branches are united, and the second and third branches with the cathode of the second diode. The disadvantage of the described synchronous gear motor are low energy performance. In addition, these technical devices are most often performed with small air gaps, which complicates their manufacture in mass (mass) production.

Известна принятая за прототип сверхпроводниковая вентильная индукторная машина (Патент RU 2178942 C1, МПК7 H02K 55/00, H02K 55/02, авторы Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А.), содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический ротор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами, снабженная вторым статором с шихтованным сердечником, на полюсных выступах которого расположена многофазная катушечная обмотка, и вторым ротором, расположенным на одном валу с первым ротором, на валу между двумя роторами размещена цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала с «вмороженным» магнитным потоком, представляющая собой криомагнит, намагниченный в осевом направлении и обеспечивающий однополярность полюсных выступов первого и второго роторов, на статорах установлен соленоид, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку для «вмораживания» в нее магнитного потока, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом, а их многофазные катушечные обмотки снабжены коммутатором, обеспечивающим однополярность намагничивания полюсов каждого статора, разнополярность полюсов первого и второго статоров, совпадение направления магнитного потока в полюсах статоров с направлением магнитного потока вышеуказанной вставки, а также поочередность включения катушечных обмоток каждой фазы в заданной последовательности. Недостатком прототипа является сложность конструкции ротора, наличие двух статоров с соленоидом между ними, каждый статор имеет свою многофазную обмотку якоря, низкая ремонтопригодность при пробое какой-либо из обмоток из-за расположения всех обмоток (якоря и возбуждения) только на статоре, небольшой по сравнению с заявляемым изобретением удельный (отнесенный к массе активных материалов) момент на валу.Known for the prototype is a superconducting valve induction machine (Patent RU 2178942 C1, MPK7 H02K 55/00, H02K 55/02, authors Kovalev L.K., Ilyushin K.V., Poltavets V.N., Semenikhin BC, Penkin V. T., Kovalev K.L., Egoshkina L.A., Larionov A.E., Koneev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A.), containing a stator with a lined core, placed on its pole projections, a multiphase coil winding, a cylindrical rotor comprising a lined core with pole projections, provided with a second stator with a charged core, on the pole projections of which o there is a multiphase coil winding, and a second rotor located on the same shaft as the first rotor, on the shaft between the two rotors there is a cylindrical insert of high-temperature superconducting (HTSC) material with a “frozen-in” magnetic flux, which is a cryomagnet magnetized in the axial direction and providing unipolarity of the pole protrusions of the first and second rotors, a solenoid is installed on the stators, covering the above-mentioned cylindrical insert for “freezing” magnetic field into it OK, the stators are connected by a cylindrical magnetic circuit, and their multiphase coil windings are equipped with a switch that provides unipolar magnetization of the poles of each stator, different polarity of the poles of the first and second stators, the coincidence of the direction of the magnetic flux in the poles of the stators with the direction of the magnetic flux of the aforementioned insert, and the alternating turns of the coil windings of each phase in a given sequence. The disadvantage of the prototype is the complexity of the rotor design, the presence of two stators with a solenoid between them, each stator has its own multiphase armature winding, low maintainability when any of the windings is broken due to the location of all the windings (armature and excitation) only on the stator, small in comparison with the claimed invention, the specific (referred to the mass of active materials) moment on the shaft.

Целью настоящего изобретения является создание при выполнении достаточно простой, надежной в эксплуатации, более технологичной и высокоремонтопригодной с расширенными возможностями конструктивного исполнения и использования электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением при обеспечении высоких энергетических показателей и большого удельного вращающего момента на валу при высокой электромагнитной редукции частоты вращения в режиме электрического двигателя и при большой удельной мощности и высокой электромагнитной редукции частоты ЭДС в режиме электрического генератора.The aim of the present invention is to provide, when performing a sufficiently simple, reliable in operation, more technologically advanced and highly repairable with advanced design options and the use of an electric gear machine with axial excitation while providing high energy performance and a large specific torque on the shaft with high electromagnetic speed reduction in electric motor mode and at high specific power and high electromagnetic eduktsii EMF frequency electric generator mode.

Существенным признаком, отличающим настоящее изобретение от прототипа, является наличие щеточно-контактного узла, позволяющего питать обмотку возбуждения электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением значительным постоянным (выпрямленным) электрическим током и, таким образом, повысить удельную мощность, а также плавно регулировать выходными параметрами электрической машины.An essential feature that distinguishes the present invention from the prototype is the presence of a brush-contact assembly that allows the excitation winding of the electric gear machine with axial excitation to be supplied with significant constant (rectified) electric current and, thus, increase the specific power, as well as smoothly adjust the output parameters of the electric machine .

Задачей настоящего изобретения является установление связи между числом полюсов якоря, числом фаз сосредоточенной на полюсах якоря m-фазной катушечной обмотки якоря, общим числом зубцов якоря и числом зубцов каждого сердечника индуктора, а также разработка алгоритма построения схемы соединений m-фазной катушечной обмотки якоря и обмотки возбуждения индуктора электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением.The objective of the present invention is to establish a relationship between the number of poles of the armature, the number of phases concentrated on the poles of the armature of the m-phase coil winding of the armature, the total number of teeth of the armature and the number of teeth of each core of the inductor, as well as the development of an algorithm for constructing a circuit diagram of the m-phase coil winding of the armature and winding excitation of an inductor of an electric gear machine with axial excitation.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение высокотехнологичных и высокоремонтопригодных конструкций электрических редукторных машин с аксиальным возбуждением с применением электромагнитной редукции в широких пределах при обеспечении высоких энергетических показателей и эксплуатационных характеристик с возможностью плавного и глубокого регулирования выходными параметрами.The technical result of the present invention is to obtain high-tech and highly repairable designs of electric gearboxes with axial excitation using electromagnetic reduction in a wide range while ensuring high energy performance and performance with the possibility of smooth and deep control of the output parameters.

С целью достижения задачи и технического результата изобретения статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены элементарные зубцы, катушечную m-фазную обмотку якоря с возможностью применения каркасных катушек, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, безобмоточный ферромагнитный ротор, содержащий индуктор с нечетными и четными зубчатыми сердечниками с одинаковым числом зубцов на каждом сердечнике, сердечники индуктора могут быть выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, при наличии сердечников индуктора более двух, активная длина сердечников в аксиальном направлении, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше активной длины крайних сердечников, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных в тангенциальном направлении на половину своего зубцового деления, сердечники индуктора, выполненные в виде шихтованных пакетов, напрессованы на втулку, изготовленную из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью, магнитомягкая втулка насажена на немагнитный вал, явно выраженные зубчатые полюса якоря и зубчатые сердечники индуктора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, между сердечниками индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде кольцеобразных катушек, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора, возбуждение индуктора осуществляется при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) током через щетки и контактные кольца, создающим униполярное постоянное магнитное поле возбуждения индуктора в рабочем воздушном зазоре, зубцово-пазовая зона якоря выполнена «гребенчатой» распределенной, ширина коронок зубцов каждого сердечника индуктора определяется равенством b_z2=k·t_z2, ширина коронок элементарных зубцов, расположенных на явно выраженных полюсах якоря, определяется равенством b_Z1=k·t_Z1, при этом t_Z1 и t_Z2 представляют собой зубцовые деления явно выраженных полюсов якоря и сердечников индуктора соответственно, коэффициент k=0,38÷0,5 и его значение выбирается в зависимости от формы переменного тока источника питания при работе машины в режиме электрического двигателя и от формы переменной ЭДС якоря при работе машины в режиме электрического генератора.In order to achieve the objective and the technical result of the invention, the stator contains a lined core of the armature with distinct poles, on the inner surface of which elementary teeth are made, a coil m-phase winding of the armature with the possibility of using frame coils, each coil of which is placed on the corresponding clearly defined pole of the armature one at the pole, a non-winding ferromagnetic rotor containing an inductor with odd and even toothed cores with the same number of teeth on each core, heart inductor nicknames can be made in the form of packets drawn from insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability, the number of inductor cores is at least two, the active length of the outermost cores of the inductor in the axial direction is the same, if there are more than two inductor cores, the active length of the cores in the axial direction located between the extreme cores of the inductor, two times the active length of the extreme cores, even cores of the inductor are offset relative to odd in t in the half-tooth division in the angular direction, the inductor cores made in the form of burnt bags are pressed onto a sleeve made of magnetically soft steel with high magnetic permeability, the magnetically soft sleeve is mounted on a non-magnetic shaft, the pronounced toothed poles of the armature and the toothed cores of the inductor are facing each other and separated by an air gap, between the cores of the inductor is located the excitation coil of the inductor, made in the form of ring-shaped coils, the number of which is one men more than the number of inductor cores, the inductor is excited when the excitation winding is supplied with direct (rectified) current through brushes and slip rings, creating a unipolar constant magnetic field of the inductor excitation in the working air gap, the tooth-groove zone of the armature is made “comb” distributed, the width of the crowns of teeth of each the inductor core is determined by the equality b _z2 = k · t _z2 , the width of the crowns of elementary teeth located at the pronounced poles of the armature is determined by the equality b _Z1 = k · t _Z1 , pr and this t _Z1 and t _Z2 are the tooth divisions of the pronounced poles of the armature and cores of the inductor, respectively, the coefficient k = 0.38 ÷ 0.5 and its value is selected depending on the shape of the alternating current of the power source when the machine is operating in electric motor mode and from the shape of the variable EMF of the armature when the machine is in electric generator mode.

Электрическая редукторная машина с аксиальным возбуждением может работать в режиме неуправляемой и управляемой синхронной машины, в режиме управляемого шагового двигателя и в режиме управляемого двигателя постоянного тока с независимым и последовательным возбуждением.An axial-driven electric gear machine can operate in unmanaged and controllable synchronous machines, in a stepper motor mode and in a controlled DC motor mode with independent and sequential excitation.

Обмотка возбуждения индуктора электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением может подключаться через контактные кольца и щетки к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения или через контактные кольца и щетки к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.The field winding of an inductor of an electric gear machine with axial excitation can be connected through contact rings and brushes to an independent source of constant (rectified) voltage or through contact rings and brushes to the output of the m-phase diode bridge, the input ends of which are connected to the output ends of the phases of the m-phase winding anchors.

При применении электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря может осуществляться:When using an electric gear machine with axial excitation as a synchronous electric motor, the armature winding can be powered:

- от источника трехфазного переменного напряжения,- from a source of three-phase alternating voltage,

- от источника однофазного переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,- from a single-phase AC voltage source using a phase-shifting element,

- от m-фазного источника переменного напряжения постоянной частоты,- from an m-phase source of alternating voltage of constant frequency,

- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,- from an m-phase variable voltage source of adjustable frequency,

- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. При этом обмотка возбуждения индуктора может быть подключена через контактные кольца и щетки как к независимому источнику постоянного (выпрямленного) напряжения, так и к выходу диодного m-фазного моста, входные концы которого подключены к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.- from a constant voltage source by means of a controlled inverter supplying a sinusoidal voltage to the phases of the armature winding, depending on the readings of the rotor angular position sensor to achieve maximum torque. In this case, the excitation winding of the inductor can be connected via contact rings and brushes to an independent source of constant (rectified) voltage, and to the output of the m-phase diode bridge, the input ends of which are connected to the output ends of the phases of the m-phase armature winding.

При применении электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением в качестве шагового двигателя питание обмотки якоря осуществляется от источника питания, подающего на обмотку якоря импульсы напряжения по определенному алгоритму в определенный момент времени. При этом для удержания ротора в необходимом положении может быть применен механизм пофазного электромагнитного арретирования.When using an electric gear machine with axial excitation as a stepper motor, the armature winding is powered from a power source that supplies voltage pulses to the armature winding according to a certain algorithm at a certain point in time. Moreover, to keep the rotor in the required position, a phase-by-phase electromagnetic locking mechanism can be applied.

При применении электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением в качестве двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. При этом обмотка возбуждения индуктора подключается через контактные кольца и щетки к независимому источнику постоянного напряжения.When using an electric gear machine with axial excitation as a direct current motor with independent excitation, the armature winding is supplied with rectangular voltage pulses from the electronic switch according to a certain algorithm depending on the readings of the rotor angular position sensor to achieve maximum torque. In this case, the field winding of the inductor is connected via contact rings and brushes to an independent source of constant voltage.

При применении электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением в качестве двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора по определенному алгоритму в зависимости от показаний датчика углового положения ротора для достижения максимального вращающего момента. При этом обмотка возбуждения индуктора подключается через контактные кольца и щетки через m-фазный диодный мост к выходным концам фаз m-фазной обмотки якоря.When using an electric gear machine with axial excitation as a direct current motor with sequential excitation, the armature winding is supplied with rectangular voltage pulses from the electronic switch according to a certain algorithm depending on the readings of the rotor angular position sensor to achieve maximum torque. In this case, the field winding of the inductor is connected via contact rings and brushes through the m-phase diode bridge to the output ends of the phases of the m-phase armature winding.

Электрическая редукторная машина с аксиальным возбуждением может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной или трапецеидальной формы без постоянной составляющей.An axially excited electric gear machine can also operate as a synchronous m-phase generator of a sinusoidal EMF and as a synchronous m-phase generator of a variable EMF of rectangular or trapezoidal shape without a constant component.

В настоящем изобретении индуктор является ротором, а якорь - статором. Возможны исполнения электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором, с внутренним якорем и внешним индуктором.In the present invention, the inductor is the rotor and the armature is the stator. Execution of an electric gear machine with axial excitation with an external armature and an internal inductor, with an internal armature and an external inductor.

Сущность изобретения поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

фиг.1÷4 - примеры реализации изобретения в виде поперечных разрезов сердечников якоря и индуктора, схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря и векторных диаграмм токов, протекающих по обмоткам якоря,figure 1 ÷ 4 - examples of the invention in the form of cross sections of the cores of the armature and inductor, the connection diagrams of the coils of the m-phase windings of the armature and vector diagrams of the currents flowing along the windings of the armature,

фиг.5 - общий вид электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором с тремя сердечниками индуктора.5 is a General view of an electric gear machine with axial excitation with an external armature and an internal inductor with three inductor cores.

В соответствии с настоящим изобретением между числом явно выраженных полюсов якоря Z_1P, числом фаз m-фазной катушечной обмотки якоря m=3, 4, 5, 6, …, общим числом зубцов якоря Z₁ и числом зубцов каждого сердечника индуктора Z₂ электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением установлена предельная связь, необходимая для работоспособности машины и получения наилучших энергетических показателей при максимальном удельном моменте на валу, которая выражается равенствами (1), (2), (3):In accordance with the present invention, between the number of pronounced poles of the armature Z _1P , the number of phases of the m-phase coil winding of the armature m = 3, 4, 5, 6, ..., the total number of teeth of the armature Z ₁ and the number of teeth of each core of the inductor Z ₂ electric gear axial excitation machines, the limit connection is established, which is necessary for the machine’s operability and obtaining the best energy performance at the maximum specific moment on the shaft, which is expressed by equalities (1), (2), (3):

где Z_1m=1, 2, 3, 4, … - число явно выраженных полюсов якоря в фазе, Z_1S=1, 2, 3, 4, … - число элементарных зубцов на явно выраженном полюсе якоря, t_Z1=360°/Z_1P·(Z_1S+K)) и t_Z2=360°/Z₂ определяются в угловом измерении, K=1, 2, 3, … - целое неотрицательное число.where Z _1m = 1, 2, 3, 4, ... is the number of pronounced anchor poles in the phase, Z _1S = 1, 2, 3, 4, ... is the number of elementary teeth at the pronounced anchor pole, t _Z1 = 360 ° / Z _1P · (Z _1S + K)) and t _Z2 = 360 ° / Z _{2 are} determined in angular measurement, K = 1, 2, 3, ... is a non-negative integer.

Катушки m-фазной обмотки якоря в фазе соединены между собой встречно в магнитном отношении. Начало фазы обмотки может принадлежать любой катушке в фазе. Расположение катушек фаз на полюсах якоря вдоль расточки статора осуществляется в соответствии с чередованием фазных токов на векторной диаграмме. Фазы обмотки якоря могут быть соединены между собой «в звезду», либо «в многоугольник».The coils of the m-phase armature winding in phase are interconnected counter magnetically. The start of the winding phase can belong to any coil in the phase. The arrangement of phase coils at the poles of the armature along the stator bore is carried out in accordance with the alternation of phase currents in the vector diagram. The phases of the armature winding can be interconnected “into a star” or “into a polygon”.

Кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора, если их число более одной, должны быть соединены между собой последовательно либо параллельно, но всегда таким образом, чтобы при протекании по ним постоянного (выпрямленного) электрического тока создавалось униполярное постоянное магнитное поле возбуждения индуктора в рабочем воздушном зазоре и зубцы нечетных сердечников индуктора образовывали полюса одной магнитной полярности, например, южные полюса «S», а зубцы четных сердечников индуктора образовывали полюса другой магнитной полярности, например, северные полюса «N».The ring-shaped coils of the field coil of the inductor, if there are more than one, must be connected to each other in series or in parallel, but always so that when a constant (rectified) electric current flows through them, a unipolar constant magnetic field of the field exciter in the working air gap and teeth the odd cores of the inductor formed poles of one magnetic polarity, for example, the south poles of "S", and the teeth of the even cores of the inductor formed poles of another magnetic polarity, for example, the north pole "N".

На фиг.1÷4 представлены примеры реализации изобретения в соответствии с формулами (1), (2), (3) в виде поперечных разрезов сердечника якоря и нечетных и четного пакетов индуктора электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением, схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря при их включении на источники напряжений в двигательном режиме и векторных диаграмм токов, протекающих по обмотке якоря. На фиг.2, кроме этого, показано подключение обмотки возбуждения индуктора через контактные кольца, щетки и 4-фазный диодный мост к выходным концам фаз 4-фазной обмотки якоря. Соответствие чертежей поперечных разрезов сердечников якоря и индуктора и схем соединений катушек m-фазных обмоток якоря поясняется в таблице. Положение сердечников индуктора относительно сердечника якоря на фигуре в двигательном режиме, положение векторов токов на векторной диаграмме и направления токов, протекающих по катушкам обмотки якоря, на соответствующей схеме соединений катушек m-фазной обмотки якоря электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением показаны в один и тот же момент времени.Figure 1 ÷ 4 presents examples of the invention in accordance with formulas (1), (2), (3) in the form of cross sections of the core of the armature and the odd and even packets of the inductor of an electric gear machine with axial excitation, m-phase coils armature windings when they are switched on to voltage sources in the motor mode and vector diagrams of currents flowing along the armature winding. Figure 2, in addition, shows the connection of the excitation coil of the inductor through slip rings, brushes and a 4-phase diode bridge to the output ends of the phases of the 4-phase armature winding. The correspondence of the drawings of the transverse sections of the cores of the armature and the inductor and the connection diagrams of the coils of the m-phase armature windings is explained in the table. The position of the inductor cores relative to the armature core in the figure in the motor mode, the position of the current vectors in the vector diagram and the directions of the currents flowing along the armature winding coils are shown in the same connection diagram of the m-phase armature coils of the armature of an electric gear machine with axial excitation moment of time.

Таблица 1Table 1 Соответствие чертежей поперечных разрезов сердечника якоря, нечетных и четного сердечников индуктора и схем соединений катушек m-фазных обмоток якоряCorrespondence of the drawings of transverse sections of the core of the armature, the odd and even cores of the inductor and the connection diagrams of the coils of the m-phase armature windings чертеж поперечного разрезаcross sectional drawing схема соединений катушек обмоткиwinding coil connection diagram 1one 22 4four 22 88 33 33 2424 50fifty 33 4four 55 33 15fifteen 22 1one 30thirty 4848

Рассмотрим конструкцию электрической редукторной машины с аксиальным возбуждением с внешним якорем и внутренним индуктором (фиг.1, фиг.3, фиг.5). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 1 якоря выполнен шихтованным пакетом из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в магнитопроводе 2, изготовленным из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью. На каждом явно выраженном полюсе 13 якоря размещены элементарные зубцы 14. На полюсах 13 сосредоточена катушечная m-фазная обмотка 3 якоря, катушки которой выполнены из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. При изготовлении якоря с открытыми пазами катушки обмотки могут быть намотаны на станках на неэлектропроводящие каркасы и затем вместе с каркасами закреплены на полюсах якоря. Индуктор при помощи подшипников 4, вала 5 и подшипниковых щитов 6 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из немагнитной стали или из титана. На валу 5 закреплен магнитопровод 10 индуктора, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью. На магнитопроводе 10 индуктора напрессованы нечетные 7 и 9 и четный 8 сердечники индуктора. Активная длина двух крайних сердечников 7 и 9 индуктора в аксиальном направлении одинакова, активная длина находящегося между ними сердечника 8 индуктора в два раза больше активной длины крайних сердечников 7 и 9. Сердечники 7, 8 и 9 индуктора выполнены шихтованными из электротехнической стали и имеют одинаковое число на каждом сердечнике равномерно распределенных по окружности зубцов 15. С целью удешевления конструкции сердечники 7, 8 и 9 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. Четный 8 сердечник индуктора смещен относительно нечетных 7 и 9 сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину своего зубцового деления. Между сердечниками индуктора расположены кольцеобразные катушки 11 и 12 обмотки возбуждения индуктора, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора. Катушки 11 и 12 выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины и могут быть соединены между собой последовательно или параллельно. Концы обмотки возбуждения индуктора соединены с контактными кольцами 17, расположенными на изоляционной неэлектропроводной втулке 16, которая, в свою очередь, насажена на вал 5. К контактным кольцам 17 при помощи пружинного механизма плотно прижаты щетки 18 для электрической связи обмотки возбуждения индуктора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения.Consider the design of an electric gear machine with axial excitation with an external armature and an internal inductor (Fig. 1, Fig. 3, Fig. 5). The core 1 of the anchor remagnetized with a high frequency is made in a lined package of insulated sheets of electrical steel with high magnetic permeability and is pressed into the magnetic circuit 2 made of soft magnetic steel with high magnetic permeability. At each pronounced pole 13 of the armature elementary teeth 14 are placed. At the poles 13 there is a coil m-phase coil 3 of the armature, the coils of which are made of a winding copper wire or a winding copper bus. In the manufacture of anchors with open slots, the coils of the winding can be wound on machines with non-conductive frames and then, together with the frames, are fixed at the poles of the armature. The inductor using bearings 4, shaft 5 and bearing shields 6 is positioned relative to the armature. The shaft 5 is made of non-magnetic steel or titanium. An inductor magnetic core 10 is mounted on the shaft 5, made of a material with high magnetic permeability. Odd 7 and 9 and an even 8 core of the inductor are pressed onto the magnetic circuit 10 of the inductor. The active length of the two extreme cores of the inductor 7 and 9 in the axial direction is the same, the active length of the core 8 of the inductor between them is two times the active length of the extreme cores 7 and 9. The cores 7, 8 and 9 of the inductor are made of electrical steel and have the same number on each core evenly distributed around the circumference of the teeth 15. In order to reduce the cost of the design, the cores 7, 8 and 9 can be metalworked from solid pieces of steel with high magnetic permeability. An even 8 core of the inductor is offset relative to the odd 7 and 9 core of the inductor in the tangential direction by half of its tooth division. Between the cores of the inductor are ring-shaped coils 11 and 12 of the excitation coil of the inductor, the number of which is one less than the number of cores of the inductor. Coils 11 and 12 are made of a winding copper wire or a winding copper bus and can be connected to each other in series or in parallel. The ends of the field coil of the inductor are connected to the contact rings 17 located on the insulating non-conductive sleeve 16, which, in turn, is mounted on the shaft 5. Brushes 18 are tightly pressed to the contact rings 17 by means of a spring mechanism for electrically connecting the field coil of the inductor to a constant source ( rectified) voltage.

Электрическая редукторная машина с аксиальным возбуждением работает в двигательном и генераторном режимах.The axial-driven electric gearbox operates in motor and generator modes.

Рассмотрим двигательный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). На обмотку возбуждения индуктора через щетки и контактные кольца подают постоянное (выпрямленное) напряжение, по обмотке протекает постоянный (выпрямленный) электрический ток, создавая постоянный магнитный поток индуктора, униполярно замыкающийся через сердечники индуктора 7, 8 и 9, который образует постоянную во времени МДС индуктора. При этом зубцы 15 нечетных сердечников 7 и 9 индуктора образуют полюса одной магнитной полярности, например, южные полюса «S», а зубцы 15 четного сердечника 8 индуктора образуют полюса другой магнитной полярности, например, северные полюса «N». На фазы m-фазной обмотки 3 якоря подают переменное напряжение, по m-фазной обмотке 3 якоря протекает переменный ток, создающий переменное вращающееся магнитное поле якоря. При этом образуется переменная во времени МДС якоря и переменный во времени магнитный поток якоря. На фиг.2 и фиг.4 представлены векторные диаграммы токов, протекающих по соответствующим m-фазным обмоткам 3 якоря, схемы соединений которых представлены на этих же фигурах. Векторы токов во времени поворачиваются в осях координат xy против часовой стрелки. Рассмотрим момент времени, когда токи проецируются на ось ординат. В соответствии с этими проекциями на фиг.2 и фиг.4 обозначены направления токов в катушках m-фазных обмоток якоря. При этом элементарные зубцы 14, выполненные на соответствующих явно выраженных полюсах 13 якоря, на которых расположены катушки m-фазной обмотки 3 якоря, образуют южные магнитные полюса «S» и северные магнитные полюса «N». Вследствие взаимодействия переменного магнитного поля якоря с постоянным магнитным полем индуктора к ротору приложен однонаправленный в течение всего времени работы электрического двигателя вращающий момент. Согласно изобретению, за один период изменения магнитного поля якоря ротор перемещается на одно зубцовое деление сердечника индуктора. Отсюда следует, что при изменении питающих m-фазных напряжений, поданных на m-фазную обмотку якоря с частотой f (Гц), ротор вращается с синхронной частотой n=60·f/Z₂ (об/мин). Этим и достигается высокая электромагнитная редукция частоты вращения ротора, направление движения которого на чертежах показано стрелкой с буквой «n». Нетрудно заметить, что в данной конструкции ротор вращается согласно с направлением вращения магнитного поля якоря.Consider the motor mode (figure 1, figure 3, figure 5). A constant (rectified) voltage is applied to the induction winding of the inductor through brushes and contact rings, a constant (rectified) electric current flows through the winding, creating a constant magnetic flux of the inductor, unipolarly closing through the cores of the inductor 7, 8 and 9, which forms a time-constant MDS inductor . In this case, the teeth 15 of the odd core of the inductor 7 and 9 form the poles of one magnetic polarity, for example, the south poles "S", and the teeth 15 of the even core 8 of the inductor form the poles of another magnetic polarity, for example, the north poles of "N". An alternating voltage is applied to the phases of the m-phase winding 3 of the armature, an alternating current flows through the m-phase winding of the 3 armature, creating an alternating rotating magnetic field of the armature. In this case, a time-variable MDS of the armature and a time-variable magnetic flux of the armature are formed. Figure 2 and figure 4 presents a vector diagram of the currents flowing along the corresponding m-phase windings 3 of the armature, the connection diagrams of which are presented in the same figures. Current vectors in time rotate in the xy coordinate axes counterclockwise. Consider the point in time when currents are projected onto the ordinate axis. In accordance with these projections, figure 2 and figure 4 indicate the direction of the currents in the coils of the m-phase armature windings. In this case, the elementary teeth 14, made at the corresponding clearly expressed poles 13 of the armature, on which the coils of the m-phase winding 3 of the armature are located, form the southern magnetic poles “S” and the northern magnetic poles “N”. Due to the interaction of the alternating magnetic field of the armature with the constant magnetic field of the inductor, a unidirectional torque is applied to the rotor during the entire operation time of the electric motor. According to the invention, for one period of change in the magnetic field of the armature, the rotor moves by one tooth division of the core of the inductor. It follows that when the supply m-phase voltages applied to the m-phase armature winding with a frequency f (Hz) change, the rotor rotates with a synchronous frequency n = 60 · f / Z ₂ (r / min). This achieves a high electromagnetic reduction of the rotor speed, the direction of motion of which is shown in the drawings by an arrow with the letter "n". It is easy to notice that in this design the rotor rotates in accordance with the direction of rotation of the magnetic field of the armature.

Рассмотрим генераторный режим (фиг.1, фиг.3, фиг.5). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный протекающим от источника постоянного (выпрямленного) напряжения через щетки и контактные кольца по обмотке возбуждения постоянным (выпрямленным) электрическим током, пронизывая воздушный зазор и явно выраженные полюса 13 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создает в явно выраженных полюсах 13 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках m-фазной обмотки 3 якоря переменную во времени ЭДС. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по m-фазной обмотке 3 якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю.Consider the generator mode (figure 1, figure 3, figure 5). When the rotor rotates with a third-party source of torque with a rotational speed n, the constant magnetic flux of the inductor created by the direct (rectified) electric current flowing from the constant (rectified) voltage source through the brushes and contact rings, penetrating the air gap and the pronounced pole 13 of the armature on the side of the inductor, then on the side of the armature, creates in the pronounced poles of the armature 13 an alternating magnetic flux inducing in the coils of the m-phase winding 3 of the armature a time-variable EMF. If the external circuit - the load circuit is closed, then an alternating electric current flows through the m-phase winding of the 3 armature, the electric power is given to the consumer.

Claims

1. An electric gear machine with axial excitation, comprising a stator with a lined core, a multiphase coil winding placed on its pole projections, a cylindrical inductor, characterized in that the armature is made with one lined core with distinct poles, on the inner surface of which elementary teeth are made, Z _1S of teeth on each pole, wherein Z _1S = 1, 2, 3, 4, ..., the armature winding is m-phase coil windings, each coil is placed on the floor corresponding to the express all the anchors are one at the pole, with m = 3, 4, 5, 6, ..., the ferromagnetic rotor contains an inductor with odd and even toothed cores with the same number of teeth on each core, the number of inductor cores is at least two, the active length of the end cores of the inductor in the axial direction is the same, if there are more than two inductor cores, the active length of the axial cores between the extreme cores of the inductor is two times the active length of the extreme cores, even cores of the inductor puppies are relatively odd in the tangential direction by half of their tooth division, the pronounced toothed poles of the armature and the toothed cores of the inductor are facing each other and are separated by an air gap, between the cores of the inductor there is an inductor excitation coil made in the form of ring-shaped coils, the number of which is one less than the number inductor cores, inductor excitation is carried out when the excitation winding is supplied with direct (rectified) current through slip rings and brushes, tooth-groove the anchor zone is made “comb” distributed, the width of the crowns of the teeth of each core of the inductor is determined by the equality b _Z2 = k · t _Z2 , the width of the crowns of elementary teeth located at the pronounced poles of the armature is determined by the equality b _Z1 = k · t _Z1 , while t _Z1 and t _Z2 are the tooth divisions of the pronounced poles of the armature and the cores of the inductor, respectively, between the number of pronounced poles of the armature Z _1P , the number of phases of the m-phase coil winding of the armature m, the total number of teeth of the armature Z ₁ and the number of teeth of each core in of the duct Z ₂ , the ultimate connection is established, which is necessary for the machine to work and obtain the best energy performance at the maximum specific moment on the shaft, which is expressed by equalities (1), (2), (3):

where Z _1m = 1, 2, 3, 4, ... is the number of pronounced anchor poles in phase, K = 0, 1, 2, 3, ... is a non-negative integer, t _Z1 = 360 ° / (Z _1P · (Z _1S + K)) and t _Z2 = 360 ° / Z _{2 are} determined in angular measurement, the coils of the m-phase armature winding in the phase are interconnected counter magnetically.

2. The electric gear machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the armature is located outside, the inductor inside.

3. The electric gear machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the inductor is located outside, the armature inside.

4. An electric gear machine with axial excitation according to claim 1, characterized in that the phases of the armature winding are connected “into a star”.

5. The electric axial drive gearbox according to claim 1, characterized in that the phases of the armature winding are connected “into a polygon”.

6. Electric axial excitation gearbox according to claim 1, characterized in that the inductor coils of the inductor are interconnected in series.

7. Electric axial excitation gearbox according to claim 1, characterized in that the inductor coils of the inductor are connected in parallel.

8. The electric axial excitation reducer machine according to claim 1, characterized in that the inductor excitation winding is supplied through contact rings and brushes from an independent source of constant (rectified) voltage.

9. The axial-excited electric reduction machine according to claim 1, characterized in that the inductor excitation winding is supplied from the output ends of the phases of the m-phase armature winding through the m-phase diode bridge, brushes and slip rings.