RU2848351C1 - Electric machine - Google Patents
Electric machineInfo
- Publication number
- RU2848351C1 RU2848351C1 RU2025106317A RU2025106317A RU2848351C1 RU 2848351 C1 RU2848351 C1 RU 2848351C1 RU 2025106317 A RU2025106317 A RU 2025106317A RU 2025106317 A RU2025106317 A RU 2025106317A RU 2848351 C1 RU2848351 C1 RU 2848351C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stator
- teeth
- magnetic
- electric machine
- inductor
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике и машиностроению, в частности к электрическим машинам переменного и однонаправленного импульсного электричества с аппроксимацией синусоиды.The invention relates to electrical engineering and mechanical engineering, in particular to electrical machines of alternating and unidirectional pulsed electricity with a sine wave approximation.
Из уровня техники известны электрических машин с со статорами для внутренних асинхронных и синхронных электродвигателей однофазного и многофазного переменного или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды и наружным статором генератором. В основу предлагаемого изобретения за аналог взяты Патент RU 2737316 от 27.11.2020. В указанном известном решении статор электрической машины содержит магнитопровод в виде контура с четным количеством внутренних зубьев, между которыми вокруг магнитопровода намотаны обмотки, расположенные по разные стороны относительно каждого зуба обмотки соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков. В результате магнитного взаимодействия магнитных потоков, направлены навстречу друг другу, на корнях зубьев магнитопровода статора, происходит сцепление этих магнитных потоков с коэффициент магнитного сцепления М, который учитывается со знаком плюс, а значит, их магнитное поле усиливается. Таким образом, на корне зуба магнитопровода генерируется переменное магнитное поле, меняющее свою полярность по синусоиде переменного электричества.The prior art includes electric machines with stators for internal asynchronous and synchronous electric motors with single-phase and multiphase alternating or unidirectional pulsed current with a sine wave approximation and an external stator generator. The proposed invention is based on Patent RU 2737316 dated November 27, 2020. In this prior art solution, the stator of the electric machine comprises a magnetic circuit in the form of a loop with an even number of internal teeth, between which windings are wound around the magnetic circuit. The windings are located on opposite sides of each tooth and are connected in opposite directions, creating magnetic fluxes in different directions. As a result of the magnetic interaction between the magnetic fluxes, directed toward each other, these magnetic fluxes are coupled at the roots of the stator magnetic circuit teeth. The magnetic coupling coefficient M is calculated with a positive sign, thereby amplifying their magnetic field. Thus, an alternating magnetic field is generated at the root of the magnetic circuit tooth, changing its polarity according to the sinusoid of alternating electricity.
Недостатком электрической машины известного решения является применении в нем статора для асинхронных или синхронных двигателей переменного тока или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды с внутренним короткозамкнутым ротором, с применением короткозамкнутых витков для экранирования части полюсных наконечниках статора - патент Елиуй Томсона (Thomson, Elihu, "Alternating-Current Magnetic Device", (Магнитное устройство переменного тока) US 428650 published 8 August 1888, issued 27 May 1890). Применение его в электрических машинах малой мощности показывает прекрасные технические результаты. А вот в машинах более высокой мощности с его применением возникают проблемы, так как приходится ставить более объемное замкнутое кольцо, а приводит к уменьшению тела статорного наконечника и соответственно к снижению его механической прочности.A disadvantage of the known electric machine solution is the use of a stator for asynchronous or synchronous AC motors or unidirectional pulsed current with a sine wave approximation and an internal squirrel-cage rotor, using squirrel-cage turns for shielding part of the stator pole pieces (patent by Elihu Thomson, "Alternating-Current Magnetic Device", US 428650, published August 8, 1888, issued May 27, 1890). Its use in low-power electric machines shows excellent technical results. However, in higher-power machines, its use poses problems, since it is necessary to install a larger closed ring, which leads to a decrease in the body of the stator pole piece and, accordingly, to a decrease in its mechanical strength.
Кроме того, из-за увеличения объема короткозамкнутого витка и его постоянного перемагничивания происходит увеличение его нагрева, что приводит к дополнительному нагреву всего магнитопровода статора и соответственно электромагнитных катушек.In addition, due to the increase in the volume of the short-circuited turn and its constant remagnetization, its heating increases, which leads to additional heating of the entire stator magnetic circuit and, accordingly, the electromagnetic coils.
Технической задачей данного изобретения является повышение экономичности электродвигателя, уменьшение нагрузки на сеть и увеличение диапазона регулирования частоты вращения, увеличение охлаждения электромагнитных катушек статора и его магнитопровода, за счет уменьшении обратного напряжения возникающего на катушках статора электродвигателя двигателя, возникающего вод действием переменных магнитных сил ротора (электромагнитные силы ротора) работающего двигателя, уменьшении реактивной мощности асинхронного двигателя, обеспечении возможности регулирования числа оборотов и мощности электромагнитной машины питанием со ступенчатой или плавной регулировкой напряжения и частоты.The technical objective of this invention is to increase the efficiency of an electric motor, reduce the load on the network and increase the range of speed control, increase the cooling of the electromagnetic coils of the stator and its magnetic circuit, by reducing the reverse voltage arising on the stator coils of the electric motor, arising from the action of variable magnetic forces of the rotor (electromagnetic forces of the rotor) of the operating motor, reducing the reactive power of the asynchronous motor, providing the ability to regulate the speed and power of the electromagnetic machine by power supply with step or smooth regulation of voltage and frequency.
Технический результат в заявленном изобретении электрической машины достигается за счет сочетания коаксиального расположения ротора электродвигателя (короткозамкнутого или фазного ротора) с расположенного внутри магнитных полюсов статора-индуктора и расположенного с наружи статора-индуктора на его основаниях зубьев статора-генератора с обмотками электромагнитных катушек расположенными на внутренних зубьях магнитопровода статора-генератора, на которых возникает переменное электричество, под воздействием внешними переменных магнитными полюсов статора-индуктора. Указанные части электрической машины (ротор и внешний статор-генератор) работают независимо друг от друга, а между ними расположен общий для них статор-индуктор переменного магнитного поля, обмотки которого подключаются к источнику электричества однофазного и многофазного переменного или однонаправленного импульсного электричества с аппроксимацией синусоиды. Внешний статор представляет собой статор-генератор, на внутренних зубьях которого расположены обмотки, подключенные к нагрузке, причем число внутренних зубьев статора-генератора соответствует числу оснований зубьев статора-индуктора, и они расположены друг напротив друга через изолированный зазор.The technical result of the claimed electric machine invention is achieved by combining a coaxial arrangement of the electric motor rotor (squirrel-cage or phase-wound rotor) with a stator-inductor located internally with magnetic poles and a stator-generator located externally on the stator-inductor's teeth. The windings of electromagnetic coils are located on the internal teeth of the stator-generator's magnetic circuit, generating alternating current under the influence of external alternating magnetic poles of the stator-inductor. These parts of the electric machine (the rotor and external stator-generator) operate independently of each other, and a common stator-inductor of an alternating magnetic field is located between them. The windings of this stator-inductor are connected to a single-phase or multi-phase alternating current or unidirectional pulsed current source with a sine wave approximation. The outer stator is a stator-generator, on the internal teeth of which windings connected to the load are located, and the number of internal teeth of the stator-generator corresponds to the number of bases of the teeth of the stator-inductor, and they are located opposite each other through an insulated gap.
Статор-индуктор содержит магнитопровод в виде контура с зубьями, направленными во внутрь, имеющих четное количество, между которыми вокруг магнитопровода намотаны обмотки, расположенные по разные стороны относительно каждого полюсного зуба обмотки соединены встречно с возможностью создания разнонаправленных магнитных потоков. Магнитопровод статора-индуктора имеет четное количество зубьев явновыраженных магнитных полюсов (z=2, 4, 6 и т.д.) Участок магнитопровода статор-индуктор между боковыми стержнями, на которых расположены электромагнитные катушки, называются корнями зубьев статора-индуктора, на которых располагаются основания зубьев (с зубьями или без них). Таким образом статор-индуктор электрической машины имеет на корнях зубьев внутренние зубья и внешние корни зубьев без зубьев для внешнего статора генератора электрической машины. Для запуска в работу электродвигателя предлагается использовать магнитопровод с разной толщиной боковых стержней и размещением на нем в зоне магнитной нейтрали дополнительные внутренние зубья, при этом на дополнительных зубьях, со стороны утолщенной части магнитопровода и утолщенной частью статорного полюсного наконечника устанавливается магнитные шуты из стали. Количество внутренних дополнительных зубьев всегда равно количеству зубьев явновыраженных магнитных полюсов (z=2, 4, 6 и т.д.). А общее четное количество основных и дополнительных зубьев будет 4, 8, 16 и т.д. Магнитные шунты между основным и дополнительным зубьями разнотолщинного бокового стержня магнитопровода располагается параллельно электромагнитной катушки расположенной на утолщенной части бокового стержня магнитопровода. Катушки на боковом стержне магнитопровода электрически соединяются согласно последовательно или согласно параллельно. Каждая электромагнитная катушка может быть выполнена многовитковой однослойной или многослойной, при этом многовитковые слои электромагнитной катушки могут иметь параллельное или последовательное электрическое соединение. Стержневые обмотки статора-индуктора электрической машины соединены встречно последовательно или встречно параллельно. Разные комбинации электрического соединения электромагнитных катушек позволяет использовать статор электродвигателя на разные электрические параметры напряжения (В) и интенсивности потока электричества (А).The stator-inductor contains a magnetic circuit in the form of a contour with an even number of inward-facing teeth. Windings are wound between these teeth around the magnetic circuit. These windings are located on opposite sides of each pole tooth and are connected in opposite directions, creating magnetic fluxes in different directions. The stator-inductor magnetic circuit has an even number of teeth with distinct magnetic poles (z = 2, 4, 6, etc.). The section of the stator-inductor magnetic circuit between the side rods, on which the electromagnetic coils are located, is called the stator-inductor tooth roots, where the tooth bases (with or without teeth) are located. Thus, the stator-inductor of an electric machine has internal teeth on the tooth roots and external tooth roots without teeth for the external stator of the electric machine generator. To start the electric motor, it is proposed to use a magnetic core with side rods of varying thickness and additional internal teeth placed on it in the magnetic neutral zone. Magnetic shunts made of steel are installed on the additional teeth, on the side of the thickened part of the magnetic core and the thickened part of the stator pole piece. The number of internal additional teeth is always equal to the number of teeth of the salient magnetic poles (z = 2, 4, 6, etc.). The total even number of main and additional teeth will be 4, 8, 16, etc. Magnetic shunts between the main and additional teeth of the side rod of the magnetic core with different thicknesses are located parallel to the electromagnetic coil located on the thickened part of the side rod of the magnetic core. The coils on the side rod of the magnetic core are electrically connected in series or in parallel. Each electromagnetic coil can be made with a single or multi-layer multi-turn structure, with the multi-turn layers of the electromagnetic coil being electrically connected in parallel or series. The stator-inductor rod windings of the electric machine are connected in anti-series or anti-parallel. Different combinations of electromagnetic coil electrical connections allow the electric motor stator to be used with different voltage (V) and electrical flow (A) parameters.
Форма магнитопровода статора-индуктора могут быть круглой, квадратной, прямоугольной, многоугольной, эллипсной. Магнитопровод может изготавливаться как целостным, так и составным.The stator-inductor magnetic circuit can be round, square, rectangular, polygonal, or elliptical. The magnetic circuit can be manufactured as a single piece or as a composite part.
Внутренние зубья статора-индуктора и внешние основания зубьев, расположенные на одном корне магнитопровода, имеют одну и ту же магнитную полярность полюса S или N.The internal teeth of the stator-inductor and the external bases of the teeth, located on the same root of the magnetic circuit, have the same magnetic polarity of the S or N pole.
Внутри статора-индуктора находится ротор асинхронного или синхронного электрического двигателя однофазного и многофазного переменного или однонаправленного импульсного тока с аппроксимацией синусоиды. Ротор электродвигателя может быть короткозамкнутым (беличья клетка) или фазным.The stator-inductor houses the rotor of an asynchronous or synchronous electric motor, either single-phase or multi-phase, with alternating or unidirectional pulsed current, and approximates a sine wave. The rotor of the electric motor can be squirrel-cage or phase-wound.
Взаимодействие статора-индуктора и внутреннего ротора соответствует работе традиционных асинхронных двигателей однофазного и многофазного переменного или однонаправленного импульсного электричества с аппроксимацией синусоиды. Вал двухполюсного двигателя вращается с частотой 3000 об./мин., а вал четырехполюсного двигателя вращается с частотой 1500 об./мин и т.д.The interaction between the stator-inductor and the inner rotor corresponds to the operation of traditional asynchronous motors using single-phase and multi-phase alternating current or unidirectional pulsed electricity with a sine wave approximation. The shaft of a two-pole motor rotates at 3000 rpm, while the shaft of a four-pole motor rotates at 1500 rpm, and so on.
С внешней стороны статора-индуктора располагается статор-генератор с электромагнитными катушками, в которых генерируется переменное электричество и которые расположены на внутренних зубьях магнитопровода, причем количество зубьев статора-генератора соответствует количеству оснований зубьев на статоре генератора, поскольку они расположены друг напротив друга через изолированный зазор (например, через полиамидную пленку). Форма магнитопровода статора-генератора в зависимости от конструкции электрической машины может быть круглой, квадратной, прямоугольной, многоугольной, эллипсной, П-образной или иной (Ш-образной, зубчато-гребенчатой сегментной и т.п.). Магнитопровод статора-индуктора, как и магнитопровод статора-генератора, изготавливается из изолированных листов шихтованной стали, они могут быть изготовлены также и с применением технологии порошковой металлургии (например, феррита).On the outer side of the stator-inductor is a stator-generator with electromagnetic coils that generate alternating current and are located on the internal teeth of the magnetic circuit. The number of stator-generator teeth corresponds to the number of tooth bases on the generator stator, since they are located opposite each other through an insulated gap (e.g., through a polyamide film). The shape of the stator-generator magnetic circuit, depending on the design of the electric machine, can be round, square, rectangular, polygonal, elliptical, U-shaped, or other (E-shaped, toothed-comb segmented, etc.). The stator-inductor magnetic circuit, like the stator-generator magnetic circuit, is made from insulated laminated steel sheets; they can also be manufactured using powder metallurgy technology (e.g., ferrite).
Обмотки статора-генератора могут быть соединены последовательно или параллельно и соединяться отдельно или группами в зависимости от подсоединяемой к ним нагрузки, так как каждая обмотка может быть выполнена медным или алюминиевым проводом и иметь на выходе разное переменное напряжение, при этом электромагнитные катушки по электрической мощности должны быть равными между собой.The stator-generator windings can be connected in series or in parallel and connected individually or in groups depending on the load connected to them, since each winding can be made of copper or aluminum wire and have a different alternating voltage at the output, while the electromagnetic coils must be equal in electrical power to each other.
В одном из вариантов осуществления электрическая машина может быть одноконтурной, когда под контуром понимают один статор-индуктор с расположенным внутри ротором, и имеет один расположенный снаружи статор-индуктор. В то же время, в других вариантах осуществления электрическая машина может быть многоконтурной, когда несколько статоров-индукторов располагаются на одной оси (последовательно друг за другом) или на параллельных осях (параллельно друг с другом), а расположенные внутри каждого статора-индуктора роторы располагаются на одном валу или могут быть отдельными. В таком случае этом статоры-генераторы располагаются таким образом, что являются общими для всех статоров-индукторов с их внутренними роторами, т.е. для всех контуров электрической машины.In one embodiment, the electric machine may be single-circuit, whereby a circuit is defined as a single stator-inductor with an internal rotor, and has one external stator-inductor. However, in other embodiments, the electric machine may be multi-circuit, whereby several stator-inductors are arranged on the same axis (in series with one another) or on parallel axes (in parallel with one another), and the rotors located within each stator-inductor are located on the same shaft or may be separate. In this case, the stator-generators are arranged such that they are common to all stator-inductors with their internal rotors, i.e., to all circuits of the electric machine.
Электрическая машина трехфазного переменного тока может быть выполнена как в варианте с трехфазным статором-индуктором и находящимся внутри него ротором и расположенным с внешней стороны статора-индуктора трехфазным статором-генератором, так и представлять собой 3n (где n=1, 2, 3, и т.д.) однофазных электрических машин, расположенных соосно, при этом их роторы могут располагаться на одном валу или это могут быть отдельные однофазные электрические машины, включенные в трехфазную электрическую цепь (три одноконтурные машины, включенные в трехфазную электрическую сеть).A three-phase alternating current electric machine can be made either in a version with a three-phase stator-inductor and a rotor located inside it and a three-phase stator-generator located on the outside of the stator-inductor, or it can be made up of 3n (where n = 1, 2, 3, etc.) single-phase electric machines located coaxially, while their rotors can be located on one shaft, or these can be separate single-phase electric machines included in a three-phase electric circuit (three single-circuit machines included in a three-phase electric network).
Такая электрическая машина может иметь один вал с одним или двумя рабочими концами или несколько независимых друг от друга валов. Трехфазная электрическая машина может быть также трехконтурной, когда три статора-индуктора располагаются соосно, а расположенные внутри каждого статора-индуктора роторы располагаются на одном валу или могут быть отдельными (т.е. электрическая машина может иметь несколько независимых друг от друга валов).Such an electric machine may have a single shaft with one or two working ends, or several independent shafts. A three-phase electric machine can also be a three-circuit machine, where three stator-inductors are arranged coaxially, and the rotors located within each stator-inductor are located on a single shaft or can be separate (i.e., the electric machine can have several independent shafts).
Расположенные снаружи Ш-образные магнитопроводы статоров-генераторов располагаются таким образом, что являются общими для всех статоров-индукторов с их внутренними роторами. При этом обмотки статоров-индукторов электрической машины, подключенные к трехфазной электрической сети переменного тока, имеют соединение «звезда» Y. Обмотки статоров-генераторов также имеют соединение «звезда» Y.The externally mounted E-shaped magnetic cores of the stator-generators are arranged in such a way that they are common to all stator-inductors with their internal rotors. The stator-inductor windings of the electric machine, connected to a three-phase AC power grid, are connected in a Y-shaped star pattern. The stator-generator windings are also connected in a Y-shaped star pattern.
В качестве иллюстративного примера, на Фиг. 1 изображена электрическая машина в двухполюсном исполнении. Согласно Фиг. 1 статор-индуктор двухполюсной электрической машины содержит магнитопровод 1, в виде прямоугольного контура с разнотолщинным боковым стержнем 2 с расположенными на нем электромагнитными катушками 3 и 5, а также с разнотолщинным боковым стержнем 3 с расположенными на нем электромагнитными катушками 4 и 6 подключенные к источнику переменного тока. Обмотки электромагнитных катушек 3 и 4, как и обмотки электромагнитных катушек 5 и 6, соединены между собой согласно встречно и создают стержневые обмотки, которые как видно из Фиг. 1 соединены между собой встречно параллельно и подключены к источнику питания переменного электричества. Данное соединение стержневых обмоток позволяет возможностью создать разнонаправленные магнитные потоки одной полярности ФN 13 и 14 и получить мощный магнитный полюс на корне зубьев 7 между электромагнитными катушками 3 и 5, а также разнонаправленные магнитные потоки противоположной полярности ФS 15 и 16 и получить мощный магнитный полюс такой же полярности на корне зубьев 10 между электромагнитными катушками 4 и 6. Магнитопровод 1 с прямоугольной формой имеет четное количество пар совмещенных друг с другом зубьев 8 с полюсным наконечником 9 и 11 с полюсным наконечником 12, расположенных на основании корней зубьев 7 и 10. Зубья 8 с полюсным наконечником 9 и 11 с полюсным наконечником 12 направленного внутрь контура магнитопровода 1 и внутри полюсных наконечников располагается фазный или короткозамкнутый ротор.As an illustrative example, Fig. 1 shows an electric machine in a two-pole design. According to Fig. 1, the stator-inductor of the two-pole electric machine contains a magnetic circuit 1, in the form of a rectangular circuit with a side rod 2 of varying thickness with electromagnetic coils 3 and 5 located thereon, as well as with a side rod 3 of varying thickness with electromagnetic coils 4 and 6 located thereon, connected to an alternating current source. The windings of electromagnetic coils 3 and 4, like the windings of electromagnetic coils 5 and 6, are connected to each other in opposite directions and create rod windings, which, as can be seen from Fig. 1, are connected to each other in opposite directions in parallel and are connected to an alternating current power source. This connection of the rod windings makes it possible to create oppositely directed magnetic fluxes of the same polarity Ф N 13 and 14 and to obtain a powerful magnetic pole at the root of teeth 7 between electromagnetic coils 3 and 5, as well as oppositely directed magnetic fluxes Ф S 15 and 16 and to obtain a powerful magnetic pole of the same polarity at the root of teeth 10 between electromagnetic coils 4 and 6. The magnetic circuit 1 with a rectangular shape has an even number of pairs of aligned teeth 8 with pole tip 9 and 11 with pole tip 12, located at the base of the roots of teeth 7 and 10. Teeth 8 with pole tip 9 and 11 with pole tip 12 are directed inward into the contour of the magnetic circuit 1 and a phase or short-circuited rotor is located inside the pole tips.
Для автоматического запуска ротора электрической машины на боковом разнотолщинном стержне 2 между электромагнитными катушками 3 и 4, а также разнотолщинном стержне 3 между электромагнитными катушками 5 и 6 располагаются дополнительные зубья 17 и 18 без полюсных наконечников предназначенные для смещения магнитных потоков и направленных внутрь контура магнитопровода 1. Между полюсным башмаком 9 магнитного зуба одной полярности (N/S) 8 и дополнительным полюсом 17 вставлен замыкающий шунт 19, а между полюсным башмаком 12 магнитного зуба противоположной полярности (S/N) 11 и дополнительным полюсом 18 вставлен замыкающий шунт 20. Замыкающие шунты выполнены из мягкой стали ст. 3 или подобной ей. На концах дополнительного полюсов 17 происходит сложное соединение согласных магнитного потока ФS возникающем в катушке 3 и магнитного потока ФN возникающем в катушке 3 и магнитного потока ФN возникающем на магнитном зубе 8 (через замыкающий шунт 19). Соответственно на концах дополнительного полюсов 18 происходит сложное соединение согласных магнитного потока AN возникающем в катушке 5 и магнитного потока ФS возникающем в катушке 5 и магнитного потока ФN возникающем на магнитном зубе 10 (через замыкающий шунт 20). Полученные результирующие магнитные потоки на свободных углах дополнительных полюсов 17 и 18 и магнитные потоки на свободных концах магнитных башмаков 9 и 12 заставляют вращаться ротор в переменном магнитном поле статора-индуктора электрической машины.For automatic starting of the rotor of the electric machine, additional teeth 17 and 18 without pole tips are located on the lateral rod of different thicknesses 2 between the electromagnetic coils 3 and 4, as well as on the rod of different thicknesses 3 between the electromagnetic coils 5 and 6, and are intended for shifting magnetic fluxes and directed inside the contour of the magnetic circuit 1. Between the pole shoe 9 of the magnetic tooth of one polarity (N/S) 8 and the additional pole 17, a closing shunt 19 is inserted, and between the pole shoe 12 of the magnetic tooth of the opposite polarity (S/N) 11 and the additional pole 18, a closing shunt 20 is inserted. The closing shunts are made of mild steel grade 3 or similar. At the ends of the additional poles 17, a complex connection occurs between the magnetic flux Ф S arising in the coil 3 and the magnetic flux Ф N arising in the coil 3 and the magnetic flux Ф N arising on the magnetic tooth 8 (through the closing shunt 19). Accordingly, at the ends of the additional poles 18, a complex connection occurs between the magnetic flux A N arising in the coil 5 and the magnetic flux Ф S arising in the coil 5 and the magnetic flux Ф N arising on the magnetic tooth 10 (through the closing shunt 20). The resulting magnetic fluxes obtained at the free corners of the additional poles 17 and 18 and the magnetic fluxes at the free ends of the magnetic shoes 9 and 12 cause the rotor to rotate in the alternating magnetic field of the stator-inductor of the electric machine.
На наружных основания корней зубьев 7 и 10 магнитопровода 1, возникают магнитные полюса одной и той же магнитной полярности как и на соответствующих им внутренних магнитных зубьев 8 и 10. Для использования внешних магнитных потоков статора-индуктора с внешней его стороны располагается статор-генератор 21 с магнитопроводом П-образной формы с боковыми зубьями 23 и 25 имеющие полюсные наконечники 24 и 26, направленными в сторону статора- индуктора. Между внешними поверхностями оснований корней зубьев 7 и 10 статора-индуктора и полюсными наконечниками 24 и 26 статора-генератора 21 находится изоляционный зазор 22, в котором находится диэлектрический материал (например, полиамидная пленка) обеспечивающий электрическую развязку между статорами электрической машины. На зубьях статора-генератора 23 и 25 расположены электромагнитные катушки 27 и 28, в которых под воздействием переменных магнитных потоков статора-индуктора ФN и ФS возникает переменное электричество, которое можно подключить к нагрузке потребителя.On the outer roots of teeth 7 and 10 of magnetic circuit 1, magnetic poles of the same magnetic polarity arise as on the corresponding internal magnetic teeth 8 and 10. To utilize the external magnetic fluxes of the stator-inductor, a stator-generator 21 with a U-shaped magnetic circuit with lateral teeth 23 and 25 having pole pieces 24 and 26 directed towards the stator-inductor is located on its outer side. Between the outer surfaces of the roots of teeth 7 and 10 of the stator-inductor and pole pieces 24 and 26 of the stator-generator 21, there is an insulating gap 22, which contains a dielectric material (e.g., a polyamide film) providing electrical isolation between the stators of the electric machine. On the teeth of the stator-generator 23 and 25 there are electromagnetic coils 27 and 28, in which, under the influence of the alternating magnetic fluxes of the stator-inductor Ф N and Ф S, alternating electricity is generated, which can be connected to the consumer load.
Корпус электрической машины может быть выполненным из стали, дюралюминия или пластмассы. С обеих сторон в корпус двигателя вставляются боковые крышки-подшипниковые щиты с посадочным подшипниковым гнездом. Они соединяются с корпусом с помощью винтового соединения.The electric machine housing can be made of steel, duralumin, or plastic. Side bearing shields with bearing seats are inserted into the motor housing on both sides. They are connected to the housing using screws.
На вал электродвигателя жестко крепится внутренний короткозамкнутый или фазный ротор. Вал электродвигателя в зависимости от конструкции может иметь одну или две рабочие части, выходящие за корпус электродвигателя. С двух сторон вала посажены подшипники, обеспечивающие центровку вала по его оси и свободное вращение вала с роторами во время работы двигателя.An internal squirrel-cage or phase-wound rotor is rigidly attached to the electric motor shaft. Depending on the design, the electric motor shaft may have one or two working sections extending beyond the motor housing. Bearings are mounted on both ends of the shaft, ensuring the shaft is aligned with its axis and allowing free rotation of the shaft and rotors during operation.
В корпусе электромагнитного двигателя вставлен и закреплен по центральной оси своей длины с помощью винтового соединения магнитопровод статора-генератора с двумя внутренними зубьями, с разнотолщинными боковыми стержнями, вокруг которых намотаны концентрические электромагнитные катушки.In the housing of the electromagnetic motor, a stator-generator magnetic circuit with two internal teeth is inserted and secured along the central axis of its length using a screw connection, with side rods of different thicknesses, around which concentric electromagnetic coils are wound.
На боковых крышках-подшипниковых щитах расположены направляющие, на которые крепится статор-индуктор с внешними основаниями корней зубьев и внутренними зубьями с короткозамкнутыми витками и расположенными на боковых стержнях магнитопровода электромагнитными катушками. Расположение внутреннего ротора, статора-индуктора и статора-генератора относительно оси вала двигателя и соответственно друг друга строго симметрично.The side bearing shields contain guides to which the stator-inductor is mounted, with external tooth root bases and internal teeth with short-circuited turns, and electromagnetic coils located on the side rods of the magnetic circuit. The arrangement of the inner rotor, stator-inductor, and stator-generator relative to the motor shaft axis, and therefore to each other, is strictly symmetrical.
Между поверхностями внутренним ротором и статором-индуктором находится воздушный зазор с равной величиной по всей длине окружностей этих изделий. Внутренние зубья статора-генератора находится напротив наружных оснований зубьев статора-индуктора между его электромагнитными катушками. При ином выполнении, между поверхностями зубьев статора-генератора и основаниями корней зубьев статора-индуктора находится минимальный и равномерный воздушный зазор, в котором находится изоляционный диэлектрический материал (например, полиамидная пленка). После сборки двигателя подшипники с внешней стороны двигателя закрываются подшипниковыми крышками. Установка корпуса двигателя на монтажные лапы, как и вывод проводников электрических катушек статора-индуктора, и соединение их в соединительной коробке и ее расположение на корпусе двигателя или боковых крышках не является принципиальным и не рассматривается в рамках данной заявки из-за многовариантности их конструкций.Between the surfaces of the inner rotor and the stator-inductor, there is an air gap of equal size along the entire circumference of these components. The internal teeth of the stator-generator are located opposite the outer roots of the stator-inductor teeth between its electromagnetic coils. In a different design, there is a minimal and uniform air gap between the surfaces of the stator-generator teeth and the roots of the stator-inductor teeth, containing an insulating dielectric material (e.g., polyamide film). After motor assembly, the bearings on the outer side of the motor are covered with bearing caps. Mounting the motor housing on mounting feet, as well as the terminals of the stator-inductor electrical coils, their connection in the junction box, and its location on the motor housing or side covers are not critical and are not considered in this application due to the variety of design options.
В случае трехфазной двухполюсной электрической машины статоры-индукторы содержат три круглых по форме магнитопровода, расположенных по оси последовательно друг за другом в виде контуров с двумя внутренними зубьями с короткозамкнутыми витками и внешними основаниями зубьев, между которыми вокруг контура магнитопровода намотаны обмотки, подключенные к источнику трехфазного переменного тока.In the case of a three-phase two-pole electric machine, the stator-inductors contain three circular magnetic circuits, located axially one after the other in the form of contours with two internal teeth with short-circuited turns and external bases of the teeth, between which windings are wound around the contour of the magnetic circuit, connected to a three-phase alternating current source.
Обмотки, расположенные по разные стороны относительно корней зубьев магнитопровода, соединены встречно с возможностью создания магнитных потоков, направленных навстречу друг другу и имеют магнитное сцепление одной полярности на корнях зубьев. Внутри статоров-индукторов расположены роторы, жестко посаженные на вал машины, а с внешней стороны статоров-индукторов расположены на Ш-образном магнитопроводе два статора-генератора, на внутренних зубьях которых находятся обмотки, в которых возникает трехфазное переменное электричество. Зубья Ш-образных магнитопроводов располагаются напротив внешних оснований статоров-генераторов через изолированный зазор (например, полиамидной пленки).Windings located on opposite sides of the magnetic circuit's tooth roots are connected in opposite directions, creating magnetic fluxes directed toward each other and having magnetic coupling of the same polarity at the tooth roots. Rotors are located inside the stator-inductors, firmly mounted to the machine shaft. Two stator-generators are located on an E-shaped magnetic circuit on the outer side of the stator-inductors. The windings that generate three-phase alternating current are located on the inner teeth of the E-shaped magnetic circuits. The teeth of the E-shaped magnetic circuits are located opposite the outer bases of the stator-generators through an insulated gap (e.g., polyamide film).
В случае двухполюсной электрической машины на прямоугольное основание корпуса устройства с помощью винтов крепится П-образный магнитопровод статора-генератора электрической машины с расположенными на его зубьях электромагнитными катушками. На основание корпуса устройства с помощью винтов крепятся боковые крышки-подшипниковые щиты, в которых имеются посадочные отверстия для подшипников ротора. На вал двигателя с тугой посадкой надеваются короткозамкнутый или фазный ротор с таким расчетом, чтобы он находился строго по центру внутренних зубьев статора-индуктора.In the case of a two-pole electric machine, the U-shaped magnetic core of the stator-generator of the electric machine, with electromagnetic coils located on its teeth, is screwed to the rectangular base of the device housing. The side bearing shields, which contain mounting holes for the rotor bearings, are screwed to the base of the device housing. A squirrel-cage or phase-wound rotor is press-fitted onto the motor shaft so that it is precisely centered on the internal teeth of the stator-inductor.
На вал с двух сторон надеты подшипники, обеспечивающие свободное вращение закрепленного на валу ротора во время работы двигателя электрической машины. Вал электродвигателя в зависимости от конструкции может иметь один или две рабочие части, выходящие за корпус электродвигателя. После сборки машины подшипники в боковых крышках закрываются крышками подшипников (одной глухой, а второй -имеющей отверстие для вала - вариант одного рабочего конца вала или двумя с отверстиями для вала - вариант двух рабочих концов вала).Bearings are mounted on both ends of the shaft, ensuring free rotation of the rotor attached to the shaft during operation of the electric machine motor. Depending on the design, the electric motor shaft may have one or two working sections extending beyond the motor housing. After assembly, the bearings in the side covers are covered with bearing caps (one blind and one with a hole for the shaft—a single-end design—or two with holes for the shaft—a dual-end design).
Сначала на основании корпуса устанавливается одна боковая крышка и только после установки подшипника вместе с валом в свое посадочное подшипниковое место в этой боковой крышке с обратной стороны устанавливается на второй подшипник вторая боковая крышка и после этого она крепится к основанию корпуса устройства.First, one side cover is installed on the base of the housing, and only after the bearing is installed together with the shaft in its bearing seat in this side cover, the second side cover is installed on the reverse side of the second bearing and then it is attached to the base of the device housing.
Для дополнительной фиксации и центровки круглого магнитопровода статора-индуктора, он устанавливаются на направляющих, которые крепятся винтами к боковым крышкам и на которых имеются регулирующие втулки. Таким образом, обеспечивается полная центровка внутренних зубьев статора-индуктора относительно ротора и свободное вращение ротора в воздушных зазорах между этими деталями двигательной части электрической машины.To further secure and center the stator-inductor's circular magnetic core, it is mounted on guides that are screwed to the side covers and equipped with adjusting bushings. This ensures complete alignment of the stator-inductor's internal teeth relative to the rotor and free rotation of the rotor in the air gaps between these components of the electric machine's motor.
Сверху на основание П-образного магнитопровода с помощью винтов крепится верхняя крышка электрической машины, которая с помощью винтового соединения также соединяется с боковыми крышками-подшипниковыми щитами электрической машин.The top cover of the electric machine is attached to the base of the U-shaped magnetic circuit using screws, which is also connected to the side covers-bearing shields of the electric machine using a screw connection.
Установка основания корпуса генератора на монтажные лапы, как и вывод проводников электрических катушек статора-индуктора, статора-генератора и соединение их в соединительной коробке и ее расположение боковых сторонах или верхней крышке не является принципиальным и в рамках данной заявки не рассматривается из-за многовариантности их конструкций, как и возможное применение дополнительного защитного кожуха всей электрической машины.The installation of the generator housing base on the mounting feet, as well as the output of the conductors of the electrical coils of the stator-inductor, stator-generator and their connection in the junction box and its location on the sides or top cover is not fundamental and is not considered within the framework of this application due to the multivariance of their designs, as is the possible use of an additional protective casing for the entire electrical machine.
Предложенное изобретение работает следующим образом.The proposed invention works as follows.
Известно, что два магнитных полюса взаимодействуют с силой, пропорциональной произведению их количеств магнетизма и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. С учетом того, что электромагниты статора-индуктора и ротора электрического двигателя электрической машины относительно друг друга располагаются по окружности, одна из которых неподвижна (статор), а вторая совершает вращательные движения (ротор), одноименные полюса выталкивают ротор, а разноименные втягивают. Одновременно с этим магнитное поле, генерируемое по синусоиде переменного тока статором-индуктором на внешних основаниях зубьев, вызывает изменение магнитного потока в зубьях статора генератора и в соответствии с законами электромагнитной индукции на обмотках катушек статора-генератора, расположенных на них, возникнет переменное электричество, меняющееся в соответствии с изменением величины магнитного потоков статора-индуктора. Частота генерируемого переменного электричества (выходного напряжения) на обмотках статора-генератора электрической машины напрямую зависит от частоты подводимого переменного напряжения к обмоткам статора-индуктора.It is known that two magnetic poles interact with a force proportional to the product of their magnetic quantities and inversely proportional to the square of the distance between them. Considering that the electromagnets of the stator-inductor and the rotor of an electric machine's electric motor are arranged in a circle relative to each other, one of which is stationary (the stator) and the other rotating (the rotor), like poles push the rotor outward, while unlike poles pull it inward. Simultaneously, the magnetic field generated by the stator-inductor along the outer bases of the alternating current causes a change in the magnetic flux in the generator stator teeth. According to the laws of electromagnetic induction, alternating current will be generated in the windings of the stator-generator coils located on them, changing in accordance with the change in the magnetic flux of the stator-inductor. The frequency of the generated alternating electricity (output voltage) on the stator-generator windings of an electric machine directly depends on the frequency of the alternating voltage supplied to the stator-inductor windings.
Наличие дополнительных зубьев на боковых стержнях статора-индуктора и замыкающих шунтов между ними и полюсными башмаками основных зубьев, при подаче переменного тока на обмотки статора-индуктора, в двигателе электрической машины возникает пусковой момент, и ротор двигателя приходит во вращение, и он вращается постоянно в одну сторону.The presence of additional teeth on the side rods of the stator-inductor and closing shunts between them and the pole shoes of the main teeth, when alternating current is supplied to the stator-inductor windings, a starting torque arises in the electric machine motor, and the motor rotor starts to rotate, and it rotates constantly in one direction.
Подключение генераторных обмоток статора-индуктора к нагрузке не влияет на работу асинхронного двигателя электрической машины. В случае с механической перегрузки вызывающей остановку вала, двигатель переходит в режим «заторможенного вала», т.е. магнитный поток статора-индуктора будет протекать от одного магнитного полюса к другому, через ротор, который в этом случае становится просто магнитным шунтом (металлическим проводником). При снижении механической нагрузки ротор возобновит свое вращение, под воздействием магнитных сил короткозамкнутого витка.Connecting the generator windings of the stator-inductor to a load does not affect the operation of the asynchronous motor of an electric machine. In the event of a mechanical overload that causes the shaft to stall, the motor enters "stall shaft" mode, meaning the stator-inductor magnetic flux flows from one magnetic pole to the other, through the rotor, which in this case simply becomes a magnetic shunt (a metal conductor). When the mechanical load is reduced, the rotor resumes rotation, driven by the magnetic forces of the short-circuited winding.
Вращение вала с ротором может быть, как по часовой стрелке, так и против нее, но для этого необходимо повернуть ротор вала по отношению к дополнительным полюсам с замыкающими стальными шунтами статора-индуктора на 180°.The rotation of the shaft with the rotor can be either clockwise or counterclockwise, but for this it is necessary to turn the rotor shaft in relation to the additional poles with the closing steel shunts of the stator-inductor by 180°.
В случае если к обмоткам статора-генератора подключена нагрузка потребителя, генератор работает в обычном режиме т.к. его работа полностью зависит от наличия электрической мощности на обмотках статора-индуктора. А в случае не подключения обмоток статора-генератора к нагрузке потребителя и вал асинхронного двигателя не вращается - находится режиме «заторможенного вала» электрическая машина работает в режиме «холостого хода» - на выходе машины нет ни электрической, ни механической выходных мощностей, но при этом обмотки статора-индуктора потребляют подведенную переменную электрическую мощность.If a consumer load is connected to the stator-generator windings, the generator operates in normal mode, as its operation depends entirely on the availability of electrical power in the stator-inductor windings. If the stator-generator windings are not connected to a consumer load and the asynchronous motor shaft does not rotate (in "stall shaft" mode), the electric machine operates in "idle mode." There is no electrical or mechanical output power at the machine's output, but the stator-inductor windings still consume the supplied alternating electrical power.
Питание статора-индуктора электрической машины переменного тока осуществляется от сети переменного тока через блоки питания (понижающие трансформаторы) или аккумуляторы с дальнейшим применением преобразователей постоянного напряжения в переменное AC/DC. Питание статора-индуктора электрической машины однонаправленным импульсным током с аппроксимацией синусоиды осуществляется от сети постоянного тока или аккумулятора, или через устройства импульсного управления двигателем.The stator-inductor of an AC electric machine is powered from the AC grid via power supplies (step-down transformers) or batteries, followed by the use of AC/DC converters. The stator-inductor of an electric machine is powered by a unidirectional pulsed current approximating a sine wave from the DC grid or battery, or via pulse motor control devices.
В предлагаемой электрической машине максимально используется магнитные потоки статора-индуктора, короткозамкнутого ротора и статора-генератора, а в обмотках статора-индуктора значительно уменьшена возникающая в его обмотках обратное напряжение (генераторное напряжение двигателя) и уменьшена его реактивная мощность, вследствие чего обеспечивается увеличение коэффициента преобразования электрической мощности электрической машины в механическую мощность и электрическую мощность. Кроме того, обеспечено упрощение конструкции вследствие неподвижности относительно друг друга внутреннего и внешнего статоров, как это показано выше.The proposed electric machine maximizes the use of the magnetic fluxes of the stator-inductor, squirrel-cage rotor, and stator-generator. The reverse voltage (motor generator voltage) generated in the stator-inductor windings is significantly reduced, as is its reactive power. This increases the conversion efficiency of the electric machine's electrical power into mechanical power and electrical power. Furthermore, the design is simplified by the immobility of the inner and outer stators relative to each other, as shown above.
Представленные выше сведения содержат достаточное количество примеров осуществления изобретения, подтверждающих его осуществимость, возможность реализации назначения и достижения указанного технического результата.The information presented above contains a sufficient number of examples of the implementation of the invention, confirming its feasibility, the possibility of realizing the purpose and achieving the specified technical result.
Эффективность изобретения подтверждена испытанием опытных образцов электрических машин одно и многофазного переменного тока, и однонаправленного импульсного электричества с аппроксимацией синусоиды.The effectiveness of the invention has been confirmed by testing prototypes of single- and multi-phase alternating current electric machines, and unidirectional pulsed electricity with a sinusoid approximation.
В уровне техники не выявлены все включенные в независимый пункт признаки изобретения, следовательно, оно является новым. Предложенное изобретение может найти свое применение во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и жилищно-коммунальном хозяйстве.The prior art does not reveal all the features of the invention included in the independent claim; therefore, it is novel. The proposed invention can find application in all sectors of industry, agriculture, transportation, and housing and utilities.
Claims (10)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2848351C1 true RU2848351C1 (en) | 2025-10-17 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009124491A1 (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-15 | Wang Zhiping | A motor with auxiliary funtion of power generation |
| DE102012021963A1 (en) * | 2012-11-08 | 2014-05-22 | Elegant Ideas Foundation | Electric motor e.g. reluctance motor for driving movement of device, has several coils arranged between pole shoes and armature with windings that surround coils in regions along armature, so that armature is magnetized by coils |
| CN206820622U (en) * | 2017-05-24 | 2017-12-29 | 韦群庚 | A kind of pure brushless variable-speed motor of direct current arteries and veins magnetic of monopole |
| RU2719685C1 (en) * | 2019-12-07 | 2020-04-21 | Олег Михайлович Тришин | Electric motor stator |
| RU2737316C1 (en) * | 2020-05-26 | 2020-11-27 | Олег Михайлович Тришин | Electric machine |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009124491A1 (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-15 | Wang Zhiping | A motor with auxiliary funtion of power generation |
| DE102012021963A1 (en) * | 2012-11-08 | 2014-05-22 | Elegant Ideas Foundation | Electric motor e.g. reluctance motor for driving movement of device, has several coils arranged between pole shoes and armature with windings that surround coils in regions along armature, so that armature is magnetized by coils |
| CN206820622U (en) * | 2017-05-24 | 2017-12-29 | 韦群庚 | A kind of pure brushless variable-speed motor of direct current arteries and veins magnetic of monopole |
| RU2719685C1 (en) * | 2019-12-07 | 2020-04-21 | Олег Михайлович Тришин | Electric motor stator |
| RU2737316C1 (en) * | 2020-05-26 | 2020-11-27 | Олег Михайлович Тришин | Electric machine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3319100A (en) | Dynamoelectric machines | |
| US4896063A (en) | Electromagnetic induction devices with multi-form winding and reflected magnetizing impedance | |
| US11502567B2 (en) | Stator winding for a rotating electrical machine | |
| US7134180B2 (en) | Method for providing slip energy control in permanent magnet electrical machines | |
| KR101247085B1 (en) | Two conductor winding for an induction motor circuit | |
| JP3466591B2 (en) | Rotating electric machine | |
| JPS59129558A (en) | Variable speed rotary electric machine | |
| WO2012110286A2 (en) | An electrical machine | |
| CN110739891B (en) | Electric excitation synchronous reluctance brushless power generation system | |
| Dajaku et al. | An improved fractional slot concentrated winding for low-poles induction machines | |
| TW201440389A (en) | High efficiency permanent magnet machine | |
| US6891301B1 (en) | Simplified hybrid-secondary uncluttered machine and method | |
| US5796233A (en) | Multiple-stator induction synchronous motor | |
| RU2437202C1 (en) | Non-contact magnetoelectric machine with axial excitation | |
| Beik et al. | High voltage generator for wind turbines | |
| CN104038004A (en) | Alternator for power generation system | |
| Nukki et al. | Exterior-rotor permanent magnet synchronous machine with toroidal windings for unmanned aerial vehicles | |
| RU2848351C1 (en) | Electric machine | |
| US9831753B2 (en) | Switched reluctance permanent magnet motor | |
| RU2737316C1 (en) | Electric machine | |
| US10770999B2 (en) | Brushless, self-excited synchronous field-winding machine | |
| US7508107B2 (en) | High current rotating exciter | |
| RU2848350C1 (en) | Electric motor stator with two rotors | |
| CN216564875U (en) | Electric motor | |
| CN223378951U (en) | Non-rectified AC machinery |