RU2340067C1

RU2340067C1 - Synchronous dc machine

Info

Publication number: RU2340067C1
Application number: RU2007114508/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Бауков (RU); Николай Александрович Бауков; Вениамин Валентинович Наумов (RU); Вениамин Валентинович Наумов
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2008-11-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: attitude of rotor winding of the offered synchronous DC machine is synchronised with instant magnetic fluxes of phase windings. Thus rotor is synchronised with rotating field so that at reference-starting point rotor positions relative to phase winding axes to provide the greatest total performance of machine. If required (e.g. for start-up operations) rotor can be fixed in this position with adjusting screw. And stator of machine is made of nonmagnetic material.

EFFECT: maximal time average transformer voltage in rotor winding and maximum voltage in brushes of this electric machine when operating as generator.

12 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к синхронным машинам.The invention relates to electrical engineering, namely to synchronous machines.

Известна электрическая машина (см. патент РФ на изобретение №2144254, кл. Н02К 31/02, «Электрическая машина», Бюллетень изобретений, №1, 2000 г.), в которой, с целью получения постоянной составляющей ЭДС в обмотке ротора, частота его вращения синхронизирована с частотой сети переменного тока. Данная машина содержит магнитную систему, состоящую из ферромагнитного ротора, вала и полюсов, закрепленных на статоре, с обмоткой возбуждения, питающейся от источника переменного напряжения, обмотку ротора, уложенную в диаметрально противоположных пазах, два токосъемных кольца, соединенных с концами обмотки ротора, и неподвижные щетки. Недостатком упомянутой электрической машины является большой диаметральный габарит при незначительной постоянной составляющей ЭДС в цепи обмотки ротора.Known electric machine (see RF patent for the invention No. 2144254, CL H2K 31/02, "Electric machine", Bulletin of inventions, No. 1, 2000), in which, in order to obtain a constant component of the EMF in the rotor winding, the frequency Its rotation is synchronized with the frequency of the AC network. This machine contains a magnetic system consisting of a ferromagnetic rotor, a shaft and poles mounted on a stator, with an excitation winding powered by an alternating voltage source, a rotor winding laid in diametrically opposed grooves, two slip rings connected to the ends of the rotor winding, and fixed brushes. The disadvantage of this electric machine is the large diametric dimension with a small constant component of the EMF in the rotor winding circuit.

Известна синхронная машина, содержащая статор с трехфазной обмоткой, ротор с обмоткой возбуждения, концы которой соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу и обеспечивающими через неподвижные щетки соединения обмотки возбуждения с сетью постоянного тока (см., например, книгу «Электрические машины и микромашины», Д.Э.Брускин, А.Е.Зохорович, B.C.Хвостов. - М.: Высшая школа, 1990, с.310, рис.8.1). Недостатком этой синхронной машины является сложная схема постоянного тока в цепи обмотки возбуждения: необходим или регулируемый источник постоянного тока (возбудитель) или управляемый выпрямитель (см., например, в той же книге с.315, рис.8.6).A synchronous machine is known, comprising a stator with a three-phase winding, a rotor with an excitation winding, the ends of which are connected to slip rings mounted on the shaft and providing through the fixed brushes connections of the excitation winding with a direct current network (see, for example, the book "Electric machines and micromachines" , D.E. Bruskin, A.E. Zokhorovich, BC Khvostov. - M.: Higher School, 1990, p. 310, Fig. 8.1). The disadvantage of this synchronous machine is the complicated direct current circuit in the field circuit: either an adjustable direct current source (exciter) or a controlled rectifier is needed (see, for example, in the same book p.315, Fig.8.6).

Наиболее близким аналогом предлагаемой машины по совокупности существенных признаков является синхронная машина, содержащая ферромагнитный статор, совмещенный с трехфазной магнитной системой, ротор с обмоткой возбуждения, вращающейся синхронно с изменением мгновенного значения фазного магнитного потока и концы которой соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу, а также неподвижные щетки, соединяющие обмотку ротора с нагрузкой (см. патент РФ на изобретение №2168833, кл. Н02К 19/12, «Синхронная машина с самовозбуждением», Бюллетень изобретений, №16, 2001 г.). Недостатком этой синхронной машины является шунтирование части магнитного потока фазных обмоток ферромагнитным статором, что ослабляет рабочий поток, проникающий через воздушный зазор в ротор, повышает потери мощности в статоре и снижает эффективность работы машины в целом. Кроме того, начальное положение обмотки ротора относительно оси фазной обмотки А при пуске машины выбрано не оптимальным по критерию максимума среднего за период значения трансформаторной ЭДС, что также снижает эффективность использования конструкции машины.The closest analogue of the proposed machine for the combination of essential features is a synchronous machine containing a ferromagnetic stator combined with a three-phase magnetic system, a rotor with an excitation winding rotating synchronously with a change in the instantaneous value of the phase magnetic flux and the ends of which are connected to slip rings mounted on the shaft, and also fixed brushes connecting the rotor winding to the load (see RF patent for the invention No. 2168833, class Н02К 19/12, “Synchronous machine with self-excitation”, Bulle Shade inventions, №16, 2001). The disadvantage of this synchronous machine is the shunting of part of the magnetic flux of the phase windings by a ferromagnetic stator, which weakens the working flow penetrating the rotor through the air gap, increases the power loss in the stator and reduces the overall efficiency of the machine. In addition, the initial position of the rotor winding relative to the axis of the phase winding A when starting the machine is not optimal according to the criterion of the maximum average value for the period of the transformer EMF, which also reduces the efficiency of using the design of the machine.

Задачей заявленного изобретения является создание синхронной машины, лишенной указанных недостатков.The objective of the claimed invention is the creation of a synchronous machine, devoid of these disadvantages.

Техническим результатом изобретения является получение средней за период максимальной величины трансформаторной ЭДС в обмотке ротора и, как следствие, максимального постоянного напряжения на щетках при работе машины, например, в режиме генератора.The technical result of the invention is to obtain the average over the period the maximum value of the transformer EMF in the rotor winding and, as a result, the maximum constant voltage on the brushes when the machine is operating, for example, in generator mode.

Технический результат достигается тем, что в синхронной машине постоянного тока, содержащей статор с закрепленными на нем тремя магнитопроводами с фазными обмотками, намотанными в плоскостях, нормальных к оси вращения, уложенными в дугообразных пазах магнитопроводов, выполненных на их внутренней и внешней поверхностях, и радиальных пазах так, что оси фазных обмоток параллельны оси вращения и сдвинуты в пространстве на угол 120°, причем каждая фазная обмотка в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения, занимает часть сектора, соответствующего центральному углу 120° и ограниченного осевым размером ярма магнитопровода, а обмотка ротора намотана в двух взаимно перпендикулярных плоскостях так, что каждый ее виток состоит из двух секций, одна из которых расположена в плоскости, нормальной к оси вращения, и уложена в кольцевом пазу ротора, а другая, состоящая из двух частей, в плоскости, проходящей через ось вращения, в аксиальных, диаметрально противоположных пазах ротора по обе стороны от кольцевого паза, при этом пространственное положение обмотки ротора синхронизировано с мгновенным значением магнитных потоков фазных обмоток, концы обмотки ротора соединены с токосъемными кольцами, закрепленными на валу и имеющими электрический контакт с неподвижными щетками, ротор установлен относительно оси фазной обмотки А в момент начала отсчета времени, когда мгновенное значение синусоидального магнитного потока фазы А равно нулю, в положение, определяющееся углами

или

между биссектрисой центрального угла 120°, соответствующего фазе А, и радиусом, проходящим через точку пересечения линии, параллельной оси вращения посредине аксиального паза, и окружности в плоскости, перпендикулярной оси вращения, посредине кольцевого паза, с возможностью фиксации ротора в этом положении технологическим винтом, а статор выполнен из немагнитного материала.The technical result is achieved by the fact that in a synchronous DC machine containing a stator with three magnetic cores mounted on it with phase windings wound in planes normal to the axis of rotation, laid in arcuate grooves of the magnetic cores made on their inner and outer surfaces, and radial grooves so that the axes of the phase windings are parallel to the axis of rotation and are shifted in space by an angle of 120 °, with each phase winding in planes perpendicular to the axis of rotation occupying a part of the sector, corresponding to angle to the central angle of 120 ° and limited by the axial size of the yoke of the magnetic circuit, and the rotor winding is wound in two mutually perpendicular planes so that each of its turns consists of two sections, one of which is located in a plane normal to the axis of rotation, and is laid in the annular groove of the rotor and the other, consisting of two parts, in a plane passing through the axis of rotation, in axial, diametrically opposite grooves of the rotor on both sides of the annular groove, while the spatial position of the rotor winding is synchronized with the magnitude of the magnetic fluxes of the phase windings, the ends of the rotor windings are connected to slip rings mounted on the shaft and having electrical contact with fixed brushes, the rotor is installed relative to the axis of the phase winding A at the time when the instantaneous value of the sinusoidal magnetic flux of phase A is zero, angled position

or

between the bisector of the central angle of 120 °, corresponding to phase A, and the radius passing through the point of intersection of a line parallel to the axis of rotation in the middle of the axial groove, and a circle in the plane perpendicular to the axis of rotation, in the middle of the annular groove, with the possibility of fixing the rotor in this position with a process screw, and the stator is made of non-magnetic material.

Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает в процессе электромагнитного взаимодействия трехфазного магнитного поля с обмоткой ротора максимальное среднее за период значение трансформаторной ЭДС при ЭДС вращения, равной нулю, что приводит к максимальной величине постоянного напряжения на щетках.The combination of the essential features listed above ensures during the electromagnetic interaction of a three-phase magnetic field with the rotor winding the maximum average value for the period of the transformer EMF at rotation EMF equal to zero, which leads to the maximum value of the constant voltage on the brushes.

На фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5 изображена принципиальная конструктивная схема предлагаемой машины, на фиг.6 - виток обмотки ротора в пространстве (заимствовано из прототипа), фиг.7 и фиг.8 поясняют постановку и план решения задачи, на фиг.9, фиг.10, фиг.11 и фиг.12 представлены результаты расчетов по поиску оптимального начального положения ротора.In figure 1, figure 2, figure 3, figure 4 and figure 5 shows a schematic structural diagram of the proposed machine, figure 6 is a coil of the rotor winding in space (borrowed from the prototype), figure 7 and figure 8 explain the statement and the plan for solving the problem, in Fig.9, Fig.10, Fig.11 and Fig.12 presents the results of calculations to find the optimal initial position of the rotor.

Синхронная машина постоянного тока (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5) содержит статор 1 в виде полого цилиндра из немагнитного материала с закрепленными на нем тремя магнитопроводами 2 (фиг.4). Магнитопровод 2 имеет два полюса 3 и ярмо 4, образованные двумя дугообразными пазами на внутренней 5 и внешней 6 поверхностях магнитопровода 2. На ярме 4 намотана фазная обмотка 7, показанная в виде одного витка. Магнитопроводы 2 с фазными обмотками 7 закреплены на статоре 1 так, что оси 8 фазных обмоток 7 параллельны оси вращения (на фиг.2 они показаны точками рядом с обозначением фаз А, В, С) и сдвинуты в пространстве на 120°, а оси полюсов 3 перпендикулярны оси вращения и пересекаются на ней тоже под углом 120°. Оси полюсов фаз А, В и С обозначены на фиг.2 - оа, оb, ос соответственно. Магнитопроводы 2 с фазными обмотками 7 образуют симметричную трехфазную систему (фиг.5, статор 1 не показан). Между фазами А, В и С имеются радиальные пазы 9 для размещения лобовых частей фазных обмоток 7. На статоре 1 крепятся соосно два подшипниковых щита 10 и 11, в которых запрессованы подшипники 12, внутренней обоймой посаженные на вал 13. Через пластмассовую втулку 14 на валу 13 закреплены два токосъемных кольца 15, имеющие электрический контакт со щетками 16 (щеткодержатель не показан). На валу 13 закреплен ротор 17, имеющий на внешней поверхности кольцевой паз 18, выточенный в плоскости, перпендикулярной оси вращения и параллельной плоскостям витков фазных обмоток 7 так, что середина осевых размеров кольцевого паза 18 и ярма 4 магнитопровода 2 совпадают. Ротор 17 имеет также два аксиальных диаметрально противоположных паза 19 и 20 по обе стороны от кольцевого паза 18. Так что на пересечении аксиальных 19 и 20 и кольцевого 18 пазов каждый из них разделен на две половины. В пазах 18, 19 и 20 уложена обмотка ротора 21, изображенная в виде одного витка. Каждый виток 21 намотан в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в плоскости кольцевого паза 18 и аксиальных пазов 19 и 20. На фиг.1 и фиг.2 направление намотки витка 21 показано стрелками. Отметим, что на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5 фазные обмотки 7 трехфазной магнитной системы (фиг.5) и обмотка 21 ротора 17 изображены уложенными в изоляционные трубки. На фиг.6 показан виток 21 обмотки ротора 17 в пространстве. Провода аb, fe, dc и gh уложены в аксиальных пазах 19 и 20 ротора 17, а провода fng и cmb в кольцевом пазе 18 ротора 17. На фиг.3 изображен технологический винт 22, фиксирующий при необходимости (например, при пусконаладочных работах) оптимальное начальное положение ротора 17 с обмоткой 21 относительно магнитопровода 2 фазы А (подробней см. ниже). На фиг.4 и фиг.5 отверстие под технологический винт 22 не показано.The synchronous DC machine (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4 and Fig. 5) contains a stator 1 in the form of a hollow cylinder of non-magnetic material with three magnetic circuits 2 fixed to it (Fig. 4). The magnetic circuit 2 has two poles 3 and a yoke 4 formed by two arcuate grooves on the inner 5 and outer 6 surfaces of the magnetic circuit 2. A phase winding 7 is shown on the yoke 4, shown as a single coil. Magnetic cores 2 with phase windings 7 are mounted on the stator 1 so that the axes 8 of the phase windings 7 are parallel to the axis of rotation (in figure 2 they are shown by dots next to the phase designation A, B, C) and are shifted in space by 120 °, and the axis of the poles 3 are perpendicular to the axis of rotation and intersect on it also at an angle of 120 °. The axis of the poles of phases A, B and C are indicated in figure 2 - oa, ob, oc respectively. Magnetic cores 2 with phase windings 7 form a symmetric three-phase system (Fig. 5, stator 1 is not shown). Between phases A, B and C there are radial grooves 9 for accommodating the frontal parts of the phase windings 7. On the stator 1 are mounted coaxially two bearing shields 10 and 11, in which bearings 12 are pressed in, fitted with an inner race on the shaft 13. Through a plastic sleeve 14 on the shaft 13, two slip rings 15 are mounted, having electrical contact with the brushes 16 (brush holder not shown). A rotor 17 is mounted on the shaft 13, having an annular groove 18 on the outer surface, machined in a plane perpendicular to the axis of rotation and parallel to the planes of the windings of the phase windings 7 so that the middle axial dimensions of the annular groove 18 and the yoke 4 of the magnetic circuit 2 coincide. The rotor 17 also has two axially diametrically opposite grooves 19 and 20 on either side of the annular groove 18. So, at the intersection of the axial 19 and 20 and the annular 18 grooves, each of them is divided into two halves. In the grooves 18, 19 and 20 laid the winding of the rotor 21, depicted in the form of a single turn. Each turn 21 is wound in two mutually perpendicular planes: in the plane of the annular groove 18 and the axial grooves 19 and 20. In FIG. 1 and FIG. 2, the direction of winding of the turn 21 is shown by arrows. Note that in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, and FIG. 5, the phase windings 7 of the three-phase magnetic system (FIG. 5) and the winding 21 of the rotor 17 are shown stacked in insulating tubes. Figure 6 shows the coil 21 of the winding of the rotor 17 in space. The wires ab, fe, dc and gh are laid in the axial grooves 19 and 20 of the rotor 17, and the wires fng and cmb in the annular groove 18 of the rotor 17. Figure 3 shows the technological screw 22, fixing if necessary (for example, during commissioning) the optimal the initial position of the rotor 17 with the winding 21 relative to the magnetic circuit 2 of phase A (see below for more details). In Fig.4 and Fig.5, the hole for the process screw 22 is not shown.

Предлагаемая синхронная машина постоянного тока работает, например в режиме генератора, следующим образом.The proposed synchronous DC machine operates, for example, in generator mode, as follows.

Из описания конструкции следует, что магнитное поле трехфазной магнитной системы предлагаемой синхронной машины является одновременно пульсирующим Ф_n и вращающимся Ф_вр, при этом зоны их взаимодействия с проводниками обмотки 21 ротора 17 (фиг.6) различны. Оси полюсов 3 пересекаются на оси вращения машины под углом 120°, поэтому в воздушном зазоре между полюсами 3 и ротором 17 магнитное поле вращается как в любой электромагнитной трехфазной системе. Назовем эту зону зоной вращающегося поля Ф_вр. Но в этой зоне вращаются синхронно с полем Ф_вр проводники аb, fe, dc и gh (фиг.6) обмотки 21 ротора 17. Поэтому ЭДС вращения е_вр в витке фиг.6 равна нулю. Одновременно провода fng и cmb обмотки 21 ротора 17 вращаются в зоне пульсирующего потока (объем, ограниченный центральным углом 120°, соответствующим магнитопроводу 2 фазы, и осевым размером р ярма 4 (см. фиг.1)) в плоскости, параллельной плоскостям витков фазных обмоток 7, в силу чего в любой момент времени провода fng и cmb пересекаются пульсирующими магнитными потоками Ф_П, создающимися токами фазных обмоток 7. По этой причине в проводах fng и cmb возбуждается трансформаторная ЭДС е_mp, среднее значение которой за период одной и той же полярности. В режиме холостого хода машины напряжение на щетках 16 постоянно и равно среднему за период значению трансформаторной ЭДС e_mp.From the description of the design it follows that the magnetic field of the three-phase magnetic system of the proposed synchronous machine is simultaneously pulsating F _n and rotating F _BP , while the zones of their interaction with the conductors of the winding 21 of the rotor 17 (Fig.6) are different. The axis of the poles 3 intersect on the axis of rotation of the machine at an angle of 120 °, so in the air gap between the poles 3 and the rotor 17, the magnetic field rotates as in any electromagnetic three-phase system. We call this zone the zone of the rotating field Ф _VR . But in this zone, the conductors ab, fe, dc and gh (FIG. 6) of the winding 21 of the rotor 17 rotate synchronously with the field Ф _BP . Therefore, the EMF of rotation e _BP in the turn of FIG. 6 is zero. At the same time, the wires fng and cmb of the windings 21 of the rotor 17 rotate in the zone of the pulsating flow (the volume limited by a central angle of 120 ° corresponding to the phase 2 magnetic circuit and the axial dimension p of yoke 4 (see Fig. 1)) in a plane parallel to the planes of the windings of the phase windings 7, due to which at any moment the wires fng and cmb intersect with pulsating magnetic fluxes Ф _П , created by the currents of the phase windings 7. For this reason, transformer EMF e _{mp is} excited in the wires fng and cmb, the average value of which for a period of the same polarity . In the idle mode of the machine, the voltage on the brushes 16 is constant and equal to the average value of the transformer EMF e _mp for the period.

Это доказано в материалах патента РФ №2168833, однако остался нерешенным вопрос об оптимальном (по критерию максимума е_mp) начальном положении ротора 17 с обмоткой 21 относительно начала отсчета времени t=0 при пуске машины, за который принят момент времени, когда мгновенное значение синусоидального магнитного потока фазы А равно нулю. Ниже на основании математического анализа находится упомянутое оптимальное начальное положение ротора 17 и обмотки 21.This is proved in the materials of the patent of the Russian Federation No. 2168833, but the question of the optimal (by the criterion of maximum e _mp ) initial position of the rotor 17 with the winding 21 relative to the time t = 0 at the start of the machine, for which the time is taken when the instantaneous value is sinusoidal, remains unresolved. The magnetic flux of phase A is zero. Below, based on a mathematical analysis, the mentioned optimal initial position of the rotor 17 and the winding 21 is found.

На фиг.7. дан разрез предлагаемой синхронной машины плоскостью А-А (фиг.1), где показаны ярмо 4 каждого магнитопровода 2, фазные обмотки 7, оси фазных обмоток фаз А, В и С 8, радиальные пазы 9 и провода fng и cmb (стрелками показано направление намотки, остальные детали фиг.2 не показаны), изображенные в положении когда угол α между биссектрисой центрального угла 120°, соответствующего фазе А, и радиусом оk, проходящим через точку k (фиг.2 и фиг.7), лежащую на пересечении линии, проведенной посредине аксиального паза 19 параллельно оси вращения, и окружности, проходящей через середину кольцевого паза 18 в плоскости, перпендикулярной оси вращения, равен нулю (α=0). Величина этого угла может быть любой в пределах 360°≥α≥0 и определяет начальное положение обмотки 21 ротора 17 при работе машины. Задача заключается в том, чтобы найти такие значения угла α, когда трансформаторная ЭДС в проводникам fng и cmb e_mp максимальна. Отметим, что на фиг.7 показана зона пульсирующего потока фазы А, ограниченная центральным углом 120° и осевым размером р ярма 4 магнитопровода 2 (см. фиг.1), с другой стороны длина дуги 120° по внутреннему радиусу R_вн ярма 4, умноженная на осевой размер р ярма 4, есть максимальная площадь S_m, через которую проходит пульсирующий магнитный поток Ф_n фазы, пересекая проводники fng и cmb и входя в ротор 17 (на фиг.7 не показан),7. a section of the proposed synchronous machine is given by plane AA (Fig. 1), where yoke 4 of each magnetic circuit 2, phase windings 7, axis of phase windings of phases A, B and C 8, radial grooves 9 and wires fng and cmb are shown (arrows show the direction windings, other details of FIG. 2 are not shown), depicted in the position when the angle α between the bisector of the central angle 120 ° corresponding to phase A and the radius ok passing through point k (FIG. 2 and FIG. 7) lying at the intersection of the line drawn in the middle of the axial groove 19 parallel to the axis of rotation, and a circle passing minutes through the middle of the annular groove 18 in a plane perpendicular to the axis of rotation is zero (α = 0). The value of this angle can be any within 360 ° ≥α≥0 and determines the initial position of the winding 21 of the rotor 17 during operation of the machine. The task is to find such values of the angle α when the transformer EMF in the conductors fng and cmb e _{mp is} maximum. Note that Figure 7 shows the area A pulsating flow phase bounded by a central angle of 120 ° and the axial dimension p 2 magnetic yoke 4 (see FIG. 1) on the other side of the arc length of 120 ° of the inner radius R _ext yoke 4, multiplied by the axial size p of yoke 4, there is a maximum area S _m through which the pulsating magnetic flux Φ _{n of the} phase passes, crossing the conductors fng and cmb and entering the rotor 17 (not shown in Fig. 7),

При вращении ротора 17 провода fng и cmb в течение периода непрерывно меняют свое положение относительно зон пульсирующих потоков Ф_n фаз. Поэтому площадь, через которую проходит пульсирующий поток фазы, пересекающий проводники fng и cmb (назовем эту площадь активной), за все время периода изменяется.When the rotor 17 rotates, the wires fng and cmb continuously change their position relative to the zones of pulsating flows Ф _n phases during the period. Therefore, the area through which the pulsating phase flow passes, crossing the fng and cmb conductors (let's call this area active), changes over the entire period of the period.

Рассмотрим сначала, как изменяются активные площади фаз при вращении проводника fng из начального положения, показанного на фиг.7. В этом положении активные площади фазы A S_a=0,5·S_m, фазы В S_в=0, фазы С S_c=S_m. При повороте обмотки 21 ротора 17 на угол, например, ωt=30° провод займет положение f'n'g'. Тогда активные площади будут S_с=0,75·S_m, S_в=0, S_c=0,75·S_m и так далее. Изменение мгновенного значения активной площади всех фаз за период показано на фиг.8 для α=0. Сплошной, штрихпунктирной и пунктирной линиями изображены зависимости S_a (t), S_в (t) и S_c (t) соответственно. Отметим, что физическим смыслом нормирующей функции F, используемой в прототипе (см. описание к патенту РФ №2168833), является фактически активная площадь фаз.Let us first consider how the active areas of the phases change during the rotation of the conductor fng from the initial position shown in Fig. 7. In this position, the active area of the phase AS _a = 0,5 · S _m, S phase B _at 0, phase C S _c = S _m. When the winding 21 of the rotor 17 is rotated through an angle, for example, ωt = 30 °, the wire will occupy the position f'n'g '. Then the active area _to be S = 0.75 S · _m, _in S = 0, S _c = S · 0.75 _m and so on. The change in the instantaneous value of the active area of all phases over a period is shown in Fig. 8 for α = 0. The solid, dash-dot, and dashed lines show the dependences S _a (t), S _in (t), and S _c (t), respectively. Note that the physical meaning of the normalizing function F used in the prototype (see the description of the patent of the Russian Federation No. 2168833) is actually the active phase area.

Как было указано выше, в обмотке 21 ротора 17 предлагаемой синхронной машины имеет место только трансформаторная ЭДС от фаз А, В и С соответственноAs mentioned above, in the winding 21 of the rotor 17 of the proposed synchronous machine, only transformer EMF from phases A, B and C takes place, respectively

где B_а, B_в В_с - магнитные индукции пульсирующих полей фаз А, В и С.where B _a , B _in B _with - magnetic induction of the pulsating fields of phases a, b and C.

Разлагая трапецеидальные периодические функции фиг.8 в ряды Фурье (см., например, кн.: И.Н.Бронштейн и К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Наука, М.: 1965, с.556), получаем для нашего случая

Expanding the trapezoidal periodic functions of Fig. 8 in Fourier series (see, for example, the book: I.N. Bronstein and K.A. Semendyaev. A reference to mathematics for engineers and students of technical colleges. Nauka, Moscow: 1965, p. 566 ), we obtain for our case

Зависимости (5), (6) и (7) написаны при предположении, что S_m=1 (см. формулу (1)).Dependencies (5), (6) and (7) are written under the assumption that S _m = 1 (see formula (1)).

В симметричной трехфазной магнитной системе мгновенные значения индукции фаз изменяются по законамIn a symmetric three-phase magnetic system, the instantaneous values of the phase induction change according to the laws

а их производные будутand their derivatives will be

Зная соотношения (5), (6), (7) и (11), (12), (13), можно по формулам (2), (3), (4) рассчитать зависимости трансформаторных ЭДС e_a(t), e_b(t), е_с(t) в проводе fng от воздействия пульсирующего магнитного потока каждой фазы от времени при любом угле α в течение периода 2π≥α≥0. Для оценки среднею за период значения ЭДС при различных углах α необходимо взять интегралы от (2), (3), (4) за период и их сложитьKnowing relations (5), (6), (7) and (11), (12), (13), it is possible by formulas (2), (3), (4) to calculate the dependences of transformer EMF e _a (t), e _b (t), e _c (t) in the wire fng from the action of the pulsating magnetic flux of each phase from time to time at any angle α during the period 2π≥α≥0. To estimate the average EMF value over a period at various angles α, it is necessary to take the integrals from (2), (3), (4) for the period and add them

а затем найти максимум функции f(α).and then find the maximum of the function f (α).

Данная задача была решена в среде пакета программ для математических и инженерных расчетов MATHCAD v.11.This problem was solved in the environment of MATHCAD v.11 software package for mathematical and engineering calculations.

При расчетах в выражениях (11), (12) и (13) амплитуда В_m·ω была принята за единицу В_m·ω=1.In the calculations in expressions (11), (12) and (13), the amplitude В _m · ω was taken as a unit В _m · ω = 1.

На фиг.9 показана аппроксимация функций фиг.8 рядами Фурье (5), (6), (7), на фиг.10 представлен график зависимости (14). Последний показывает, что при

и

функция (14) имеет максимальные по модулю значения. Следовательно, начальные положения обмотки 21 ротора 17, соответствующие данным величинам угла α, являются оптимальными. На фиг.11 даны графики зависимостей (2), (3), (4), полученные при оптимальном угле

а также сумма их мгновенных значений за период (показано жирной линией). Средняя за период постоянная составляющая трансформаторной ЭДС в проводе fng равна 0,79 от амплитудного значения E_m=B_m·S_m·ω одной фазы. Отметим, что на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 ротор 17 с обмоткой 21 изображен в одном из оптимальных положений, а именно при

Fig. 9 shows an approximation of the functions of Fig. 8 by Fourier series (5), (6), (7), Fig. 10 shows a graph of the dependence (14). The latter shows that for

and

function (14) has maximum values in absolute value. Therefore, the initial position of the winding 21 of the rotor 17, corresponding to the given values of the angle α, are optimal. Figure 11 shows graphs of the dependencies (2), (3), (4) obtained at the optimal angle

as well as the sum of their instantaneous values for the period (shown by the bold line). The average constant component of the transformer EMF over the period in the wire fng is 0.79 of the amplitude value E _m = B _m · S _m · ω of one phase. Note that in figure 1, figure 2 and figure 3, the rotor 17 with the winding 21 is depicted in one of the optimal positions, namely when

Подобным образом были проведены расчеты для определения максимального значения трансформаторной ЭДС в проводе cmb за период. Результаты оказались идентичными, приведенным выше для ЭДС в проводе fng. На фиг.12 показан график изменения мгновенного значения ЭДС в обмотке 21 ротора 17 за период (суммарная ЭДС проводов fng и cmb), средняя величина которой составляет 1,58 от амплитуды ЭДС одной фазы. Отметим, что в прототипе это число составляет лишь 1,368. Это свидетельствует о том, что в прототипе начальное положение обмотки якоря взято не оптимальным (см. описание патента РФ на изобретение №2168833, фиг.7). В оптимальном начальном положении ротор машины (см. там же) должен быть сдвинут на угол 30° против часовой стрелки.Similarly, calculations were performed to determine the maximum value of the transformer EMF in the cmb wire for a period. The results were identical to those given above for the EMF in the fng wire. On Fig shows a graph of the instantaneous value of the EMF in the winding 21 of the rotor 17 for the period (the total EMF of the wires fng and cmb), the average value of which is 1.58 of the amplitude of the EMF of one phase. Note that in the prototype this number is only 1,368. This indicates that in the prototype the initial position of the armature winding is not optimal (see the description of the patent of the Russian Federation for the invention No. 2168833, Fig. 7). In the optimal starting position, the rotor of the machine (see ibid.) Should be shifted 30 ° counterclockwise.

Достоинством предлагаемой синхронной машины является повышение эффективности ее работы за счет повышения рабочего магнитного потока в зазоре машины и за счет определения оптимального начального положения ротора. Кроме того, существенно упрощается схема возбуждения предлагаемой машины. При подключении к щеткам 16 сопротивления по обмотке 21 ротора 17 пойдет постоянный ток, который будет одновременно и током возбуждения. Поэтому ток возбуждения автоматически увеличивается с ростом нагрузки, что повышает устойчивость работы машины без специальных систем регулирования тока возбуждения (см., например, кн.: Б.Ф.Токарев. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1990, с 415). Но главный результат в том, что фактически получен генератор постоянного тока, не содержащий в силовой цепи коллектора, других коммутаторов или выпрямителей. Дальнейшие исследования электромагнитных процессов в заявляемой машине приведут к разработке и промышленному использованию нового класса электрических машин.The advantage of the proposed synchronous machine is to increase the efficiency of its work by increasing the working magnetic flux in the gap of the machine and by determining the optimal initial position of the rotor. In addition, significantly simplifies the excitation circuit of the proposed machine. When a resistance is connected to the brushes 16, a direct current will flow along the winding 21 of the rotor 17, which will also be the excitation current. Therefore, the excitation current automatically increases with increasing load, which increases the stability of the machine without special systems for regulating the excitation current (see, for example, the book: B.F. Tokarev. Electric machines. M: Energoatomizdat, 1990, p. 415). But the main result is that a direct current generator is actually obtained that does not contain a collector, other switches or rectifiers in the power circuit. Further studies of electromagnetic processes in the inventive machine will lead to the development and industrial use of a new class of electrical machines.

Claims

A synchronous DC machine comprising a stator with three magnetic cores mounted on it with phase windings wound in planes normal to the axis of rotation, laid in arcuate grooves of the magnetic cores made on their inner and outer surfaces, and radial grooves so that the axis of the phase windings are parallel rotation axes and are shifted in space by an angle of 120 °, with each phase winding in planes perpendicular to the axis of rotation occupying part of a sector corresponding to a central angle of 120 ° and limited axial yoke of the magnetic circuit, and the rotor winding is wound in two mutually perpendicular planes so that each of its turns consists of two sections, one of which is located in a plane normal to the axis of rotation, and is laid in the annular groove of the rotor, and the other, consisting of two parts, in a plane passing through the axis of rotation, in axial, diametrically opposite grooves of the rotor on both sides of the annular groove, while the spatial position of the rotor winding is synchronized with the instantaneous values of the magnetic fluxes of the phases windings, the ends of the rotor windings are connected to slip rings mounted on the shaft and having contact with fixed brushes, characterized in that the rotor is installed relative to the axis of the phase winding A at the time when the instantaneous value of the sinusoidal magnetic flux of phase A is zero, in the position determined by the angles α = π / 2 and α = 3π / 2 between the bisector of the central angle 120 ° corresponding to phase A and the radius passing through the point of intersection of the line parallel to the axis of rotation in the middle of the axial groove, and a circle in a plane perpendicular to the axis of rotation, in the middle of the annular groove, with the possibility of fixing the rotor in this position with a process screw, and the stator is made of non-magnetic material.