Промышленная электротехника неизбежно связана с необходимостью обеспечеиия работы несимметричных нагрузок электрических сетей, значительно снижающих эффективность и качество эксплуатационных параметров установок.
Так как промышленная электротехника основана на классической электродинамике, объективно исторически содержащей противоречащий действительности принцип [1], что (1), то на практике применяют многочисленные трудоёмкие мероприятия и сложные приспособления для симметрирования нагрузок электрических сетей ( соединения типа «зигзаг» и т.п.) и предотвращения аварийных ситуаций вследствие несимметричности режимов их работы [2].
Вместе с тем, самоочевидный вывод магнитодинамики [1] об электромагнитной индукции при изменении магнитного натяжения вблизи проводника во времени :
(2) (3)
обращает внимание на принципиальную возможность решения задач симметрирования нагрузок с помощью конструктивного регулирования расстояний между взаимодействующими обмотками.
В традиционном электродинамическом анализе подобный вывод можно получить лишь путем длительных преобразований по избавлению из выражений самой величины силовой характеристики - магнитной напряженности H через многоэтапные замены переменных параметров, заранее зная на основании эмпирического закона Фарадея о существовании такой величины – электродвижущей силы электромагнитной индукции.
Для иллюстрации объективности наших выводов (2) и (3) рассмотрим несколько подобных примеров.
I-1. Зигзагообразная обмотка.
Как известно, взаимная индуктивность обмоток любых форм определяется их геометрическими размерами, взаимными расположением и ориентацией в пространстве, так что ЭДС индукции :
(4), где потокосцепление (5) Так как взаимная индуктивность (6),
то при известном (7) получаем зависимость ЭДС индукции
в прямом проводе при изменении тока во втором (первичном) проводе на заданном расстоянии от первого :
(8)
Если теперь разместить провод с индуцируемым током между двумя сторонами колена изогнутого первичного провода с током по (7), то и направления соответствующих ЭДС индукции во вторичном проводе противоположны друг
другу, что можно выразить уравнением: (9).
Представим теперь системы таких колен двух изогнутых проводов в виде двух зигзагообразных обмоток, как это показано на рис. I-1-1, сечение которого плоскостью перпендикулярно чертежу представится на рис. I-1-2.
1 2
Рис. I-1-1 Рис. I-1-2
На этих рис. I-1-1 и рис. I-1-2 обозначены: Н1 и Н2, К1 и К2 - начала и концы этих обмоток, Х1 и Х2 – относительные расстояния между сторонами их колен, а Ф1 и Ф2 соответствующие величины и направления общих магнитных потоков
этих колен. Из этих соображений становится наглядно понятным принцип управления величиной и направлением ЭДС индукции с помощью изменения относительного расстояния между проводами, который является самоочевидным с позиций магнитодинамики [3].
Если теперь представить трёхфазную систему таких зигзагообразных обмоток, как на рис. I-1-3, то можно обнаружить ещё одну примечательную способность этого конструктивного исполнения - возможность создавать бегущее магнитное поле.
Рис. I-1-3 Рис. I-1-4
Действительно, если представить развертку поверхности с такой обмоткой в виде плоскости , изображенной на рис. I-1-4, то при сдвиге шага зигзага фазных обмоток А, В и С между собой на величину 1/3 шага зигзага величины фазных магнитных потоков можно выразить :
(10-а)
(10-в)
(10-с)
Суммируя все эти три фазных магнитных потока в заданной точке, получим выражение общего трёхфазного магнитного потока такой зигзагообразной обмотки: (10)
Так как координата амплитуды общего магнитного потока (11), то
такая трёхфазная зигзагообразная обмотка со сдвигом фаз на 1/3 шага зигзага образует общую бегущую в направлении порядка следования фаз волну
- 2 -
магнитного потока, амплитуда которого в три раза превышает амплитуду фазного потока данной обмотки. Таким образом, в отличие от известных и широко распространенных в промышленной электротехнике волновых и петлевых обмоток, которые образуют вращающиеся магнитные потоки, зигзагообразная обмотка образует бегущую по поверхности самой обмотки волну магнитного поля [3]. Рассмотрим ряд конкретных технических решений, практически подтверждающих изложенные выше по п. I-1 выводы.
Изобретение предназначено для распределения всех фаз нагрузки по первичным фазам сети в соотношении 1 : 1 : 1 и позволяет осуществлять электропитание разнородных нагрузок трёхфазных сетей.
Рис.II-1-1. Рис.II-1-2.
На приведенных выше рис.II-1-1 и рис.II-1-2 показаны виды трансформатора сбоку и с торца с ¼ выреза радиальными плоскостями, позволяющие увидеть все конструктивные особенности изобретения. Трансформатор состоит из статора 1 с пазами 2, в которые вложена первичная трёхфазная зигзагообразная обмотка 3 со сдвигом фаз относительно друг друга на 1 / 3 шага зигзага по описанному выше на рис. I-3 и рис. I-4, и неподвижного ротора 4 с пазами 5 , в которые вложена вторичная трёхфазная зигзагообразная обмотка 6 со сдвигом фаз относительно друг друга на 1 / 3 шага зигзага аналогично обмотке 3 статора 1.
Магнитопровод 7 трансформатора снабжен торцевыми крышками 8, которые упорами 9 закреплены на осевой трубе 10 со штуцерами 11 и отверстиями 12, выходящими в каналы между магнитопроводом 7 и крышками 8 с электроизолирующими пробками 13 с выводами 14 и 15 от начал и концов фаз обмотки 3 статора 1 и обмотки 6 неподвижного ротора 4. Трансформатор в сборе укреплен на станине 16, и в трубе 10 размещен масляный насос – задвижка 17 магнитодинамического типа [5] системы охлаждения трансформатора.
При включении электропитания первичной обмотки 3 она в соответствии с выводом (10) образует по внутренней поверхности статора 1 и внешней поверхности неподвижного ротора 4 бегущую волну магнитного поля, которая индуцирует во вторичной обмотке 6 вторичный ток, распределенный по первичным фазам сети в соотношении 1 : 1 : 1 независимо от режима работы и характера нагрузки. Ясно также, что при необходимости обмотку 6 неподвижного ротора 4 такого симметрирующего трансформатора можно исполнить однофазной, что приведёт к упрощению конструкции для трёхфазно – однофазного симметрирования.
Изобретение предназначено для расширения пределов измерения измерительных механизмов в измерительных цепях переменного тока и основано на нашем выводе (9).
Рис.II-2-1.(Фиг.1 по [3]на стр.163 ) Рис.II-2-2.(Фиг.2 по [3]на стр.163)
На рис.II-2-1 показан разрез трансформатора осевой плоскостью, а на рис.II-2-2 - разрез рис. II-2-1 по А – А. Трансформатор содержит неподвижный статор 1 и подвижный ротор 2 на валу 3 в подшипниках 4 , размещенных в торцовых крышках 5 и 6 с фиксирующим устройством из кронштейна 7, винта 8 и шлица 9 на валу 3. В пазах 10 статора 1 и ротора 2 уложены первичная 11 и вторичная 12 зигзагообразные обмотки с равными шагами зигзагов и выводами по сверлениям 13 и 14 к клеммам 15 и 16 на электроизолирующих колодках 17. Трансформатор в сборе размещен на станине 18.
При включении переменного однофазного напряжения на первичную обмотку 11 во вторичной обмотке 12 индуцируется ЭДС в соответствии с уравнением (9) , величина которой определяется относительными расстояниями между коленами зигзагов обмоток 11 и 12, регулируемыми с помощью фиксирующего устройства по заданным условиям эксплуатации.
II-3. Авторегулятор магнитодинамический по заявке № 5012562 / 07 Роспатента[3].
Изобретение также основано на нашем выводе (9) и предназначено для автоматической подстройки источника электропитания к его нагрузке при независимом изменении режима её работы. На рис.II-3-1, рис.II-3-2 и рис.II-3-3 показаны соответственно вид с торца авторегулятора со стороны фиксирующего устройства, продольный и поперечный разрезы диаметральными плоскостями. Авторегулятор состоит из неподвижного статора 1 и подвижного ротора 2 на валу 3 в подшипниках 4 торцовых крышек 5 и 6. На крышке 5 укреплено фиксирующее устройство из спиральной пружины 7 и винта 8 в канавке 9 крышки 5. Статор 1 и ротор 2 имеют продольные пазы 10, в которые уложены первичная 11 и вторичная 12 однофазные или трёхфазные зигзагообразные обмотки с равными шагами зигзагов. Выводы обмоток 11 и 12 по сверлениям 13 и каналам 14 в торцовых
крышках 5 и 6 подведены к клеммам на электризолирующих колодках 15. Авторегулятор в сборе размещен на станине 16.
При включении электропитания первичной обмотки 11 во вторичной обмотке 12 индуцируется ЭДС, величина которой в соответствии с уравнением (9) определяется относительными расстояниями колен зигзагов обмоток 11 и 12, устанавливаемым фиксирующим устройством с пружиной 7 заданной положением винта 8 в канавке 9 упругости. При изменении нагрузки вторичной обмотки соответственно изменяется электромеханическое взаимодействие обмоток 11 и 12, компенсируясь реакцией пружины 7 в установленных пределах её упругости.
III. Магнитодинамические машины.
III-1.Магнитодинамический асинхронный двигатель по заявке № 5003579 / 07 Роспатента [3].
На рис.III-1-1 и рис.III-1-2 показаны вид сбоку и вид с торца с ¼ выреза радиальными плоскостями двигателя. Двигатель состоит из статора 1 , в пазах 2 которого уложена зигзагообразная трёхфазная обмотка 3, и ротора 4 , в пазах 5 которого уложена короткозамкнутая обмотка 6. Ротор 4 размещен на валу 7 в подшипниках 8 торцовых крышек 9 . Двигатель в сборе укреплен на станине 10. Выводы 11 обмотки 3 укреплены к клеммам на электроизолирующих колодках 12.
Работа двигателя основана на нашем выводе (10), поэтому он обладает повышенной устойчивостью работы при перегрузках в различных режимах.
- 5 -
Действительно, так как при включении электропитания обмотки 3 статора 1 по его внутренней поверхности образуется бегущая волна магнитного поля, то она индуцирует и увлекает за собой вторичные короткозамкнутые токи в обмотке 6 ротора 4, предотвращая образование тормозного момента при перегрузке вследствие отсутствия вращающегося магнитного потока в магнитопроводе двигателя.
Экранная электромашина основана на наших выводах (9) и (10) и позволяет улучшить масссово-габаритные показатели электромашины.
Рис.III-2-1 Рис.III-2-2
На рис.III-2-1 и рис.III-2-2 показаны вид электромашины сбоку и вид с торца с ¼ выреза радиальными плоскостями . На рис.III-2-3 и рис.III-2-4 показаны соответственно вид с торца подвижного экрана и принципиальная электросхема электромашины.
Рис.III-2-3 Рис.III-2-4
Электромашина состоит из неподвижных статора 1 и ротора 2, на которых в пазах 3 проводниками 4 выполнены зигзагообразными с равными шагами зигзагов трёхфазная обмотка 5 статора 1 и однофазная обмотка возбуждения 6 ротора 2. Между поверхностями статора 1 и ротора 2 с обмотками 5 и 6 размещена короткозамкнутая в виде «беличьего колеса» экранная обмотка 7 на валу 8 с помощью спиц 9 и втулки 10 на валу 11 в подшипниках 12 и 13 торцовых крышек 14 и 15. Выводы 16 и 17 обмоток 5 и 6 на электроизолирующих клеммных колодках 18 присоединены к электросети по заданной схеме. Электромашина в сборе установлена на станине 19.
- 6 -
При вращении вала 11 от первичного двигателя в поле обмотки возбуждения 6 экранная обмотка 7 своим короткозамкнутым током создаёт переменное магнитное поле, которое индуцирует в обмотке 5 ЭДС, образуя на выходе статора трёхфазное напряжение генератора. При подаче на клеммы статорной обмотки 5 трёхфазного напряжения её фазные токи, взаимодействуя с токами обмотки 6 возбуждения, индуцируют в экранной обмотке 7 короткозамкнутый ток, увлекают его за своим движением в соответствии с порядком следования фаз напряжения на статорной обмотке 5 и создают на валу вращательный момент двигателя. В итоге использование экранной обмотки 7 позволяет предотвратить применение скользящих контактов в цепи возбуждения электромашины.
Редуктор является генератором – двигателем , в основу работы которых положены наши выводы (9) и (10), уже использованные в выше описанных примерах . Редуктор предназначен для передачи вращательного движения с регулировкой скорости и вращающего момента в широких диапазонах при неизменных скоростях и моменте ведущего вала.
На рис.III -3-1 показан вид редуктора сбоку с ¼ выреза радиальными плоскостями, на рис.III-3-2 показана схема размещения стержней-полюсов в пазах статора, на рис.III -3-3 и на рис.III-3-4 показаны поперечные разрезы редуктора по А – А (генератора) и по Б – Б (двигателя) соответственно.
Редуктор состоит из синхронного генератора со статором 1 и индуктором 2 и асинхронного двигателя со статором 3 и ротором 4, размещенных соосно в общем корпусе. Обмотка 5 через выпрямитель 6 и резистор 7 индуктора 2 соединена с помощью контактных колец 8 и щеток 9 с генераторным выходом на переключателе 10 галетной конструкции. Обмотки статора 1 генератора и статора 3 двигателя выполнены многофазными зигзагообразными из стержней
11 с выводами 12 через отверстия 13 в статорах 1 и 3 с возможностью переключения числа фаз с помощью переключателей 10 с рукоятками
- 7 -
переключения 14 и 15 независимо друг от друга. ( Схемы подключения выпрямителя 6 с резистором 7, контактных колец 8 и щеток 9, переключателей 10 пакетного типа, являясь типовыми, на приведенных чертежах не показаны).
Рис.III -3-3 (Фиг.2 по[3], с.181) Рис.III-3-4 (Фиг.3 по [3], с.181)
Ведущий вал 16 индуктора 2 генератора и ведомый вал 17 ротора 4 двигателя установлены соосно в подшипниках 18 и 19 в торцовых крышках 20 и 21 и в подшипнике 22 перегородки 23 между статорами 1 и 3.
При вращении первичного двигателя вращается ведущий вал 16 с индуктором 5, создавая на выходе генератора многофазное напряжение, число фаз которого определяется положением рукоятки 14 переключателя 10. Напряжение генератора подводится к обмотке статора 3 двигателя, образуя по его поверхности бегущую волну магнитного поля, индуцирующего в короткозамкнутой обмотке ротора 4 вторичные токи, увлекая его за своим движением. Так как число фаз обмотки статора 3 определяется положением рукоятки 15 переключателя 10, то этим обстоятельством обеспечивается независимая регулировка скорости вращения и момента на ведомом валу 17.
Таким образом, описанные выше примеры, число которых можно увеличивать по конкретным техническим заданиям, изобретений с использованием зигзагообразных обмоток достаточно убедительно показывают высокую эффективность этого нового конструктивного решения на основе магнитодинамики.
Литература:
1.Вертинский П.А. К вопросу о полноте аксиоматики физических теорий
// Вестник ИРО АН ВШ РФ № 1(4) , БГУЭП, Иркутск , 2004,стр.126 – 149.
2.Шидловский А. К., Борисов Б. Д. Симметрирование однофазных и двуплечных электротехнологических нагрузок (установок). Киев, «Наукова думка». 1977,стр. 34 и далее и др.
3.Вертинский П.А. I. Магнитодинамика, г. Усолье-Сибирское,1993 ,222 с.
5. Вертинский П.А. Перистальтический насос// Патент № 1657737 РФ, БИ № 23/1991.
- 8 -
Библиографическая ссылка
Вертинский Павел Алексеевич - один автор МАГНИТОДИНАМИКА ЗИГЗАГООБРАЗНЫХ ОБМОТОК // Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/5039 (дата обращения: 27.04.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
(1), то на практике применяют многочисленные трудоёмкие мероприятия и сложные приспособления для симметрирования нагрузок электрических сетей ( соединения типа «зигзаг» и т.п.) и предотвращения аварийных ситуаций вследствие несимметричности режимов их работы [2]. 
(2) 
(3) 
(4), где потокосцепление 
(5) Так как взаимная индуктивность 
(6), 
(7) получаем зависимость ЭДС индукции 
(8)
(9).
, К1 и К2 - начала и концы этих обмоток, Х1 и Х2 – относительные расстояния между сторонами их колен, а Ф1 и Ф2 соответствующие величины и направления общих магнитных потоков 
(10-а)
(10-в)
(10-с)
(10)
(11), то 
