СИНХРОННАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК H02K21/22 

Изобретение относится к синхронным машинам, которые могут выдавать электрическую энергию (генераторы) или создавать крутящий момент (двигатели) и в которых поле возбуждения образовано намагниченными постоянными магнитами, вращающимися относительно якоря с явными полюсами.

Обычные генераторы постоянного тока, электродвигатели постоянного тока или синхронные генераторы и синхронные электродвигатели могут быть классифицированы по двум большим группам: тип с вращающимся якорем и тип с вращающимся полем. Устройства, в которых используются постоянные магниты, во многих случаях принадлежат к последнему типу. В любых вышеуказанных устройствах число магнитных полюсов поля и число полюсов якоря находятся в целочисленном отношении, таком как 1:1 или 1:2. Также постоянные магниты в качестве полюсов поля намагничиваются ортогонально катушкам якоря и вращаются сами по себе. Для обеспечения необходимого заданного значения магнитного поля в окрестностях магнитных полюсов обычно изменяют форму магнитных полюсов, воздушного зазора и т.д.

Например, в обычных генераторах постоянного тока или в синхронных генераторах, где постоянные магниты в качестве полюсов поля намагничиваются ортогонально в направлении относительного вращения якоря, наибольшая притягивающая сила создается, когда магнитные полюса и полюса якоря обращены друг к другу. Следовательно, вращение якоря не может происходить плавно, требуется сильный вращающийся момент [1]
Цель настоящего изобретения повышение КПД путем сглаживания кривой момента на вращающемся валу.

Синхронная машина по настоящему изобретению содержит якорь, имеющий n полюсов (причем n целое число), индуктор в виде постоянного магнита, имеющего n-1 полюсов, причем указанный постоянный магнит составляется множеством постоянных магнитов, направление намагничивания которых выполняется совпадающим или противоположным направлению вращения якоря. В дополнение, указанное множество постоянных магнитов выполнено со скосом относительно оси вращения индуктора.

Так как число полюсов якоря равно n (причем n целое число), а число полюсов постоянных магнитов, образующих поле возбуждения, n-1, то только одна пара этих полюсов постоянных магнитов и якоря может быть обращена друг к другу непосредственно. Какая-либо другая пара не может сделать этого в то же самое время. Так как полюса постоянных магнитов наклонены к оси вращения поля, созданного указанными постоянными магнитами, то притягивающая сила, создаваемая между обоими спаренными полюсами, не изменяется круто в пределах угла, пересекаемого вышеупомянутой парой полюсов, обращенных друг к другу.

Фиг. 1 продольное сечение машины, фиг.2 вид спереди на сердечник якоря, фиг. 3 конкретный пример якоря с катушечной обмоткой, имеющего 9 полюсов, фиг. 4 вид спереди постоянных магнитов, создающих поле, фиг.5 вид частичного вырыва, показывающий намагниченное состояние магнитов, фиг.6 - принципиальная схема и фиг.7 график, показывающий генерируемые напряжения, токи и крутящий момент в зависимости от нагрузки при изменяющихся скоростях вращения.

В фиг. 1 номер 1 обозначает пустотелый неподвижный вал, через который проходит вращающийся вал 2, который поддерживается с возможностью вращения подшипником 3.

На неподвижном валу установлен сердечник якоря 4, имеющий 9 полюсов (n 9 в этом примере), как показано в фиг.2, причем каждый из указанных полюсов n₁ n₉ имеет катушечную обмотку. Фиг.3 иллюстрирует обмотку для нечетного числа полюсов. Провода обмотки в фазе A представлены сплошной линией, провода в фазе B пунктирной линией, а провода в фазе С - штрихпунктирной линией. В виде сечения на фиг.1 катушки якоря представлены цифрой 5.

Число полюсов постоянных магнитов 7 равно n₁ 9 1 8 и, соответственно, образуется 8-полюсное поле. Следовательно, из полюсов постоянных магнитов и полюсов n₁ n₉ сердечника якоря 4 только одна пара может быть обращена друг к другу.

Так как полюса постоянных магнитов 7 наклонены к оси вращения индуктора, составленного указанными постоянными магнитами 7, то существенная притягивающая сила, создаваемая между обоими спаренными полюсами, не изменяется круто в пределах угла, пересекаемого вышеупомянутой парой полюсов, обращенных друг к другу.

Это дает такую взаимосвязь, которая близка к случаю, когда пара полюсов обращена друг к другу непосредственно, и, следовательно, изменение крутящего момента вследствие резких изменений в притягивающей силе полюса якоря 4, вызванных полюсом постоянного магнита 7, составляющего поля, очень мало.

Как показано в принципиальной схеме на фиг.6, катушки 5 соединяются вместе каждая одним концом, образуя соединение звездой.

В то же время другие концы указанных катушек соединены соответственно с промежуточной точкой между двух диодов, т.е. Д_1а и Д_1в, Д_2а и Д_2в и Д_3а и Д_3в, причем указанные Д_1а, Д_2а и Д_3а и указанные Д_1в, Д_2в и Д_3в cоответственно сгруппированы и соединены с выходом и нагрузка Р соединена на выходе.

Здесь приведен генератор постоянного тока, в котором однонаправленный ток может течь через указанную нагрузку Р.

Как описано выше, наклон в полюсах постоянных магнитов, составляющих поле, снижает изменение плотности магнитного потока, пересекающего полюса якоря 4 до и после того, как они обращены к магнитным полюсам. Электрический ток, генерируемый в катушках 5, имеет трапецеидальную форму кривой, и, как результат, сложное пульсирующее напряжение может быть уменьшено.

На фиг.7 показаны генерируемые напряжения, токи и вращающие моменты, соответствующие числу оборотов вращающего вала 2, при этом вольтметр V и амперметр А присоединены к этому генератору, как показано на фиг.6, с нагрузочным сопротивлением Р в 0, 10, 100, 470, 1000 и бесконечными омами.

Настоящий эксперимент выполнен с катушкой якоря 4 с внешним диаметром 39,4 мм, с постоянными магнитами 7 с внутренним диаметром 40 мм, которые создают поле, с катушками 5 в 140 витков из 0,16 мм изолированного медного провода и с сопротивлением катушечной намотки в 9,3 ома.

Кроме того, по настоящему изобретению ротор может быть якорем, размещенным внутри постоянных магнитов 7, с внешней стороны которых установлен индуктор. В таком случае с помощью обычных щеточных средств может отбираться электрическая энергия.

Вышеуказанное было дано исключительно для генераторов. Но, поскольку генераторы и электродвигатели по существу взаимообратимы, то необходимо сказать, что то же самое может быть применено к электродвигателям.

Cинхронная машина, содержащая якорь, имеющий n полюсов и индуктор из множества постоянных магнитов. Указанные постоянные магниты, имеющие n - 1 полюсов, обеспечивают магнитное поле при вращении относительно якоря. Постоянные магниты намагничены по окружности вращения в периферийном направлении и имеют выполненные со скосом полюса. 7 ил.

Синхронная машина, содержащая многополюсный якорь, имеющий n полюсов (n
целое число) с соответствующими обмотками, и систему возбуждения, образованную множеством постоянных магнитов, отличающаяся тем, что постоянные магниты имеют (n 1) полюсов для создания магнитного поля возбуждения при вращении относительно якоря, причем постоянные магниты намагничены вдоль направления вращения, а полюса выполнены со скосом относительно вращения системы возбуждения.