СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД Российский патент 1998 года по МПК H02K41/25 H02K7/00 

Изобретение относится к электроприводам, а более конкретно к электроприводам машин и механизмов преимущественно с малыми и средними оборотами вращения валов рабочих органов, и может быть использовано в буровых и насосных устройствах, в гидроусилителях сверхмощных прессов, в карьерных и городских противо-смоговых вентиляторах, экранолетах, а также в производстве электроэнергии.

Известные электроприводы большой модности для машин и механизмов с малыми и средними оборотами вращения валов рабочих органов, передающие вращение непосредственно и через валы, шкивы, ремни, шестерни и прочее имеют, во-первых, предел в мощности, а точнее предел в силе крутящего момента вала, хотя для ее увеличения и применяется взаимосвязанный и многодвигательный электропривод, все же потребность в более сильном электроприводе остается, во-вторых, с помощью передаточных механизмов и непосредственно без них (дугостаторный электродвигатель) передача вращения сопровождается потерями энергии, которые считаются неизбежными и ничем не компенсируются, из-за чего производство электроэнергии с помощью электропривода не имело смысла.

Наиболее близким по назначению и некоторым конструктивным решениям является дугостаторный электродвигатель, который представляет собой статор асинхронного двигателя, выполненный в виде кругового сегмента, снабженного преимущественно обмоткой и неявно выраженными полюсами, и устроенный приставным к приводимой части машины-орудия, которая является ротором такого электрофицированного механизма.

Удаленное от центра вращения расположение статора на машине или механизме представляет собой ворот, посредством которого дуговой статор получает выигрыш в силе крутящего момента, а электродвигатель - прирост мощности. Чем больше радиус расположения статора от центра вращения на вращающейся части машины или механизма, тем больше выигрыш в силе получает электродвигатель, тем большей мощности машину или механизм он проводит во вращение, но так как электродвигатель не имеет передаточного механизма, то он не имеет и ворота, поэтому какой бы огромной величины ни был радиус расположения дугового статора на вращающейся части машины или механизма, мощность электродвигателя и мощность машины или механизма будут равными 1:1, не считая потерь, тогда как у предлагаемого электропривода, имеющего ворот - силовое колесо, это соотношение будет 1:50 и более.

Увеличение силы крутящего момента без увеличения мощности электродвигателя, компенсация потерь энергии выигрышем в силе, получение электроэнергии электроприводом гораздо больше затраченной достигается предлагаемым силовым электромеханическим приводом.

Целью изобретения является создание электропривода не только не имеющим предела в мощности, но и энергосберегающим электроприводом, который получит широкое применение в экономике и откроет возможность производства электроэнергии с помощью электропривода.

Указанная цель достигается тем, что в передаточный механизм от электродвигателя к валу машины или механика включен ворот - силовое колесо, а электродвигатели вращательного движения заменены линейными электродвигателями, которые сомкнуты в кольцо по окружности силового колеса, преобразуя поступательное движение во вращательное с выигрышем в силе во столько раз во сколько раз радиус их расположения на силовом колесе больше радиуса вала машины или механизма, приводимого во вращение силовым колесом. Таким образом, электродвигатели выигрывают не только в силе крутящего момента, но и в электроэнергии, поскольку меньшая вращающая сила уравновешивает большую вращающуюся, следовательно расходовать электроэнергии она будет во столько же раз меньше с некоторой прибавкой на потери.

Предлагаемый силовой электромеханический привод имеет основной конструктивный элемент ворот - силовое колесо, которое представляет собой металлический диск или круглую платформу сварной конструкции с валом горизонтальной или вертикальной осью вращения, который одновременно служит валом рабочего органа машины или механизма, а также валом ведущего зубчатого колеса зубчатой передачи дан одновременной работы нескольких машин или механизмов, на валы которых насажены ведомые шестерни зубчатой передачи.

Для машин и механизмов, создающих поток воздуха через силовое колесо, и для машин, требующих охлаждения в работе, силовое колесо снабжено управляемыми или воздушными лопастями, встроенными в него, а для машин и механизмов с непрерывных вращение рабочих органов силовое колесо по наибольшей окружности нагружено утяжеляющей массой, образуя с нею силовой маховик, вес которого во вращении становится силой, уравновешивающей силу на валу силового колеса, облегчая работу электродвигателей, тем самым еще больше сберегая электроэнергии.

Для более полного использования мощности силового колеса и его роли редуктора имеется зубчатая передача, с помощью которой электропривод передает вращение нескольким машинам или механикам.

Линейные электродвигатели, заменившие здесь электродвигатели вращательного движения, имеют рад преимуществ как для самих себя, так и для электропривода. Для линейных электродвигателей минимальный и постоянный воздушный зазор между индукторами и металлической полосой положительно сказывается на их работе и мощности, а для электропривода - сообщают гораздо большую скорость вращения силового колеса, упрощают передачу вращения, так как не имеют вращающихся частей.

В производстве электроэнергии силовой электромеханический привод работает с многополюсными ("тихоходными") генераторами тока, например гидрогенераторами, заменяя гидротурбину, а с помощью зубчатой передачи - несколькими гидрогенераторами любой мощности, заменяя сами гидроэлектростанции.

Строительство таких электростанций позволит отказаться от производства электроэнергии атомными, тепловыми и гидроэлектростанциях на равнинных реках, что исключит повторение Чернобыля, сжигания дорогостоящих угля, нефти и газа, перекрытия рек плотинами и затопления огромных площадей земель водохранилищами. В этом применении предлагаемый электропривод станет самым распространенным источником даровой электроэнергии, ресурсосберегающим, экологически чистым и безопасным.

На фиг. 1 - 4 - показаны схемы воротов и рычагов, поясняющих работу предложенного электропривода: фиг. 1 и 3 - схема для электропривода с зубчатой передачей и тремя машинами или механизмами; на фиг. 3 и 4 - схема для электропривода, где вал силового колеса служит валом машины или механизма. На схеме воротов фиг. 1 и 2 прямая AB - схема рычага с центром вращения в точке О. Плечи рычага AO и OB не равны, следовательно, не равны и силы F и P, приложенные в точках B и A. Величина каждой из этих сил обратно пропорциональна ее плечу. С увеличением плеча силы F в несколько раз равновесие рычага не нарушается, так как во столько же раз увеличивается сила P или уменьшается сила F во столько же раз. В то же время для ворота прямая AB, проходящая через центр вращения ворота "О" состоит из 2-х радиусов: радиуса ворота R-AO и радиуса вала ворота r-OB. Радиусы R и r не равны, значит не равны и силы, приложенные к окружности ворота в точке A и к валу ворота в точке B. Величина каждой из этих сил будет обратно пропорциональна величине ее радиуса согласно правилу: сила, приложенная к окружности ворота, во столько раз меньше силы, приложенной к валу ворота во сколько раз радиус вала ворота меньше радиуса ворота. Сила F- сила электродвигателей, вращающих ворот, сила P - сила, приложенная к валу ворота - валу машины или механизма (Учебник физики, 7 класс. Рычаг. Ворот. Изд. 1965).

Силовой электромеханический привод с вертикальной осью вращения фиг.3 и горизонтальной фиг. 4 имеет силовое колесо 1 - металлический диск (фиг. 4) или круглая платформа сварной конструкции в диаметре 50 м и более (фиг. 3) с валом 2, который одновременно является валом силового колеса 1 и валом рабочего органа машины или механизма 3, а также валом ведущего зубчатого колеса 4 зубчатой передачи, ведомые шестерни 5 которой насажены на валы нескольких машин или механизмов 6.

По окружности силового колеса 1 расположены линейные электродвигатели, двусторонние индукторы 7 которых установлены неподвижно, а металлическая полоса 8 - вторичный элемент линейных электродвигателей - закреплена на силовом колесе 1 по окружности, близкой к его наибольшей. Здесь воздушный зазор между индукторами 7 и металлической полосой 8 минимальный и постоянный, что сокращает потеря энергии и повышает их мощность, сообщают силовому колесу гораздо большую скорость вращения, чем электродвигатели вращательного движения, повышают надежность и упрощают передачу вращения, так как не имеют вращающихся частей.

Для машин и механизмов с непрерывным вращением силовое колесо 1 имеет утяжеляющую массу, это может быль железобетонное кольцо 9 (фиг. 3), стальной обод 10 (фиг. 4) или то и другое вместе (фиг. 3), образуя силовой маховик, который отличается от инерционного постоянным действием силы на центр вращения, помноженной на радиус силового колеса 1.

Наиболее наглядным примером эффективности, неограниченной мощности и экономичности предлагаемого электропривода предлагается приближенный расчет на применение гидрогенератора мощностью 1 млн. кВт, 60 об/мин (100 полюсов), диаметр вала ротора 1 м, а также линейных электродвигателей, развивающих линейную скорость около 580 км/ч или 160 м/с.

Сначала определим диаметр силового колеса. Так как генератор имеет 1 оборот в секунду, а электродвигатели имеют скорость 160 м в секунду, то это и будет длина окружности силового колеса. Разделим ее на 3,14 и получим диаметр силового колеса 50,6 м.

Затем определим мощность электродвигателей, уравновешивающую мощность генераторов. Так как электродвигатели расположены на силовом колесе в радиусе 25 м, а радиус вала генератора 0,5 м, т.е. в 50 раз меньше, мощность электродвигателей должна составить одну пятидесятую мощности генератора 20000 кВт.

Так как электропривод не имеет ограничения в мощности, то при этом в диаметре силового колеса 50,6 и диаметре генератора 20 м можно разместить от 3-х до 6-ти таких генераторов, включая центральный, вал которого является валом силового колеса и ведущего зубчатого колеса в зацеплении с пятью ведомыми, насажеными на валы пяти генераторов. Остановимся на трех, тогда мощность электростанции составит 3 млн. кВт, а мощность электродвигателей 60000 кВт, а если силовое колесо утяжелим силовым маховиком, то эта мощность электродвигателей будет излишней. Определим массу маховика: 3 млн. кВт составляют 306 млн. кГм, разделим их на 50 (выигрыш в силе), получим вес маховика - немногим более 6000 т. Кинетическая энергия этого маховика во вращении уравновесит электроэнергию генераторов, а электрическая энергия электродвигателей будет лишь поддерживать вращение и 60000 кВт не потребуется.

Чтобы построить гидроэлектростанию на 3 млн.кВт потребуется перекрыть такую реку как Ока или Кама, построить плотину, здание ГЭС, три гидротурбины и заполнить водохранилище, что не вдет ни в какое сравнение со строительством такой же мощности электростанции с предлагаемым приводом.

Предлагаемый электропривод представляет новую систему известных признаков "электродвигатель-ворот-машина", а его работа отвечает известное равенству моментов сил F•R=P•r, фиг. 2, включая также новую систему "электродвигатель-ворот-генератор", где силы надо заменить энергией, кГм; F -суммарная электроэнергия линейных электродвигателей, кГм; R - радиус ворота - силового колеса, м; P - электроэнергия генератора (генераторов), кГм; r- радиус вала генератора, м.

Количество энергий на входе системы (F•R) и выходе (P•r) будет одинаково, но количество электроэнергии на выходе будет во столько раз больше электроэнергии, затраченной электродвигателями, во сколько раз радиус силового колеса больше радиуса вала генератора.

Получение электроэнергии в гораздо большем количестве, чем затрачено на ее получение, объясняется тем, что, выигрывая в силе, электродвигатели проигрывают в расстоянии, вращая силовое колесо, которое как понижающий редуктор приобретает необходимые обороты для работы генераторов.

Охлаждение генераторов воздушное с помощью управляемых лопастей, встроенных в силовое колесо. Такую же конструкцию силового колеса можно применить в карьерных вентиляторах, противосмоговых вентиляторах больших городов и экранолетах с собственным энергоснабжением.

Для поршневых насосов и гидроусилителей силовое колесо может сообщить работу порциям с объемом цилиндров в десятки и сотни кубических метров, изменив конструкцию парового двигателя паровоза, заменив роль ведущего колеса силовым колесом предлагаемого электропривода.

Литература.

Общий курс электропривода. Чиликин М.Г. и Сандлер А.С.

Электрические машины, электропривод. Новиков А.В., Попович Н.Г. и др.

Гидроэлектростанции. Ильиных И.И..

Теория линейных асинхронных двигателей. Ямамура С.

Курс общей физики. Т.1 и др. Савельев И.В.

Силовой электромеханический привод имеет силовое колесо 1 в виде металлического диска или круглой платформы сварной конструкции с валом 2, являющимся валом рабочего органа машины, а также валом ведущего зубчатого колеса 4 зубчатой передачи, ведомые шестерни 5 насажены на валы нескольких машин или механизмов. По окружности силового колеса 1 расположены линейные электродвигатели, двусторонние индукторы которых установлены неподвижно, а вторичный элемент в виде металлической полосы 8 закреплен на силовом колесе 1. Выигрыш в силе во столько раз во сколько раз радиус расположения линейных электродвигателей больше вала машин механизма, что дает выигрыш в силе. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Силовой электромеханический привод для машин и механизмов с малыми и средними частотами вращения валов рабочих органов, состоящий из электродвигателя и передаточного механизма, который передает вращение от электродвигателя рабочему органу машины или механизма, отличающийся тем, что в передаточный механизм включен ворот - силовое колесо с валом, который одновременно служит валом рабочего органа машины или механизма, а также валом ведущего зубчатого колеса зубчатой передачи для одновременной работы нескольких машин или механизмов, на валы которых насажены ведомые шестерни зубчатой передачи, электродвигатель выполнен в виде линейных электродвигателей, сомкнутых в кольцо по окружности силового колеса, индукторы которых установлены неподвижно, а вторичный элемент - аллюминиевая полоса - закреплен на силовом колесе по окружности, близкой к его наибольшей. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что силовое колесо выполнено с лопастями, встроенными в него. 3. Привод по п.1 или 2, отличающийся тем, что силовое колесо нагружено утяжеляющей массой.