МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2005 года по МПК H02K23/04 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области электромашиностроения, представляет собой единую конструкцию генератор - двигатель, а при раздельном исполнении конструкции генератора или двигателя с магнитной или комбинированной системой возбуждения.

Магнитоэлектрическая машина может применяться в промышленности, на транспорте и в быту, как преобразователь энергии механической в электрическую - генератор, электрической в механическую - двигатель.

Уровень техники.

Изобретение новых магнитных сплавов, параметры которых на порядок превышают ныне существующие, дает основание предполагать о дальнейшем развитии конструкции магнитоэлектрических машин.

История электромашиностроения начиналась с изобретения магнитоэлектрических машин.

Так в 1832 году братьями Пикси была построена модель генератора постоянного тока, в ней коммутатор выпрямлял переменный тока индуктированный в неподвижных катушках, установленных на П-образном магнитопроводе, изменение направления поля достигалось путем вращения П-образного магнита расположенного напротив.

Данная модель выбрана в качестве аналога как обладающая совпадающими признаками с предлагаемым изобретением - магнитоэлектрическая машина - применение постоянных магнитов и катушек.

В качестве прототипа из ныне существующих машин с магнитным возбуждением выбран тахогенератор. У него между полюсами магнитов, установленных на корпусе, находится якорная обмотка, напряжение снимается с коллектора. Описание генератора братьев Пикси и тахогенератора можно прочесть в книге Электрические машины, автор Иванов-Смоленский А.В., издательство Энергия, Москва, 1980 г.

Машины с магнитным возбуждением благодаря отсутствию обмоток возбуждения и потерь на возбуждение имеют более высокий КПД, чем машины с электрическим возбуждением.

Тем не менее, машины с магнитным возбуждением имеют существенные недостатки:

1. Напряжение генератора и частоту вращения двигателя регулировать изменением поля возбуждения невозможно.

2. В режиме работы двигателем присутствуют плохие пусковые свойства.

3. Ввод и отбор постоянного тока требует применение контактных устройств.

Сущность изобретения.

Предлагаемое изобретение - магнитоэлектрическая машина, содержащая ротор, составленный из постоянных магнитов, и статор, образованный из неподвижно установленных в съемных секциях корпуса катушек со стальными сердечниками, в которой при вращении ротора происходит периодическое изменение величины и направления магнитного потока, пронизывающего катушки, т.е. происходит электромагнитное взаимодействие между магнитами и катушками, вследствие чего в катушках возникает индуктированная ЭДС.

Суть изобретения состоит в том, что постоянные магниты удлиненной формы, установленные попарно параллельно друг другу по внешней окружности ротора на расстоянии длины магнита между каждой парой, с противоположно направленными одноименными полюсами, с расстоянием между магнитами в каждой паре, равным высоте катушки.

В пространстве между магнитами и перпендикулярно к ним расположены катушки со стальными сердечниками, неподвижно установленные на внутренней стороне корпуса в съемных секциях. Катушки соединены в магнитоэлектрические группы. При вращении ротора у катушек одной группы происходит одновременное изменение магнитного потока по величине и направлению, то же самое происходит с катушками других групп, последовательно, по группам, таких групп может быть от одной и более. Число магнитов и катушек для одной машины может быть от двух магнитов и двух катушек, до множества зависит от мощности и габаритов машины. Катушки одной группы находятся друг от друга на расстоянии, равном длине магнита. Катушки из разных групп могут устанавливаться вплотную друг к другу, сохраняя расстояние между собой в своей группе.

Существенными отличиями являются следующие признаки:

1. Корпус имеет съемные секции для установки катушек.

2. Катушки установлены в секциях неподвижно.

3. Магниты удлиненной формы, закрепленные попарно с возможностью вращения относительно катушек, образуют ротор машины.

4. Катушки расположены в пространстве между парами магнитов и разделены на магнитоэлектрические группы.

5. Конструктивные части машины также имеют существенные отличия и изготавливаются из не магнитных материалов.

Предлагаемое изобретение - магнитоэлектрическая машина позволяет:

1. Получать переменный ток без контактных устройств.

2. Осуществлять ступенчатое регулирование за счет изменения соединения катушек, групп.

При установке контактных колец и коллектора и установке 2-х групп катушек обеспечивается:

3. Плавный пуск в режиме работы двигателем.

4. Получение постоянного тока в режиме работы генератором.

5. Регулирование частоты вращения и напряжения.

6. Упрощается изготовление и ремонт - не нужны магнитопроводы с пазами и укладкой обмоток в пазы, катушки легко перемотать и заменить.

К недостаткам относится применение коллектора.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Магнитоэлектрическая машина, в дальнейшем - машина, предназначенная для преобразования энергии, состоит из двух частей - неподвижной и подвижной.

На фиг.1 изображена машина в варианте исполнения с неподвижно установленными катушками 3 и подвижно установленными магнитами 13, выполняющих роль активных частей машины. В данном случае будет рассматриваться машина, выполненная с применением 3-х пар постоянных магнитов.

Неподвижная часть машины состоит из корпуса 1, съемных секций 2, образующих цилиндрическую часть корпуса и выполняющих роль места расположения, крепления и фиксации катушек 3. Секции 2 с винтами 4 крепятся к корпусу 1, придавая ему дополнительную жесткость. Катушки 3 с помощью держателей 5 фиксируются и крепятся к стенке съемной секции 2. Держатели 5 представляют собой П-образную конструкцию из трех плоскостей, в двух имеются пазы для сердечника 6 катушки 3, средняя плоскость служит для крепления держателя 5 к внутренней стенке секции 2 винтами 8. Количество витков и сечение провода в катушках выбираются в зависимости от применяемых магнитов и мощности машины. Сердечник 6 катушки 3 от продольных перемещений в пазах 7 держателя 5 фиксируются винтами 9.

Подвижная часть машины ротор 10, выполнена из двух тарелкообразных дисков 11, по краям дисков выполнена кольцевая канавка 12 по форме устанавливаемых магнитов 13. Для придания конструкции ротора прочности диски 11 жестко соединены цилиндрической опорой 14, проходящей рядом с кольцевой канавкой 12, а в центре с втулкой 15, которая с помощью шлицевого соединения монтируется на вал 16. Крепления в зависимости от массы и формы магнитов возможно различное, но надежное.

На фиг.1 изображен набор кольцевых магнитов надетых на трубку 17, которая с помощью болтов 18 крепится к диску, поджимая магниты 13 в канавке 12.

Узел коллектора изображен на фиг.2, состоящий из двух контактных колец 19 и их токосъемных щеток 20, коллектора 21с двумя токосъемными щетками 22, поворотной траверсы 23 с рычагом управления 24, профильной шайбы 25, опорной шайбы 26, защитного колпачка 27. Контактные кольца 19, выполненные из текстолита с медным ободом с помощью шлицев монтируются на вал 16, через щетки 20 связаны электропроводкой с клеммником 28. Коллектор 21 представляет неглубокую чашу с шлицевой втулкой в центре и цилиндрическими краями, выточен из пластмассы. По наружной цилиндрической поверхности монтируются медные ламели 29 с помощью винтов 30, приваренных к концам ламелей. Шесть токовых ламелей разделены шестью нейтральными ламелями 31, изолированными миканитовой изоляцией 32 от токовых ламелей 29. Необходимое условие, щетки коллектора 22 при проходе не должны замыкать одновременно токовые ламели, т.е. толщина их должна быть меньше длины нейтральной ламели. Токовые ламели внутри чаши соединены между собой, чередуясь на плюсовые и минусовые, и связаны двумя проводами с контактными кольцами 19, провода крепятся на винты 30 ламелей 29. Траверса 23 представляет собой цилиндрическую втулку с фланцем 33 с возможностью вращения в профильной шайбе 25 на опорной шайбе 26 посредством рычага управления 24. Вертикальные стенки траверсы разделены на 4 части, две части удалены, на оставшихся противоположных крепятся щетки коллектора, контактных колец и рычаг управления.

Длина токовых ламелей ≈ равна длине магнита при расчете по угловым градусам. Длина нейтральной ламели 31 равна ≈ 1/7 токовой ламели, в зависимости от диаметра коллектора, могут быть и другие размеры.

Работа магнитоэлектрической машины.

Под понятием работа для электрической машины имеется в виду процесс преобразования энергии одного вида в другой, в активных частях машины. Например, в генераторе это преобразование механической энергии в электрическую, в двигателе - электрической в механическую.

Рассмотрим процесс преобразования в машине, выполненной из трех пар подвижно установленных магнитов и двух групп по шесть неподвижно установленных катушек, являющихся активными частями машины. Необходимо, чтобы при сборке щетки 22 коллектора 21 находились на нейтральных ламелях 31, катушки в зоне полюсов магнитов 13, схема внутренних соединений соответствовала схеме, изображенной на фиг.3. Токовые ламели 29 должны набегать на щетки 22 со стороны вращения, что устанавливается рычагом управления 24, путем подвода щеток 22, поворачивая траверсу 23.

Работа в генераторном режиме происходит под действием механических усилий извне, ротор машины начинает вращаться, вращаются и магниты 13, установленные на роторе, вследствие этого катушки 3 с сердечниками 6 будут подвергаться влиянию периодически меняющегося по величине и направлению магнитного потока магнитов. В результате чего в катушках возникает переменная ЭДС, причем в катушках одной пары одной группы одновременно возникает ЭДС противоположного направления. Для того чтобы общая ЭДС была одного направления, катушки необходимо соединить согласно схеме фиг.3. Отбор переменного напряжения производится прямо с клеммника 28 от выводов катушек. Постоянное напряжение получают за счет коллектора по цепочке - катушки - клеммник - щетки коллектора - ламели -контактные кольца - клеммник.

При вращении ротора (магнитов) катушки одной группы одновременно испытывают изменение направления магнитного потока, затем тоже происходит с катушками второй группы и т.д. последовательно за 1/3 оборота произойдет два изменения направления потока при установленных 3 парах магнитов. За 1 оборот произойдет 6 изменений направления магнитного потока. Для получения частоты 50 Гц необходима скорость вращения 500 об/мин 500×6:60=50 период/сек.

Работа магнитоэлектрической машины в режиме двигателя.

При подаче постоянного тока на клеммы "+" и "-" клеммника 28 ток пойдет через щетки 20 контактных колец 19 на ламели 29 коллектора 21 через щетки 22 на клеммник 28 и в катушки 3.

Теоретически возможна работа машины при подаче переменного напряжения на катушки, предварительно раскрутив машину до синхронной частоты.

Продолжая далее с постоянным током, для выбранного направления вращения необходимо чтобы ламели 29 коллектора набегали на щетки 22 со стороны вращения. В этом случае в катушки 3 поступит ток соответствующего направления. Это выполняется посредством рычага управления 24. В результате прохождения тока возникает магнитное поле катушек 3 противоположного направления полю постоянных магнитов 13, а сердечники 6 катушек 3 намагнитятся одноименно с полюсами магнитов 13, вследствие чего произойдет выталкивание магнитов 13, так как разнонаправленные поля и одноименные полюса отталкиваются. Ротор придет в движение, магниты 13 отталкиваются от неподвижно установленных катушек 3. Пройдя половину длины магнита, магниты 13 попадают в зону действия других катушек, см. фиг.4, у которых магнитные поля согласуются по направлению с полями магнитов 13, а сердечники 6 намагничены разноименно с полюсами магнитов, происходит потокосцепление и притягивание магнитов 13. Как только магниты, вращая ротор, приблизятся своими полюсами к катушкам 3, щетки 22 окажутся на нейтральных ламелях 31. Поступление тока прекратится, по инерции ротор будет продолжать вращение, и токовые ламели 29, но с другим направлением тока, подойдут к щеткам 22, и процесс начнется снова, пока не отключат ток.

Регулирование.

Изменение величины переменного напряжения ступенями возможно за счет соединения катушек последовательно или параллельно, если установлено несколько групп катушек, то и переключением групп. При наличии установленного коллектора возможна установка нескольких электромагнитов, управляя которыми можно получить необходимые параметры. При получении постоянного тока регулирование производится с помощью рычага 24 траверсы 23, поворачивая траверсу, изменяем угол переключения на ранние или поздние. Регулирование частоты вращения происходит так же путем изменения угла переключения. Принцип регулирования рычагом 24 состоит в том, что нормальное переключение подачи тока в катушки с одного направления на другое должно происходить, когда катушки находятся в зоне полюсов магнитов. В это время щетки 22 коллектора 21 должны находится на нейтральных ламелях 31. При отклонении влево или вправо в катушки будет поступать ток противоположного направления от токовых ламелей 29 и будет происходить или притягивание или отталкивание. Учитывая скорость вращения машины, лучше устанавливать необходимые параметры при работе машины, при движении рычага сразу видно изменение величины напряжения или оборотов машины.

Подключение машины.

В режиме двигателя.

Смонтировать перемычки между клеммами

2. На клеммы 5К-6К подать постоянный ток

В режиме генератора.

Усредненное постоянное напряжение получают с клемм 5К-6К при вышеуказанных перемычках. Для получения постоянного тока отдельно с каждой группы катушек нужно одну из групп подключить через блок выпрямителей, например: клеммы 2Н₁-10K₁, вторая через коллектор клеммы 1Н₂-3Ш₂, 9К₂-7Ш₂, - закорочены. Ток снимается с клемм 5К-6К. Для получения переменного тока подключаются к клеммам 2Н₁-10К₁ первая группа; 1Н₂-9К₂ - вторая группа. При необходимости можно получить с одной группы выпрямленное, а с другой переменное напряжение. Цифры после буквы означают принадлежность катушек к группе:

Н₁-Ш₁-К₁ - 1-я группа

Н₂-Ш₂-К₂, - 2-я группа

Перечень фигур чертежей.

1. На чертеже фиг.1 изображена магнитоэлектрическая машина.

2. На чертеже фиг.2 изображен узел коллектора в сечении вдоль продольной оси и кольцо коллектора 21 общим планом.

3. На фиг.3 изображена принципиальная схема внутренней эл. сети машины. Цифрами 1 и 2 обозначена принадлежность катушек к первой или второй группам.

4. На фиг.4 изображена схема взаимодействия между активными частями - магнитами и катушками.

Стрелки, упирающие в магниты, показывают направление движения магнитов при взаимодействии полей катушек и магнитов. Наклонные стрелки с одним направлением ← показывают момент взаимного притяжения катушек и магнитов. Стрелки с двумя направлениями ↔ показывают момент, где магниты отталкиваются от катушек или катушки отталкивают магниты. Для сокращения на фиг.4 изображено взаимодействие при двух парах магнитов и двух группах из восьми катушек.

Изобретение относится к области техники электромашиностроения и может применяться на транспорте, в промышленности и в быту. Магнитоэлектрические машины не имеют обмоток возбуждения, в них нет потерь на возбуждение. Поэтому они при прочих равных условиях гораздо экономичнее, чем машины с электромагнитным возбуждением. Неподвижная часть машины состоит из корпуса, съемных секций, образующих цилиндрическую часть корпуса и выполняющих роль места расположения, крепления и фиксации катушек. Секции с винтами крепятся к корпусу, придавая ему дополнительную жесткость. Катушки с помощью держателей фиксируются и крепятся к стенке съемной секции. Подвижная часть машины - ротор - выполнен из двух тарелкообразных дисков, по краям дисков выполнена кольцевая канавка по форме устанавливаемых магнитов. Для придания конструкции ротора прочности диски жестко соединены цилиндрической опорой, проходящей рядом с кольцевой канавкой, а в центре - с втулкой, которая с помощью шлицевого соединения монтируется на вал. Крепление в зависимости от массы и формы магнитов возможно различное. Технический результат заключается в простоте конструкции и упрощении регулирования выходных параметров. 4 ил.

Магнитоэлектрическая машина, характеризующаяся тем, что она имеет корпус, образованный двумя дисками и съемными секциями, с установленными в нем частями машины, представляющими собой коллектор, статор, ротор, образованный двумя дисками, соединенными между собой втулкой, связанной с валом, на внутренних сторонах дисков по окружностям равного радиуса попарно параллельно установлены магниты на расстоянии друг от друга, равном их длине, с направлением одноименными полюсами на одном диске в одну сторону, на другом - в противоположную, с расстоянием между магнитами, установленными на разных дисках, равном длине сердечника катушки с минимальным зазором, статор образован катушками со стальными сердечниками, установленными в съемных секциях, размещающихся в пространстве между и перпендикулярно продольной оси магнитов на расстоянии друг от друга, равном длине магнита, охватывающими раздвоенными концами сердечников поперечное сечение магнитов с минимальным зазором, коллектор образован двумя контактными кольцами и кольцом с чередующимися плюсовыми и минусовыми токовыми ламелями, разделенными нейтральными ламелями и поворотной траверсой с рычагом управления, обеспечивающей изменение положения щеток относительно токовых ламелей.