МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2010 года по МПК H02K21/12 H02K7/20 H02K19/38 

Изобретение относится к области электрических машин, в частности - синхронным электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов. Синхронная машина с постоянными магнитами наряду с определенными достоинствами имеет и недостатки. В том числе достаточно сложные пусковые и регулировочные характеристики, а также относительно низкий КПД.

В целях сохранения положительных и ослабления негативных качеств бесконтактных электрических машин (БЭМ) с постоянными магнитами и БЭМ с обмотками возбуждения создали их гибрид - БЭМ с комбинированным возбуждением.

Недостатки названной машины состоят в том, что их в основном используют только в качестве генератора. Они связаны также с повышенным потреблением из сети реактивной мощности на создание вращающегося потока, заметной асимметрией магнитных цепей и усложненным конструктивным исполнением.

Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение регулировочных и пусковых характеристик и существенное повышение КПД машины.

Технический результат достигается тем, что в конструкции предложенной машины с комбинированным возбуждением присутствуют как преобразователи механической энергии в электрическую энергию, так и электрической через магнитную - в механическую, которые меж собой связаны и механически, и электрически, что позволяет существенно сократить механические и электрические потери в ее работе.

Предложенная магнитоэлектрическая машина с комбинированным возбуждением, содержащая два возбудителя и один, расположенный между ними, силовой агрегат, подвижные части которых расположены на общем валу вращения и которые разделены от неподвижных частей воздушными зазорами, отличающаяся тем, что обмотки полюсов неподвижного статора силового агрегата электрически соединены неподвижной, имеющей форму полого цилиндра обмоткой якоря левого возбудителя (фиг.1) с подвижным индуктором, состоящего из полого внешнего цилиндрического, центрального магнитопроводов, на поверхности последнего из которых равномерно по кругу установлены своими чередующими друг за другом северными и южными полюсами восемь стержневых постоянных магнитов, а обмотка полюсов его ротора также соединена с подвижной, имеющей форму полого цилиндра обмоткой якоря правого возбудителя с неподвижным индуктором, который состоит из внешнего полого цилиндрического, центрального цилиндрического, с круглым, для свободного прохождения общего вала вращения, отверстием в центре, магнитопроводов, на противоположных поверхностях последнего из которых, по вертикальной линии, установлена полюсами одной полярности одна пара постоянных магнитов, а полюсами другой полярности в таком же порядке, но уже по горизонтальной линии, установлена другая пара таких же магнитов.

На фиг.1 показаны продольные разрезы левого и правого возбудителей, а между ними - силового агрегата предложенной машины. На фиг.2 показан поперечный разрез силового агрегата, а на фиг.3 и 4, соответственно поперечные разрезы левого и правого возбудителей.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - общий вал вращения, 2 - центральный магнитопровод индуктора левого возбудителя, 3 и 3' - соответственно северный и южный полюса постоянных магнитов индуктора левого возбудителя, 4 - обмотка якоря левого возбудителя, 5 - внешний магнитопровод индуктора левого возбудителя, 6 - соединительный электропровод, 7 - явно выраженный статорный электромагнитный полюс силового агрегата, 8 - явно выраженный электромагнитный полюс ротора силового агрегата, 8' - его обмотка, 9 - магнитопровод статора силового агрегата, 10 - обмотка электромагнитного полюса статора силового агрегата, 11 - магнитопровод ротора силового агрегата, 12 - внешний магнитопровод индуктора правого возбудителя, 13 и 13' - соответственно северный и южный полюса постоянных магнитов индуктора правого возбудителя, 14 - обмотка якоря правого возбудителя, 15 - центральный магнитопровод индуктора правого возбудителя.

На фиг.1 видно, что подвижный индуктор левого возбудителя и ротор силового агрегата установлены на общий вал вращения 1, который проходит через отверстие центрального магнитопровода 15 неподвижного индуктора правого возбудителя (фиг.1), подвижная цилиндрическая якорная обмотка 14 которого находится между неподвижным внешним магнитопроводом 12 и полюсами постоянных магнитов 13 и 13 его индуктора и закреплена (крепежные детали на фигурах не показаны) на этом же валу.

На фигурах 2 и 3 также видно, что жестко установленные на общий вал 1 постоянные магниты индуктора левого возбудителя и соответственно их плюсы 3 и 3 находятся в одинаковой фазе с электромагнитными полюсами 8 ротора силового агрегата.

Для синхронного взаимодействия явно выраженных полюсов статора и ротора силового агрегата их обмотки электрически соединены с соответствующими обмотками якорей левого и правого возбудителей следующим образом. Прямые активные ветки каждой обмотки 4 неподвижного якоря левого возбудителя соединены со входными проводами ближайших обмоток 10 полюсов 7 статора силового агрегата, а их выходные провода - с обратными активными ветками тех же обмоток, образуя при этом замкнутые общие контуры.

Одна группа активных прямых проводов обмотки 14 подвижного якоря правого возбудителя соединена с входными проводами обмотки 8 ближайшего явно выраженного электромагнитного полюса 8 ротора силового агрегата, выходные провода которого соединены со входными проводами обмотки 8 ближайшего по направлению часовой стрелки следующего полюса того же ротора. Ее выходные провода уже соединены соседней группой активных обратных проводов обмотки якоря того же возбудителя, образуя в свою очередь при этом общий замкнутый контур. В таком же порядке соединены следующие две группы прямых и обратных проводов обмотки якоря правого возбудителя с остальными двумя обмотками двух соседних полюсов ротора силового агрегата.

Таким образом, в конструкции предложенной машины существуют четыре неподвижные общие контуры обмоток якоря правого возбудителя и статора силового агрегата, а также два общих контура подвижных обмоток якоря правого возбудителя и его ротора.

Магнитоэлектрическая машина с комбинированным возбуждением работает следующим образом. Вначале все подвижные части машины по отношению неподвижных ее частей находятся в таком положении, в каком это показано на чертежах. При вращении ее вала 1 по направлению часовой стрелки внешним двигателем в активных прямых и обратных ветках неподвижной 4 и подвижной 14 обмоток соответственно правого и левого возбудителей, в силу явления электромагнитной индукции, индуцируются (наводятся) электродвижущие силы (ЭДС), направления которых определяются правилом правой руки. Эти ЭДС вызовут в их обмотках токи, которые потекут по виткам обмоток 10 и 8 соответствующих электромагнитных полюсов статора и ротора силового агрегата. Тогда эти полюса обретут определенные, чередующие друг за другом северные и южные полярности. При этом полярности полюсов статора сохраняются в течении 1/8 части одного оборота ротора, а полярности полюсов последнего сохранятся в течение четверти оборота. В результате всего этого в ходе одного оборота вала 1 машины полярности электромагнитных полюсов статора силового агрегата меняются на противоположные восемь раз, а полярности полюсов его ротора - четырежды. Причем время изменения полярностей последних совпадает с временем очередного изменения полярностей первых. В момент следующего изменения полярностей полюсов статора центры их совпадают с центрами движущихся электромагнитных плюсов статора. Все это приводит к тому, что в ходе вращения ротора силового агрегата сзади его полюсов с определенными полярностями всегда будут полюса статора с такими же полярностями, а спереди их будут - с противоположными полярностями, что заставляет их в каждый раз отталкиваться от первых и устремляться к последним. Вследствие этого появятся результирующие электромагнитные силы со стороны неподвижных полюсов 7 статора силового агрегата, толкающие сзади каждого полюса 8 его ротора и притягивающие их спереди. В итоге вся подвижная часть предложенной магнитоэлектрической машины с комбинированным возбуждением начнет вращаться самостоятельно и при достижении номинальной угловой скорости ее общий вал вращении 1 необходимо отсоединить от вала внешнего двигателя. При этом к нему можно будет уже включить определенный рабочий механизм, а к статорной обмотке, или к якорной обмотке правого возбудителя - некоторую электрическую нагрузку. В заключение необходимо отметить, что в предложенной конструкции магнитоэлектрической машины с комбинированным возбуждением якорные обмотки обоих возбудителей отделены наименьшими возможными воздушными зазорами не только от полюсов постоянных магнитов их индукторов, но и от всех, в том числе и внешних, магнитопроводов, что позволяет избежать существенных сопротивлений, связанных магнитной вязкостью внешних ферромагнитных магнитопроводов индукторов обоих возбудителей, так как они неподвижны относительно их постоянных магнитов. Поэтому практически вся электроэнергия, выработанная в ходе одного оборота всей подвижной части машины, обоими возбудителями, переходит в магнитную энергию обмоток статора и ротора силового агрегата, которая умножается на величину магнитных проницаемостей магнитопроводов и сердечников явно выраженных электромагнитных полюсов его статора и ротора.

Источники информации

1. Бертинов А.И. Специальные электрические машины. - М.: Энергия. 1982 г.

2. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: ВШ, 1990 г.

3. Иванов-Смоленский. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980 г.

4. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1985 г.

5. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г.

6. Костенко М.П. и др. Электрические машины. - ч.2. - Л.: Энергия, 1973 г.

7.Осин И.Л. и др. Синхронные машины. - М.: ВШ, 1990 г.

8. Парселл Э. Электричество и Магнетизм. - М.: Наука, 1983 г.

9. Токарев Б.Ф. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения электрических машин, в частности - к синхронным электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов, которые наряду с известными достоинствами обладают и некоторыми недостатками, в частности - довольно сложными пусковыми и регулировочными характеристиками и относительно низким КПД. В целях сохранения положительных и уменьшения отрицательных качеств бесконтактных электрических машин (БЭМ) с постоянными магнитами и БЭМ с обмотками возбуждения были созданы БЭМ с комбинированным возбуждением. Недостатки этих машин заключаются в потреблении большой реактивной энергии из внешней сети при работе, а также в существенной асимметрии магнитной цепи. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в улучшении пусковых и регулировочных характеристик и заметном повышении КПД бесконтактных магнитоэлектрических машин с комбинированным возбуждением. Указанный технический результат достигается тем, что в конструкции предложенной машины обмотки статора и ротора силового агрегата имеют индивидуальные возбудители, у которых обмотки якорей имеют форму полого цилиндра и находятся между полюсами постоянных магнитов их индукторов и внешними магнитопроводами. Магнитоэлектрическая машина с комбинированным возбуждением работает от взаимодействии явно выраженных электромагнитных полюсов статора и ротора силового агрегата, у первых из которых полярности за один оборот меняются восемь раз, а у вторых - четырежды. Причем неподвижные полюса статора и подвижные ротора свои знаки меняют в разное время и в разных фазах. Поэтому впереди полюсов ротора всегда будут неподвижные полюса статора с противоположными им полярностями, а сзади них будут полюса статора с одинаковыми им полярностями, от чего на каждый электромагнитный явно выраженный полюс ротора силового агрегата всегда действуют две положительные силы, направленные в одну сторону по ходу вращения вала. Эти силы пропорциональны магнитным проницаемостям сердечников электромагнитных полюсов статора и ротора силового агрегата в предлагаемой электрической машине. 4 ил.

Магнитоэлектрическая машина с комбинированным возбуждением, содержащая два возбудителя и один, расположенный между ними, силовой агрегат, подвижные части которых расположены на общем валу вращения и, которые разделены от неподвижных частей воздушными зазорами, отличающаяся тем, что обмотка полюсов неподвижного статора силового агрегата электрически соединена неподвижной, имеющей форму полого цилиндра обмоткой якоря левого возбудителя с подвижным индуктором, состоящим из полого внешнего цилиндрического, центрального магнитопроводов, на поверхности последнего из которых равномерно по кругу установлены своими чередующими друг за другом северными и южными полюсами восемь стержневых постоянных магнитов, а обмотка полюсов его ротора также соединена с подвижной, имеющей форму полого цилиндра обмоткой якоря правого возбудителя с неподвижным индуктором, который состоит из внешнего полого цилиндрического, центрального цилиндрического с круглым для свободного прохождения общего вала вращения отверстием в центре магнитопроводов, на противоположных поверхностях последнего из которых по вертикальной линии установлены полюсами одной полярности одна пара постоянных магнитов, а полюсами другой полярности в таком же порядке, но уже по горизонтальной линии установлены другая пара таких же магнитов.