ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ДВОЙНОГО ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H02K16/02 H02K1/06 H02K21/12 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам двойного вращения.

Известна электрическая машина (патент на изобретение RU 2360352 С1, МПК Н02К 16/02, Н02К 1/16, Н02К 17/00, автор Пучкин Е.К.), состоящая из устройства для создания магнитного поля и устройства для преобразования одного вида энергии в другой, отличающаяся тем, что устройство для создания магнитного поля представляет собой отдельный блок, состоящий из полого цилиндра с фланцами на торцах, изготовленного из немагнитного материала, в сквозных в радиальном направлении пазах которого, на внешней стороне, кольцеобразно, с определенным шагом закреплены сердечники, выполненные из магнитного материала, служащие магнитопроводом, в пространство между сердечниками укладывается обмотка, предотвращение выпадения обмотки обеспечивается прижимными планками, изготовленными из немагнитного материала, которые крепятся к торцевым фланцам; устройство для преобразования одного вида энергии в другой состоит из двух роторов; причем один из роторов устанавливается внутри устройства для создания магнитного поля и взаимодействует с его внутренней частью, другой ротор охватывает наружную часть устройства для создания магнитного поля и взаимодействует с ней. Недостатком аналога является то, что он представляет собой асинхронный двигатель и его массогабаритные и энергетические показатели хуже, чем у двигателя с постоянными магнитами, и в ряде случаев не удовлетворяют предъявляемым требованиям.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению (его прототипом) является Ветровой электрогенератор двойного вращения (варианты) [патент на изобретение RU 2355909 С1, МПК F03B 9/00, авторы Захаренко А.Б., Дашко О.Г., Кривоспицкий Ю.П., Литвинов В.Н., Мартынов A.M.], содержащий установленный с возможностью вращения статор, установленный с возможностью вращения ротор, первые лопатки, которые действуют на ротор и вызывают вращение ротора в первом направлении, вторые лопатки, которые действуют на статор и вызывают вращение статора в направлении, противоположном вращению ротора, вал ротора, вал статора и подшипники, которые позволяют вращаться валам, несущий корпус, отличающийся тем, что первые лопатки и вторые лопатки размещены вне корпуса, с целью повышения удельной мощности статор выполнен в виде отдельных зубцов с обмоткой без ярма, а ротор выполнен в виде двух скрепленных между собой концентрических втулок из материала с высокой магнитной проницаемостью, находящихся с внешней и внутренней стороны статора, на втулках закреплены радиально намагниченные постоянные магниты чередующейся полярности, полярность соседних постоянных магнитов - чередуется, друг напротив друга находятся постоянные магниты, создающие согласно направленные магнитные потоки, на каждом зубце расположена концентрическая обмотка, изолированная от корпуса, число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число зубцов статора z и число катушечных групп в фазе d, число зубцов статора b, приходящихся на одну фазную группу, и число фаз m связаны соотношениями:

2·р=d·(b·m±1),

z=d·b·m,

p/d=k,

где k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5… - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно, для достижения наилучших энергетических показателей при m=2, 3, b=1, 2, 3, 4, 5…, и

если (b·m±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5…,

если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8…

Недостатком прототипа является наличие щеточного контакта, что определяет его недостаточную надежность.

Целью настоящего изобретения является создание машины

1) бесконтактной, обладающей повышенной надежностью,

2) с роторами, вращающимися в разные стороны, их вращающие моменты практически компенсируют друг друга, таким образом, реактивный момент на статор практически не передается.

Обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу q<1, где q=Z/2·p·m, расположенные на статоре, имеют обширный гармонический состав МДС. Однако, две гармоники МДС имеют наибольшую амплитуду и вращаются в противоположных направлениях с различными, хотя и близкими друг к другу числами периодов в единицу времени (пар полюсов). МДС такой обмотки можно записать следующим образом:

F=F_1m·sin(ω₁t-p₁α)-F_2m·sin(ω₁t+р₂α),

где F_1m, F_2m - амплитуды гармоник с наибольшей амплитудой, ω₁ - угловая частота, t - время, р₁, р₂ - числа периодов (пар полюсов) упомянутых гармоник. Если создать электрическую машину с двумя роторами, имеющими числа пар полюсов р₁ и р₂, то ротор, имеющий то же число пар полюсов, что и соответствующая гармоника, будет с ней взаимодействовать.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1 - поперечное сечение активной части электрической машины двойного вращения с числом зубцов статора Z=15 и числами пар полюсов ротора р₁=7, p₂=8;

фиг.2 - продольное сечение активной части электрической машины двойного вращения;

фиг.3 - общий вид электрической машины двойного вращения в режиме ветрового электрогенератора.

В качестве примера для трехфазной обмотки (m=3) можно привести следующие соотношения чисел зубцов Z якоря и полюсов р₁ и p₂ ротора:

для Z=у·m·k р₁=у·k, р₂=(у+1)·k, где у=1;

для Z=у·m·k p₁=(у+1)·k, p₂=(у+2)·k, где у=3, 4;

для Z=у·m·k p₁=(у+2)·k, p₂=(у+3)·k, где у=5,

для Z=у·m·k p₁=(у+3)·k, p₂=(у+4)·k, где у=7, 8;

для Z=у·m·k p₁=(у+4)·k, p₂=(у+5)·k, где у=9;

для Z=у·m·k p₁=(у+5)·k, p₂=(у+6)·k, где у=11,

при этом у, k - целые положительные числа, k - число циклически повторяющихся участков магнитной системы.

На фиг.1 изображены эскиз поперечного сечения активной части электрической машины двойного вращения и схема обмотки статора для варианта с числом зубцов 1 сердечника статора Z=24, на котором размещена трехфазная обмотка 2, соединенная в звезду, где А, В, С - начала соответствующих фаз. Обмотка 2 может быть также соединена в треугольник. Число пар полюсов первого ротора р₁=7, полюса первого ротора образованы при помощи семи пар постоянных магнитов 3, чередующейся полярности, прикрепленных к ярму первого ротора 4. Число пар полюсов второго ротора p₂=8, полюса второго ротора образованы при помощи восьми пар постоянных магнитов 5, чередующейся полярности, прикрепленных к ярму второго ротора 6. Соседние катушки в катушечной группе статора должны быть соединены встречно, поскольку они находятся в основном под полюсами ротора противоположной полярности. Катушки в катушечных группах и катушечные группы фаз соединяются между собой во всех фазах одинаково. Ярма роторов 4 и 6 должны быть изготовлены при помощи механообработки из отливки или поковки конструкционной стали с высокой магнитной проницаемостью, например, стали 10. Зубцы 1 статора должны быть шихтованы из листов электротехнической стали, направление шихтовки - перпендикулярно оси вращения роторов. С целью снижения стоимости статора зубцы и ярмо могут быть изготовлены из порошкового магнитомягкого материала, например, путем прессования. С целью устранения сил магнитного притяжения роторов к статору и связанных с ними магнитных вибраций зубцы 1 статора могут быть изготовлены их немагнитного непроводящего материала. При этом для улучшения энергетических показателей радиальный размер зубцов должен быть максимально уменьшен.

Катушки обмотки 2 статора наматываются из обмоточного провода, например, медного эмаль-провода, на электроизолирующие каркасы, либо на зубцовую изоляцию на каждый зубец статора 1. Для снижения электрических ("омических") потерь катушечная группа, либо фаза в целом, может наматываться непрерывным проводом (без пайки). Для упрощения и автоматизации технологии намотки катушек обмотки 2 зубцы 1 изготавливаются отдельно, на зубцы 1 наматывается обмотка 2, а затем зубцы скрепляют опорным статорным кольцом 7, которое крепится к корпусу 8. После окончания обмоточных работ для увеличения электрической прочности изоляции и повышения ее надежности производится пропитка обмотки 2 лаком или заливка обмотки 2 компаундом.

Первый и второй валы роторов 9 и 10 закреплены в подшипниках 11, которые позволяют вращаться упомянутым валам.

Электрическая машина двойного вращения работает следующим образом. Магнитный поток постоянного первого магнита 3 индуктора первого ротора проходит через воздушный зазор между статором и ротором, зубец 1 статора, воздушный зазор между статором и ротором, постоянный магнит 5 индуктора второго ротора, ярмо 6 индуктора второго ротора, постоянный магнит 5 индуктора второго ротора, воздушный зазор между статором и ротором, зубец 1 статора, воздушный зазор между статором и ротором, постоянный магнит 3 индуктора первого ротора и замыкается по ярму 4 индуктора первого ротора. На катушки обмотки 2 статора подается переменное напряжение. При подключении напряжения частоты f будут образовываться 2 гармоники МДС с наибольшими амплитудами, вращающимися в противоположных направлениях с частотами вращения n₁=f·60/p₁, n₂=f·60/p₂.

Если цепь обмотки замкнута, по ней протекает ток, по зубцам 1 с размещенной на них обмоткой 3 перемещаются гармоники магнитодвижущей силы. Постоянные магниты 3 и 5 обоих роторов взаимодействуют с гармониками МДС статора, которые имеют с ними одинаковую полюсность, на роторах возникает вращающий момент. В результате лопатки вентиляторов (насосов) 12 и 13 первого и второго роторов вращаются в разные стороны.

Техническим результатом настоящего изобретения при работе в двигательном режиме является то, что за счет вращения роторов в разные стороны, например, в случае вентиляторной (насосной) нагрузки удается увеличить скорость прокачиваемого воздуха (жидкости) в два раза по сравнению с машиной, имеющей один ротор.

Электрическая машина двойного вращения может работать также в генераторном режиме, например, как ветрогенератор. Электрическая машина двойного вращения в режиме генератора имеет горизонтальную ось вращения и установлена на поворотной топ-мачте 14. Ориентация по направлению воздушного потока осуществляется стабилизатором 15. Электрическая машина двойного вращения размещена в обтекаемой гондоле 16. Лопасти 12 и 13 первого и второго роторов имеют такой наклон и длину, чтобы обеспечить вращение упомянутых роторов в разные стороны с частотами, пропорциональными частотам вращения первой и второй гармоник МДС с наибольшей амплитудой.

При наличии ветра благодаря стабилизатору 15 электрическая машина двойного вращения ориентируется по направлению потока воздуха. Лопасти 12 и 13 вращаются в разные стороны с частотами вращения n₁ и n₂, вращают первый и второй роторы в разные стороны. Магнитный поток роторов пересекает витки обмотки статора 2, в обмотке 2 наводится ЭДС. Если цепь обмотки замкнута, то по ней протекает ток, в нагрузку отдается мощность.

Техническим результатом настоящего изобретения при работе в генераторном режиме является использование для генерации электроэнергии воздушных потоков с малыми линейными скоростями.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам двойного вращения. Предлагаемая электрическая машина двойного вращения содержит статор, установленные с возможностью вращения роторы, первые лопатки, которые связаны с первым ротором и вращаются с первым ротором в первом направлении, вторые лопатки, которые связаны со вторым ротором и вращаются со вторым ротором во втором направлении, валы роторов и подшипники, которые позволяют вращаться валам, несущий корпус, первые лопатки и вторые лопатки размещены вне корпуса, статор выполнен в виде отдельных зубцов с обмоткой без ярма, а роторы выполнены в виде концентрических втулок из материала с высокой магнитной проницаемостью, находящихся с внешней и внутренней стороны статора, на втулках закреплены радиально намагниченные постоянные магниты, полярность соседних постоянных магнитов чередуется, на каждом зубце расположена концентрическая обмотка, изолированная от корпуса, число полюсов первого ротора равно числу периодов первой основной гармоники МДС обмотки статора, число полюсов второго ротора равно числу периодов второй основной гармоники МДС обмотки статора, роторы не скреплены между собой и направления их вращения противоположны. Технический результат - повышение надежности электрической машины двойного вращения при одновременном исключении передачи на ее статор реактивного момента и обеспечении возможности использования воздушных потоков с малыми линейными скоростями для работы данной машины в генераторном режиме. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрическая машина двойного вращения, содержащая статор, установленные с возможностью вращения роторы, первые лопатки, которые связаны с первым ротором и вращаются с первым ротором в первом направлении, вторые лопатки, которые связаны со вторым ротором и вращаются со вторым ротором во втором направлении, валы роторов и подшипники, которые позволяют вращаться валам, несущий корпус, первые лопатки и вторые лопатки размещены вне корпуса, статор выполнен в виде отдельных зубцов с обмоткой без ярма, а роторы выполнены в виде концентрических втулок из материала с высокой магнитной проницаемостью, находящихся с внешней и внутренней стороны статора, на втулках закреплены радиально намагниченные постоянные магниты, полярность соседних постоянных магнитов чередуется, на каждом зубце расположена концентрическая обмотка, изолированная от корпуса, отличающаяся тем, что число полюсов первого ротора равно числу периодов первой основной гармоники МДС обмотки статора, число полюсов второго ротора равно числу периодов второй основной гармоники МДС обмотки статора, роторы не скреплены между собой и направления их вращения противоположны.

2. Электрическая машина двойного вращения по п.1, отличающаяся тем, что для трехфазной обмотки (m=3) выполняются следующие соотношения чисел зубцов Z якоря и полюсов p₁ и p₂ ротора:
для Z=y·m·k p₁=y·k, p₂=(y+1)·k, где у=1;
для Z=y·m·k p₁=(y+1)·k, p₂=(y+2)·k, где y=3, 4;
для Z=y·m·k p₁=(y+2)·k, p2=(y+3)·k, где y=5;
для Z=y·m·k p₁=(y+3)·k, p₂=(y+4)·k, где y=7, 8;
для Z=y·m·k p₁=(y+4)·k, p₂=(y+5)·k, где y=9;
для Z=y·m·k p₁=(y+5)·k, p₂=(y+6)·k, где y=11,
при этом y, k - целые положительные числа, k - число циклически
повторяющихся участков магнитной системы.

3. Электрическая машина двойного вращения по п.1, отличающаяся тем, что зубцы статора выполнены шихтованными из тонколистовой электротехнической стали.

4. Электрическая машина двойного вращения по п.1, отличающаяся тем, что зубцы статора выполнены прессованными из магнитного порошка.

5. Электрическая машина двойного вращения по п.1, отличающаяся тем, что зубцы статора выполнены из немагнитного непроводящего материала, при этом их радиальный размер максимально уменьшен.

6. Электрическая машина двойного вращения по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в звезду.

7. Электрическая машина двойного вращения по п.1, отличающаяся тем, что фазы обмотки при m=3 соединены в треугольник.

8. Электрическая машина двойного вращения по п.1, отличающаяся тем, что при подаче переменного напряжения на обмотку статора она работает в двигательном режиме.

9. Электрическая машина двойного вращения по п.1, отличающаяся тем, что при наличии внешних вращающих моментов на роторах она работает в генераторном режиме.