Способ управления магнитным потоком электрической машины Российский патент 2018 года по МПК H02K19/20 

Изобретение относится к электромагнитной тематике, а именно к способам управления бесколлекторными синхронными с постоянными магнитами электрическими машинами.

Известен способ управления синхронным генератором {1} М.М. Кацман «Электрические машины». М.: «Высшая школа» 1990, стр. 97), согласно которому приводом вращают вал, на котором располагают постоянный магнит с северным и южным полюсами, с помощью вращающегося магнита создают переменный магнитный поток, который индуцирует в неподвижной обмотке статора переменное напряжение.

Недостатком такого способа является то, что для получения постоянного напряжения статорное напряжение выпрямляют, при этом напряжение остается пульсирующим в виде синусоидальных положительных полуволн.

Известен способ управления магнитным потоком электромашины, реализованный в устройстве {2}, взятый за прототип, согласно данного способа приводом вращают вал, четное число n=10+4k (где k - целое число, принимающее значение 0, 1, 2, 3 и т.д.) в данном прототипе k=1, следовательно, общее количество постоянных магнитов 28, а на якоре располагают m≤n-2 катушек, в которых при вращении вала создают переменные магнитные потоки, в результате чего в статорных катушках получают переменное напряжение, которое выпрямляют и создают постоянное напряжение. Форма и частота переменных напряжений катушек статора зависит от числа постоянных магнитов n числа катушек статора m и от формы полюсов постоянных магнитов. Для улучшения качества работы устройства указанные постоянные магниты и катушки располагают в нескольких одинаковых секциях.

Недостатком данного способа является сложность реализованного устройства за счет большего числа n>10 полюсов магнитов. При этом выпрямленное напряжение имеет за один оборот вала 2n пульсаций, возникающих в моменты прохождения токов через выпрямительные диоды при максимальных напряжениях в катушках статора. Причем отбор энергии с вала происходит кратковременно в моменты возникших токов через диоды выпрямителя. Поэтому для увеличения КПД и уменьшения амплитуды пульсаций стараются увеличить число n постоянных магнитов и число секций m катушек, что увеличивает сложность устройства.

Заявленное изобретение решает задачу создания способа управления магнитным потоком электрической машины, который обеспечивает упрощение происходящих физических процессов и повышение качества выходного результата.

Для решения поставленной задачи в способ управления магнитным потоком электрической машины, согласно которому используют постоянный магнит и располагают на статоре две статорные катушки, при этом создают в двух статорных катушках переменные магнитные поля, синхронные с вращением вала электрической машины, в результате чего получают на статорных катушках переменные напряжения, которые затем выпрямляют, введена последовательность действий, согласно которой располагают кольцевой постоянный магнит в середине статора, две планшайбы закрепляют на валу в районе торца статора, а две статорные катушки располагают между постоянным магнитом и каждой из планшайб, при этом магнитный поток постоянного магнита замыкают через два противоположных направления по валу и двум планшайбам на корпус статора, кроме того, на планшайбах в местах зазора со статором создают n вырезов в виде меандра, а на статоре в местах зазора с двумя планшайбами создают аналогичные n вырезов, сдвинутые между собой на полпериода, в результате чего в каждой из статорных катушек создают периодически возрастающие по линейному закону от нуля до максимума, а затем убывающие до нуля два магнитных потока, сдвинутые между собой на полпериода, при этом получают на статорных катушках переменные напряжения в виде прямоугольных импульсов, которые при выпрямлении создают постоянные без пульсаций напряжения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является значительное упрощение реализуемых, согласно данного способа, устройств, повышение их надежности, повышение КПД электромашин.

Работа по предложенному способу показана на примере работы генератора постоянного напряжения, реализующего данный способ. Конструкция генератора показана на фиг. 1 (вид сбоку), на фиг. 2 показаны виды генератора с двух торцов, на фиг. 3 показаны диаграммы магнитных потоков в катушках статора и выходных напряжений генератора.

Как показано на фиг. 1 и 2, генератор содержит:

1 - привод;

2 - вал;

3 - статор;

4, 5 - планшайбы;

6 - постоянный кольцевой магнит;

7, 8 - статорные катушки.

Обе планшайбы 4, 5 и статор 3 в местах зазора между ними (на торце генератора) имеют вырезы. При числе вырезов n=8 статор и планшайбы имеют вид, показанный на фиг. 3. В этом случае планшайба 4 имеет максимальный зазор со статором 3, а планшайба 5 имеет минимальный зазор со статором. При вращении вала 2 приводом 1 зазоры планшайб периодически плавно изменяются по линейному закону от минимального до максимального значения со сдвигом между собой на полпериода.

Период повторения данного процесса равен

Tn=1/nFo,

где Fo - частота вращения вала.

Кольцевой магнит 6 имеет намагниченность от центра к периферии, при этом образует два полюса «N» и «S». Магнитный поток магнита 6 замыкается через вал 2, через планшайбы 4, 5 на статор 3. При вращении вала 2 магнитный поток магнита 6 периодически перераспределяется между планшайбами 4, 5 по закону изменения их зазоров со статором 3. В результате чего магнитные потоки Ф_4,7 и Ф_5,8 через планшайбы 4 и 5 имеют вид, показанный на фиг. 3. Магнитный поток Ф_4,7 сцепляется со статорной катушкой 7 и индуцирует на ней напряжение, пропорциональное производной U₁=-dФ_4,7/d_t, образуя прямоугольные импульсы. Аналогично на статорной катушке 8 образуются прямоугольные импульсы напряжения U₂, противофазные напряжению U₁. При двухполупериодном выпрямлении импульсов U₁ и U₂ получают два постоянных напряжения +U₃ и -U₄ практически не имеющих пульсаций при линейном изменении магнитных потоков Ф_4,7 и Ф_5,8. При этом происходит в течение периода вращение вала постоянный отбор энергии с вала в нагрузку генератора, т.к. напряжение U₁ поддерживает напряжение +U₃ в первые полпериода, а напряжение U₂ - во втором полупериоде.

Необходимо отметить по сравнению с прототипом простоту предложенного решения. На валу генератора закреплены только планшайбы 4, 5, а магнит 6 и статорные обмотки 7, 8 расположены на статоре и в процессе работы они не вращаются, что повышает надежность работы генератора и его КПД, т.к. необходимо меньше затрачивать энергии на раскрутку вала и имеет место постоянный отбор энергии с вала в нагрузку.

Литература

1. Кацман М.М. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990 г., стр. 97, 98.

2. Патент RU 2303849 С1 от 27.07.2007, Бюл. №21.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в улучшении качества выходного напряжения. На статоре располагают две статорные катушки и постоянный магнит. В двух статорных катушках создают переменные магнитные поля, синхронные с вращением вала электрической машины, в результате чего на статорных катушках получают переменные напряжения, которые затем выпрямляют. Кольцевой постоянный магнит располагают в середине статора. Две планшайбы закрепляют на валу в торце статора. Статорные катушки располагают между постоянным магнитом и каждой из планшайб. Магнитный поток постоянного магнита замыкается через два противоположных направления по валу и двум планшайбам на корпусе статора. На планшайбах в местах зазора со статором выполнены n вырезов в виде меандра, а на статоре в местах зазора с двумя планшайбами - аналогичные n вырезов, сдвинутые между собой на полпериода. В результате в каждой из двух статорных катушек при вращении вала создаются периодически возрастающие по линейному закону от нуля до максимума, а затем убывающие до нуля два магнитных потока, замыкающиеся через зазоры. Изменения этих потоков сдвинуты во времени на полпериода. На статорных катушках образуются прямоугольные импульсы напряжения, сдвинутые по фазе между собой на 180°. После двухполупериодного выпрямления импульсов получают два постоянных напряжения разного знака, которые практически не имеют пульсаций и не требуют сглаживания. 3 ил.

Способ управления магнитным потоком электрической машины, согласно которому располагают на статоре две статорные катушки и используют постоянный магнит, при этом создают в двух статорных катушках переменные магнитные поля, синхронные с вращением вала электрической машины, в результате чего получают на статорных катушках переменные напряжения, которые затем выпрямляют, отличающийся тем, что располагают кольцевой постоянный магнит в середине статора, две планшайбы закрепляют на валу в торце статора, а две статорные катушки располагают между постоянным магнитом и каждой из планшайб, при этом магнитный поток постоянного магнита замыкают через два противоположных направления по валу и двум планшайбам на корпус статора, кроме того, на планшайбах в местах зазора со статором создают n вырезов в виде меандра, а на статоре в местах зазора с двумя планшайбами создают аналогичные n вырезов, сдвинутые между собой на полпериода, в результате чего в каждой из двух статорных катушек создают периодически возрастающие по линейному закону от нуля до максимума, а затем убывающие до нуля два магнитных потока, сдвинутые во времени на полпериода, при этом получают на статорных катушках переменные напряжения в виде прямоугольных импульсов, которые при выпрямлении создают постоянные без пульсаций напряжения.