Торцевая электрическая машина Российский патент 2023 года по МПК H02K21/24 H02K16/04 H02K7/18 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно, к бесконтактным синхронным торцевым электрическим машинам и может быть использовано, например, в качестве регулируемой нагрузки турбодетандера в криогенных охладительных установках.

Известны Торцевая электрическая машина. Патент RU 210261, Торцевая электрическая машина (варианты). Патент RU 2541427, Торцевая электрическая машина. Патент RU 2448404, Торцевая магнитоэлектрическая машина (варианты). Патент RU 2337458. Общим недостатком указанных электрических машин является необходимость использования приводных двигателей либо газовых, гидравлических или смешанного типа турбин при работе этих машин в генераторном режиме, что повышает массу и габариты всей энергосистемы в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятая за прототип Торцевая электрическая машина (варианты). Патент RU 2541427.

Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в повышении удельных мощностных и массогабаритных характеристик генератора, а также его эксплуатационной надежности.

Указанные задачи решаются за счет того, что в торцевой электрической машине, содержащей статор с тороидальными магнитопроводами и расположенными на них катушками обмотки, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью результирующего магнитного поля в воздушном зазоре, подшипники и вал, дисковый ротор выполнен в виде двух дисков из немагнитного материала, между которыми установлены постоянные магниты с возможностью использования их в качестве лопастей газовой, гидравлической или смешанного типа турбины, в подшипниковых опорах ротор вращается относительно статора и неподвижного вала, при этом вал выполняется полым.

Постоянные магниты, установленные между дисками ротора, имеют форму, например, параллелепипедов. Боковая цилиндрическая поверхность машины выполнена с развитой системой регулируемых отверстий с возможностью вращения ротора газовым или гидравлическим потоками, тороидальные магнитопроводы статора снабжены вентиляционными отверстиями, якорная обмотка подключается к внешним потребителям посредством электрических проводов, расположенных в полом валу.

Техническим результатом использования данного изобретения является возможность повышения удельных мощностных и массогабаритных характеристик генератора за счет снижения массы и габаритов системы привода генератора путем совмещения функций индуктора и приводной турбины, повышения эксплуатационной надежности, а также простота обеспечения его рабочего процесса.

Технический результат обеспечивается тем, что в предлагаемом изобретении совмещаются функции двух блоков, наличие которых является необходимым условием работы любого синхронного магнитоэлектрического генератора, - постоянных магнитов индуктора и устройства привода генератора, то есть двигателя или приводной турбины. При работе электрогенератора совместно с детандером существенно сокращается осевая длина системы. При равных выходных мощностях генератора предлагаемое изобретение будет обеспечивать более высокие показатели удельной мощности.

Так как повышение удельных мощностных и массогабаритных показателей генератора получено за счет снижения числа функционально необходимых блоков системы генерирования, то очевидно, что предлагаемое устройство значительно проще, а следовательно, надежнее в эксплуатации по сравнению с аналогами.

Как и любой магнитоэлектрический генератор, предлагаемая электрическая машина в режиме генератора не требует мощности на возбуждение, следовательно, при установке в струе газа или жидкости всегда готова к работе. Аналогично, в двигательном режиме машина готова без дополнительных устройств работать в качестве компрессора при подключении ее якорной обмотки (трех- или двухфазной) к сети переменного тока как синхронный двигатель с постоянными магнитами.

На Фиг. 1 представлена конструкция торцевой электрической машины. Машина содержит тороидальные магнитопроводы статора 1 с расположенными на них катушками обмотки 2, дисковый ротор, выполненный в виде двух дисков 3 из немагнитного материала, между которыми установлены постоянные магниты 4 с возможностью использования их в качестве лопастей газовой, гидравлической или смешанного типа турбины, благодаря подшипникам 5 ротор вращается относительно статора и неподвижного вала 6, который выполняется полым. постоянные магниты 4, установленные между дисками ротора 3, имеют форму, например, параллелепипедов. Боковая цилиндрическая поверхность машины выполнена с развитой системой регулируемых отверстий с возможностью вращения ротора газовым или гидравлическим потоками, якорная обмотка 2 подключается к внешним потребителям посредством электрических проводов, расположенных в полом валу 6, тороидальные магнитопроводы 1 статора снабжены вентиляционными отверстиями 7 для эффективного охлаждения обмоток якоря.

На Фиг. 2 приведен чертеж ротора на валу предлагаемой машины.

На Фиг. 3, 4, 5 приведены осциллограммы выходного напряжения генератора.

В генераторном режиме машина работает следующим образом. Работа торцевой электрической машины, аналогично любому синхронному генератору с возбуждением от постоянных магнитов [1], заключается в наведении ЭДС в якорной обмотке при перемещении относительно неё магнитного поля вращающихся постоянных магнитов ротора. Следует учитывать, что вращение ротора предлагаемой машины осуществляется под напором потока жидкости или газа, в среде которых установлена машина. Нестабильность скорости потока будет естественно сказываться как на величине, так и на частоте переменной ЭДС, наведенной в якорной обмотке. С целью стабилизации скорости вращения ротора при изменении скорости вращающего потока, можно, например, регулировать степень раскрытия боковых отверстий на цилиндрической поверхности машины или, если это возможно, скорость самого потока. Катушки якорной обмотки могут быть соединены таким образом, чтобы выходное переменное напряжение было одно-, двух- или трехфазным. Чередование полярностей соседних радиально намагниченных постоянных магнитов будет влиять на форму кривой выходного напряжения (синусоидальная или близкая к таковой). Форма кривой будет также зависеть как от числа фаз, так и от соотношения количества постоянных магнитов и катушек якорной обмотки, то есть от числа пар полюсов.

При необходимости получения постоянного напряжения на выходе генератора якорные обмотки могут быть подключены к регулируемому или нерегулируемому полупроводниковому выпрямителю. Изменение частоты вращения ротора генератора в этом случае не будет иметь значения, а величина выходного постоянного напряжения может поддерживаться на заданном уровне либо регулированием угла управления тиристоров управляемого выпрямителя, либо с помощью стабилизатора напряжения при использовании нерегулируемого выпрямителя. В случае использования трехфазного мостового выпрямителя при наличии на выходе генератора трехфазной сети переменного тока появляется возможность дополнительного снижения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения до величины порядка 1% путем использования так называемой условно-двенадцатифазной схемы выпрямления [2]. В этом случае используются две трехфазные мостовые схемы выпрямления, напряжения на которые подаются со сдвигом в 30 электрических градусов. Такой сдвиг в предлагаемом устройстве может быть легко обеспечен поворотом одного магнитопровода с якорными обмотками относительно другого на соответствующий угол. Выходное выпрямленное напряжение в этом случае будет практически идеально сглаженным.

В режиме двигателя машина может выполнять функцию компрессора, работая в качестве синхронного двигателя с постоянными магнитами [1]. Для создания вращающегося магнитного поля статора обмотки должны быть соединены по трехфазной (при питании от трехфазной сети) или двухфазной (при питании от однофазной сети) схемам. При этом девяностоградусный сдвиг между токами обеих фаз при двухфазном соединении обмоток, необходимый для создания кругового вращающегося магнитного поля, может быть легко получен соответствующим поворотом относительно друг друга магнитопроводов статора. Для обеспечения запуска такого двигателя ротор должен быть дополнительно снабжен пусковой короткозамкнутой обмоткой (на чертежах не показана).

Был изготовлен маломасштабный опытный образец генератора. На Фиг. 3, 4, 5 приведены осциллограммы выходного напряжения генератора при однофазном соединении обмоток и различном числе пар полюсов p. На Фиг. 3 2р=4, на Фиг. 4 2р=6, а на Фиг. 5 2р=12. Видно, что с возрастанием числа пар полюсов форма кривой выходного напряжения существенно приближается к синусоидальной.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано например, в качестве регулируемой нагрузки турбодетандера в криогенных охладительных установках либо в качестве источника электропитания контрольно-измерительной аппаратуры газо- или гидромагистралей, а совокупность ее существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.

Источники информации

1. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Синхронные машины. Под ред. И.П.Копылова. - М.: Высшая школа, 1990. - 304 с.

2. Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И.М. Чиженко. - К.: Техника, 1978. - 447 с.

3. Торцевая электрическая машина. Патент RU 210261.

4. Торцевая электрическая машина (варианты). Патент RU 2541427.

5. Торцевая электрическая машина. Патент RU 2448404.

6. Торцевая магнитоэлектрическая машина (варианты). Патент RU 2337458.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение удельных мощностных и массогабаритных характеристик. Торцевая электрическая машина содержит статор с тороидальными магнитопроводами и расположенными на них катушками обмотки, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью результирующего магнитного поля в воздушном зазоре, подшипники и вал. Ротор выполнен в виде двух дисков из немагнитного материала, между которыми установлены постоянные магниты с возможностью использования их в качестве лопастей газовой, гидравлической или смешанного типа турбины. Благодаря подшипникам ротор вращается относительно статора и неподвижного вала. Постоянные магниты, установленные между дисками ротора, имеют форму, например, параллелепипедов. Боковая цилиндрическая поверхность машины выполнена с развитой системой регулируемых отверстий с возможностью вращения ротора газовым или гидравлическим потоками, тороидальные магнитопроводы статора снабжены вентиляционными отверстиями, якорная обмотка подключается к внешним потребителям посредством электрических проводов, расположенных в полом валу. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Торцевая электрическая машина, содержащая статор с тороидальными магнитопроводами и расположенными на них катушками обмотки, дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью результирующего магнитного поля в воздушном зазоре, подшипники и вал, отличающаяся тем, что дисковый ротор выполнен в виде двух дисков из немагнитного материала, между которыми установлены постоянные магниты с возможностью использования их в качестве лопастей газовой, гидравлической или смешанного типа турбины, в подшипниковых опорах ротор вращается относительно статора и неподвижного вала, при этом вал выполняется полым.

2. Торцевая электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что постоянные магниты, установленные между дисками ротора, имеют форму, например, параллелепипедов.

3. Торцевая электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что боковая цилиндрическая поверхность машины выполнена с развитой системой регулируемых отверстий с возможностью вращения ротора газовым или гидравлическим потоками.

4. Торцевая электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что тороидальные магнитопроводы статора снабжены вентиляционными отверстиями.

5. Торцевая электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что якорная обмотка подключается к внешним потребителям посредством электрических проводов, расположенных в полом валу.