Гибридная двухмерная электрическая машина-генератор Российский патент 2025 года по МПК H02K51/00 H02K47/28 H02K7/18 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым автором за прототип является двухмерная электрическая машина-генератор (патент РФ № 2332775, 2008 г., бюл. № 24). Двухмерная электрическая машина-генератор содержит якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных двигателей, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, при этом в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью потребителей переменного тока.

Принцип работы основан на суммировании и преобразовании механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.

Однако данная конструкция электромеханического преобразователя энергии может работать только тогда, когда имеется сразу два возобновляемых источника энергии (ВИЭ) (например, ветра и Солнца и с присущими им особенностями - неравномерным, стохастическим и в основе своей несовпадающим характером поступления энергии), что уменьшает эффективность использования ВИЭ, резко ограничивает область применения данной машины и тем самым увеличивает неравномерность поступления энергии и понижает надежность и стабильность работы энергосистемы.

Заявляемое изобретение решает задачу расширения области применения, получения энергии как отдельно от каждого возобновляемого источника, так и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию трехфазного переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе.

Технический результат заключается в увеличении количества, равномерности поступления электрической энергии трехфазного переменного тока, повышении надежности и стабильности работы энергосистемы.

Технический результат достигается тем, что в гибридной двухмерной электрической машине-генераторе, содержащей якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, и ротор, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью переменного тока, при этом источник механической энергии передает вращающий момент через вал к якорю, во внутренней цилиндрической расточке корпуса ротора расположены главные полюса, которые позиционируются радиально друг относительно друга и изготовлены из постоянных магнитов, якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через контактные кольца, расположенные на внешней стороне корпуса ротора, причем щетки щеточно-коллекторного аппарата, зафиксированные щеткодержателями во внутренней расточке корпуса ротора, расположены перпендикулярно главным полюсам, одновременно с этим на подшипниковом щите расположена обгонная муфта, соединяющая подшипниковый щит с подшипниковой крышкой ротора, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые источником механической энергии и обмоткой якоря от главных полюсов, совпадали по направлению.

Возможность использования одного возобновляемого источника энергии, например только от источника механической энергии или только от источника электрической энергии, поступающей от фотоэлектрических преобразователей или от энергии аккумуляторных батарей, отдельно и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию трехфазного переменного тока, ведет к расширению области применения электромеханического преобразователя, увеличению количества и равномерности поступления энергии трехфазного переменного тока, повышению надежности и стабильности работы энергосистемы.

Это осуществляется за счет конструктивных особенностей гибридной двухмерной электрической машины-генератора, которые позволяют энергии поступать как совместно, так и раздельно с двух сторон: от источника механической энергии и (или) со стороны источника постоянного тока в виде вращающего момента на ротор с главными полюсами.

Сущность устройства поясняется фигурами.

На фиг. 1 изображен в разрезе главный вид гибридной двухмерной электрической машины-генератора (ГДЭМ-Г).

На фиг. 2 изображен в разрезе главный вид ГДЭМ-Г при повороте ротора на 90 градусов.

На фиг. 3 в разрезе представлена модель ГДЭМ-Г, позволяющая описать принцип ее работы (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1 и фиг. 2).

На фиг. 4 в разрезе представлена модель ГДЭМ-Г, позволяющая описать принцип ее работы (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3).

На фиг. 5 в разрезе представлена модель ГДЭМ-Г, позволяющая описать принцип ее работы (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3).

ГДЭМ-Г содержит якорь 1 машины постоянного тока с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6. Коллектор 4 совместно с щеткодержателями 5 и щетками 6 образуют щеточно-коллекторный аппарат машины (фиг. 1, фиг. 2). К щеткам 6 подключены провода 7, соединенные с контактными кольцами 8, которые расположены на внешней стороне корпуса 9 ротора с цилиндрической расточкой и изолированы от нее. Контактные кольца 8 при помощи щеток 10 посредством проводов 11 связывают обмотку 2 с источником постоянного тока (фиг. 1, фиг. 2).

Также в пазах 3 дополнительно уложена трехфазная генераторная обмотка переменного тока 12, выход которой 13 с помощью трех контактных колец 14 и трех щеток 15 соединен с сетью потребителей переменного тока. Щетки 15 посредством проводов 16 связывают обмотку 12 с сетью переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям (фиг. 2).

Во внутренней цилиндрической расточке корпуса 9 ротора расположены главные полюса 17, 18, которые позиционируются радиально друг относительно друга и изготовлены из постоянных магнитов (фиг. 1 - фиг. 5).

Щетки 6 щеточно-коллекторного аппарата, зафиксированные щеткодержателями 5 во внутренней расточке корпуса 9 ротора, расположены перпендикулярно главным полюсам 17, 18.

Подшипниковые щиты 19, подшипниковые крышки 20 ротора с подшипниками 21, 22 и валом 23 обеспечивают концентрическое расположение якоря 1 и главных полюсов 17, 18 и возможность их одновременного вращения.

На подшипниковом щите 19 расположена обгонная муфта 24, соединяющая подшипниковый щит 19 с подшипниковой крышкой 20 ротора.

Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые источником механической энергии и обмоткой якоря 2 от главных полюсов 17, 18, совпадали по направлению.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 17, 18, проходит от главного полюса 17, через рабочие воздушные зазоры 25, якорь 1 и от него через корпус 9 ротора замыкается на главном полюсе 18 (фиг. 3).

Электрическая машина-генератор имеет две вращающиеся части и две степени свободы, является гибридной, и сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов.

Гибридная двухмерная электрическая машина-генератор работает следующим образом.

При отсутствии механической энергии, но наличии электрической энергии постоянного тока, постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторной батареи через провода 11, щетки 10, контактные кольца 8, которые расположены на внешней стороне корпуса 9 ротора с цилиндрической расточкой, провода 7, щетки 6, коллектор 4 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута, по ней потечет постоянный ток.

Щетки 6 щеточно-коллекторного аппарата, зафиксированные щеткодержателями 5 во внутренней расточке корпуса 9 ротора, и расположены перпендикулярно главным полюсам 17, 18, создающие основной магнитный поток Ф, который проходит от главного полюса 17 через рабочие воздушные зазоры 25, якорь 1 и от него через корпус 9 ротора замыкается на главном полюсе 18.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1, будут действовать электромагнитные силы, величина которых находится из соотношения (Вольдек А.И. Электрические машины. - Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.: «Энергия», 1974. - 840 с., стр. 30):

Fпр=BlIa, (1)

где - величина магнитной индукции;

- ток, протекающий по проводнику обмотки якоря;

- активная длина магнитопровода якоря.

Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 17, 18. Вал 23 якоря 1 с обмоткой 2 и главные полюса 17, 18 придут во вращение в противоположных направлениях под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами, на подшипниках 21, 22 (фиг. 4).

Так как основной магнитный поток Ф пересекает якорь 1, в пазах 3 которого дополнительно уложена трехфазная генераторная обмотка переменного тока 12, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС:

(2)

где - скорость изменения магнитного потока;

- число витков трехфазной генераторной обмотки переменного тока 12.

Если при помощи проводов 16 подключить электрическую нагрузку, то электрическая цепь через три щетки 15, три контактных кольца 14, выход 13, трехфазную генераторную обмотку переменного тока 12 будет замкнута, и в ней возникнет переменный ток.

При наличии механической энергии, но отсутствии электрической энергии постоянного тока, например, гидротурбина, вращает вал 23 якоря 1, при этом главные полюса 17, 18 становятся ведомыми по отношению к якорю 1, и обгонная муфта 24 соединяет подшипниковый щит 19 с подшипниковой крышкой 20 ротора, и главные полюса 17, 18 фиксируются неподвижно по отношению к подшипниковому щиту 19 (фиг. 5).

Так как основной магнитный поток Ф пересекает якорь 1, в пазах 3 которого дополнительно уложена трехфазная генераторная обмотка переменного тока 12, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС, величина которой определяется по формуле 2.

Если при помощи проводов 16 подключить электрическую нагрузку, то электрическая цепь через три щетки 15, три контактных кольца 14, выход 13, трехфазную генераторную обмотку переменного тока 12 будет замкнута, и в ней возникнет переменный ток.

При наличии источника механической энергии и источника электрической энергии постоянного тока постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторной батареи через провода 11, щетки 10, контактные кольца 8, которые расположены на внешней стороне корпуса 9 ротора с цилиндрической расточкой, провода 7, щетки 6, коллектор 4 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута, по ней потечет постоянный ток.

Щетки 6 щеточно-коллекторного аппарата, зафиксированные щеткодержателями 5 во внутренней расточке корпуса 9 ротора, и расположены перпендикулярно главным полюсам 17, 18, создающие основной магнитный поток Ф, который проходит от главного полюса 17 через рабочие воздушные зазоры 25, якорь 1 и от него через корпус 9 ротора замыкается на главном полюсе 18.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1, будут действовать электромагнитные силы, величина которых находится по формуле 1. Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 17, 18. Вал 23 якоря 1 с обмоткой 2 и главные полюса 17, 18 придут во вращение в противоположных направлениях под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами, на подшипниках 21, 22.

При этом полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые источником механической энергии и обмоткой 2 якоря 1 от главных полюсов 17, 18, совпадали по направлению, что позволяет передавать энергию (в виде дополнительного вращающегося момента) от источника механической энергии к якорю 1, суммируя энергию ВИЭ.

Так как основной магнитный поток Ф пересекает якорь 1, в пазах 3 которого дополнительно уложена трехфазная генераторная обмотка переменного тока 12, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС по формуле 2.

Если при помощи проводов 16 подключить электрическую нагрузку, то электрическая цепь через три щетки 15, три контактных кольца 14, выход 13, трехфазную генераторную обмотку переменного тока 12 будет замкнута, и в ней возникнет переменный ток.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в увеличении количества, равномерности поступления электрической энергии трехфазного переменного напряжения, повышении надежности и стабильности работы энергосистемы. Гибридная двухмерная электрическая машина-генератор содержит якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга. В пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью переменного тока. Источник механической энергии передает вращающий момент через вал к якорю. Во внутренней цилиндрической расточке корпуса ротора расположены главные полюса, которые позиционируются радиально друг относительно друга и изготовлены из постоянных магнитов. Якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через контактные кольца, расположенные на внешней стороне корпуса ротора. Щетки щеточно-коллекторного аппарата, зафиксированные щеткодержателями во внутренней расточке корпуса ротора, расположены перпендикулярно главным полюсам. Одновременно с этим на подшипниковом щите расположена обгонная муфта, соединяющая подшипниковый щит с подшипниковой крышкой ротора. Причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые источником механической энергии и обмоткой якоря от главных полюсов, совпадали по направлению. 5 ил.

Гибридная двухмерная электрическая машина-генератор, содержащая якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, и ротор, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью переменного тока, отличающаяся тем, что источник механической энергии передает вращающий момент через вал к якорю, во внутренней цилиндрической расточке корпуса ротора расположены главные полюса, которые позиционируются радиально друг относительно друга и изготовлены из постоянных магнитов, якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через контактные кольца, расположенные на внешней стороне корпуса ротора, причем щетки щеточно-коллекторного аппарата, зафиксированные щеткодержателями во внутренней расточке корпуса ротора, расположены перпендикулярно главным полюсам, одновременно с этим на подшипниковом щите расположена обгонная муфта, соединяющая подшипниковый щит с подшипниковой крышкой ротора, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые источником механической энергии и обмоткой якоря от главных полюсов, совпадали по направлению.