ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
ELECTRICAL MACHINE WITH CONSTANT MAGNET

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может применяться в народном хозяйстве и в быту. Прототипом изобретения является "Генератор электрической энергии", патент RU №2178940 С2, опубл. в Бюл. №3 27.01.2002 г. Основным недостатком генератора является то, что постоянные магниты, установленные вплотную друг к другу одноименными полюсами, работают в режиме размагничивания, что резко сокращает их срок эксплуатации и в итоге снижает КПД генератора.
Некоторые изменения в конструкции генератора позволят исключить данные недостатки и создать электрическую машину с большим КПД.
Технически данная задача решается следующим образом. Так же, как и генератор электрическая машина с постоянными магнитами состоит из одной или нескольких магнитоэлектрических машин, находящихся на одном валу или жесткосцепленных между собой муфтами, каждая из которых имеет кольцевой статор с постоянными магнитами в виде отрезков полого тора С-образной формы в поперечном сечении, аксиально намагниченными и вмонтированными в матрицы, заключенные в кольцевой цилиндрический корпус со щелью на внутренней стороне, закрытый основаниями, соединенными с валом машины через подшипники, ротор в виде массивного диска или цилиндра, жесткосвязанного с валом машины, на периферии которого на кронштейнах, проходящих через щель статора в его полость, крепятся катушки электромагнитов, закрытые на торцах обтекателями, с сердечниками из магнитомягкого материала, и коммутационное устройство электромеханического или электронного типов, расположенное на статоре и роторе в виде щеточно-коллекторного или электронного механизмов, отличается тем, что кольцевой статор разделен на четное число, но более двух, равных частей, в которых через каждую одну пустую часть установлены матрицы с вмонтированными в них постоянными магнитами разноименными полюсами друг к другу, образующими наружную межмагнитную и внутреннюю межполюсную магнитные системы статора с примерно равновеликим распределением магнитных потоков, достигаемым путем изменения конфигурации торцов постоянных магнитов; катушки электромагнитов на роторе имеют длину, равную длине постоянного магнита, расположены на равном расстоянии одна от другой, образуя симметричную фигуру ротора, в количестве более двух, но неравном числу постоянных магнитов, и распределены по окружности статора таким образом, чтобы в процессе перемещения электромагнитов в полости статора в устойчивом положении одномоментно мог находиться только один электромагнит, занимая внутреннее межполюсное или внешнее межмагнитное пространство, не только в одной магнитоэлектрической машине, но и во всей связке машин, находящихся на одном валу, путем смещения их роторов или статоров на некоторый угол относительно друг друга.
Конструктивно электрическая машина с постоянными магнитами выполнена таким образом. На фиг.1 показан общий вид электрической машины с постоянными магнитами. В цилиндрическом корпусе 2 размещено несколько магнитоэлектрических машин 3, находящихся на одном валу 1 и жесткосцепленных муфтами 4. На фиг.2 показана магнитоэлектрическая машина в сборе. Она имеет вид плоского цилиндра 3 с основаниями 5, опирающимися на вал машины 1 через подшипники 6. Магнитоэлектрическая машина состоит из кольцевого статора, ротора и коммутационного устройства. Статор имеет постоянные магниты 9, вмонтированные в матрицы 8, заключенные в кольцевой цилиндрический корпус 7 со щелью на внутренней стороне его. На одном из оснований располагается переключающее устройство 13. На фиг.3 показано продольное сечение статора с расположенными в нем электромагнитами ротора.
Н
В
Кольцо статора разделено на 8 равных частей (их может быть и больше). В них через каждую одну пустую часть установлены матрицы 8 с вмонтированными в них постоянными магнитами 9 в виде отрезков тора С-образной формы в поперечном сечении, намагниченные аксиально и расположенные разноименными полюсами друг к другу, что способствует их намагничиванию. Распределенные таким образом постоянные магниты образуют наружную межмагнитную и внутреннюю межполюсную магнитные системы статора примерно с равновеликим распределением магнитных потоков (Ф и Ф на фиг.3). Такое равенство потоков можно осуществить путем изменения конфигурации торцов постоянных магнитов, полагая, что магнитные силовые линии перпендикулярны их поверхностям. Чтобы избежать рассеивания магнитных потоков и возникновения токов Фуко, все другие части статора и ротора изготавляются из немагнитных материалов с большим удельным электрическим сопротивлением.
Ротор магнитоэлектрической машины, показанный на фиг.2, 4, выполнен в виде массивного диска или цилиндра 12, на периферии которого размещены кронштейны 11, проходящие через щель статора. На них болтами 14 крепятся катушки 10-1 электромагнитов 10 с сердечниками 10-2 из магнитомягкого материала, но с большим удельным электрическим сопротивлением, закрытые обтекателями 15. Катушки проводами 16 через штепсельные разъемы 17 (что упрощает их замену) соединяются с коммутационным устройством 13 непосредственно или через элементы электроники (18 на фиг.5). Электромагниты имеют длину, равную длине постоянного магнита, и располагаются на равном расстоянии один от другого, образуя симметричную фигуру ротора. Количество электромагнитов более двух, но неравное числу постоянных магнитов. Пространственно они распределены по окружности статора таким образом, чтобы в процессе перемещения их в полости статора в устойчивом положении мог бы находиться одномоментно только один электромагнит, занимая внешнее межмагнитное или внутреннее межполюсное пространство.
При этом данное условие должно выполняться и во всей совокупности машин, находящихся на одном валу, путем смещения их роторов или статоров на некоторый угол относительно друг друга.
Коммутационное устройство 13 может быть электромеханического или электронного типов. Они состоят из статорной и роторной частей. На статоре размещены источники питания и щеточный механизм, содержащий щетки 13-2, заключенные в изоляционный сепаратор 13-1 (фиг.5). На роторе расположены коллектор из токопроводящих пластин 13-4 и изоляторов 13-3 или сплошные токопроводящие кольца 13-5 для электронных элементов 18. Обмотки электромагнитов 10 через штепсельные разъемы 17 соединяются проводами 16 или с коллекторными пластинами 13-4 непосредственно или через электронные элементы, типа герконов 18, чувствительных к изменениям полюсной полярности постоянных магнитов, около которых они перемещаются, с токопроводящими кольцами. На фиг.5а показана развернутая схема соединений обмоток электромагнитов с коммутационным устройством щеточно-коллекторного типа, а на фиг.5б - электронного типа.
Принцип действия магнитоэлектрической машины рассмотрим на примере ее работы в режиме электродвигателя на фиг.3, 5. На фиг.3 электромагнит 10а находится в полости постоянного магнита 9а. По существу, данное положение в динамике вращения ротора является критическим, так как короткозамкнутые магнитные силовые линии постоянного магнита и электромагнита сцепляют их в единое целое. Чтобы вывести электромагнит из этого устойчивого положения, необходимо, во-первых, обесточить обмотку электромагнита, что уже снизит величину общего магнитного потока, во-вторых, использовать усилия других электромагнитов 10б и 10в, находящихся в рабочем положении, и в-третьих, использовать инерцию вращающегося ротора 12. Под рабочим положением электромагнита понимается такое его расположение в полости статора, при котором электромагнит втягивается в полость постоянного магнита или выталкивается из нее. Электромагнит 10б выталкивается из магнита 9б, а электромагнит 10в втягивается магнитом 9г, создавая момент вращения по часовой стрелке. Их усилий и инерции вращающегося ротора достаточно, чтобы сдвинуть электромагнит с устойчивого положения. И как только его торцы чуть минуют торцы постоянного магнита 9а, коммутационное устройство 13 включит питание электромагнита 10а, создавая на концах его магнитные полюса, одноименные с полюсами постоянного магнита 9а, выталкивающие электромагнит 10а из его полости. Все электромагниты будут в рабочем положении. Затем устойчивое положение будет у следующего электромагнита 10б в межмагнитном пространстве 9б-9в. Но перед этим положением коммутационное устройство его обесточит и включит вновь, но уже с обратной полярностью, после прохождения им торцов постоянных магнитов 9б и 9в. Таким образом, коммутационное устройство 13 меняет полярность питания, подводимого к электромагнитам, на противоположную после прохождения ими каждого устойчивого положения. Если же поменять полярность на самом источнике питания, то электродвигатель будет вращаться в обратную сторону. Момент торможения при прохождении электромагнитов устойчивых положений будет минимальный и при работе машины в режиме генератора, так как электромагниты, находящиеся вне зон устойчивых положений, как 10б и 10в, создают моменты противоположно направленные и уравновешивающие друг друга.
Электрическая машина с постоянными магнитами, имеющая несколько магнитоэлектрических машин, может работать не только в режимах двигателя и генератора, но и одновременно в обоих режимах.