ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электротехнике и представляет собой электрическую машину с возбуждением постоянными магнитами, предназначенную для генерации переменного напряжения и питания нагрузки.
Уровень техники. Из уровня техники известен униполярный генератор тока [патент РФ на изобретение №2518461], содержащий вращающийся ротор и неподвижный статор. В качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска. В качестве неподвижного статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля, а количество секторов ротора равно количеству полюсов статора или больше, причем полюса статора вращающегося магнитного поля могут быть созданы вращающимися магнитами, либо электромагнитами, либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающееся постоянное или переменное поле. Количество вращающихся полюсов может быть 2 или больше при соблюдении условия, что направления ЭДС, создаваемые в роторе диаметрально расположенными полюсами, сонаправлены, а соседние полюса (по периметру) создают чередования направлений диаметральной полярности ЭДС на роторе.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие скользящего контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность, а также отсутствие защиты от превышения выходным напряжением допустимого предела при аварийном превышении скорости вращения.
Также известна синхронная электрическая машина [Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Юрайт, 2014], содержащая многополюсной ротор, и оснащенный расположенной в его пазах трехфазной обмоткой статор. При этом в качестве возбуждения полюсов ротора может использоваться электрическая обмотка, получающая питание с контактных колец ротора, либо постоянные магниты. В обоих вариантах магнитные полюса ротора имеют чередующуюся полярность "север" и "юг", на каждом полюсе установлен полюсной наконечник с параллельными продольной оси полюса боковыми краями.
Данное решение принимается за основной прототип, наиболее близкий по своей технической сущности.
К недостаткам этого решения можно отнести отсутствие защиты от превышения выходным напряжением допустимого предела при аварийном превышении номинальной скорости вращения (угон) при использовании магнитов в качестве полюсов ротора.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин, в том числе использующих постоянные магниты для возбуждения ЭДС в своих выходных обмотках для питания нагрузки переменным током. Использование постоянных магнитов в качестве замены обмоткам полюсов обеспечивает улучшение массы и габаритов электрической машины в целом. Также повышается и коэффициент полезного действия, снижаются потери на возбуждение магнитного поля. Единственным принципиальным недостатком таких решений является невозможность гашения поля, то есть генератор продолжает наводить ЭДС в обмотках, пока продолжается механическое вращение электрической машины. Также это означает невозможность снятия напряжения с механически вращающейся электрической машины до полной остановки в случае короткого замыкания в собственных обмотках. Данный недостаток ведет к возможности серьезных необратимых повреждений на статоре, вплоть до возгорания и выделения токсичных веществ, что угрожает безопасности обслуживающего персонала. Такой недостаток относится и к техническому решению, принятому за основной прототип.
В заявляемом решении предлагается использовать полюсные вставки, выполненные из магнитного материала, в качестве шунтирующей магнитные полюса перемычки. В таком случае, магнитный поток постоянных магнитов замыкается между смежными полюсами ротора, имеющими чередующуюся полярность, напрямую минуя зубцы статора. Этому способствует наличие воздушного зазора между зубцами статора и ротора, который достигает в мощных машинах 3-4 миллиметров. Магнитный поток полюсов замыкается всегда по кратчайшему пути, имеющему минимальное сопротивление [1, 2]. Поскольку радиус спинки пазов статора больше радиуса по наружной части полюсов ротора, а также учитывая наличие воздушного зазора и длины зубцов статора - линии магнитного поля будут замыкаться напрямую от полюса на полюс ротора, переходя через полюсную вставку. В обмотках статора при этом будет отсутствовать наведенная ЭДС, поскольку скорость нарастания индукции магнитного поля dB/dt будет равна нулю.
Для этого требуется обеспечить замыкание боковых краев полюсных наконечников смежных полюсов между собой, с минимальным воздушным зазором и кратчайшей длиной прохождения магнитного потока.
На фигуре 1 представлен вид сверху на полюсную вставку, имеющей трапецеидальную форму в поперечном сечении (сужающуюся кверху), и два сквозных отверстия для направляющих штырей. Полюсная вставка должна фиксироваться в поперечной плоскости, для чего она устанавливается на штырях, ограничивающих ее ход в боковом направлении. Скошенные края изображенной полюсной вставки предназначены для облегчения ее втягивания между полюсными наконечниками, с минимально возможным воздушным зазором. Это позволяет избежать заклинивания ее, как это происходило бы при втягивании полюсных вставок с краями, которые параллельны оси полюса. При этом поперечное сечение полюсных вставок должно быть идентично просветам между полюсными наконечниками.
Полюсные вставки и полюсные наконечники предлагаемого решения должны быть изготовлены из магнитного (т.е. ферромагнитного) материала, что обеспечивает эффективную передачу потока магнитов полюсов, и шунтирование магнитного потока полюсов магнитов ротора при помощи полюсных вставок между упомянутыми полюсами.
Для обеспечения полностью совпадающими с полюсными вставками воздушных просветов между смежными магнитными полюсами ротора, полюсные наконечники выполняются с симметрично скошенными боковыми краями, расширяющимися к наружной части ротора.
На фигуре 2 показано поперечное сечение ротора заявляемого решения, в исходном состоянии (электрическая машина остановлена, либо вращается с номинальной скоростью, защита от превышения частоты вращения (угона) не сработана). Статор заявляемого решения на фигуре 2 не показан, так как он хорошо описан в учебной литературе по электрическим машинам, и известен из уровня техники. В пазах статора уложена трехфазная обмотка, в которой наводится переменная ЭДС, с частотой, пропорциональной скорости вращения ротора электрической машины. Смена полярности полуволн ЭДС обмотки статора обусловлена чередованием полярности полюсов магнитов ротора. При изменении скорости вращения ротора, происходит не только изменение частоты ЭДС, наведенной в обмотке статора - но и изменение ее амплитуды. Причина этого в увеличении крутизны изменения магнитного потока dB/dt при увеличении скорости вращения ротора [1]. Таким образом, при аварийной ситуации, когда скорость вращения электрической машины значительно превышена - происходит также и повышение ЭДС обмотки статора, достигающее многократного превышения номинального уровня. При этом поле постоянных магнитов не может быть погашено снятием тока, как в обычных электрических машинах с обмотками на полюсах ротора. Единственным путем защиты питаемой нагрузки, а также и обмоток самой электрической машины, является замыкание (шунтирование) магнитного потока полюсов между собой, минуя статор.
Для указанной цели в заявляемом решении применяются полюсные вставки, замыкающие магнитный поток магнитов полюсов ротора через себя. В сработанном (притянутом) состоянии полюсные вставки удерживаются магнитным потоком, проходящим через них - что позволяет избежать "дребезга" и неполного срабатывания.
На фигуре 3 показано поперечное сечение ротора заявляемого решения в сработанном состоянии (полюсные вставки притянуты). Из рисунка видно, что полюсные вставки занимают воздушный промежуток между краями полюсных наконечников магнитов полюсов ротора. Полюсные вставки соединяются пружиной с валом ротора, причем в исходном состоянии (до превышения номинальной скорости вращения ротора) сила сжатия пружины притягивает полюсные вставки ближе к валу ротора. Стержни ограничивают отклонение полюсных вставок в поперечной оси, обеспечивая их точное втягивание в проемы между смежными полюсными наконечниками.
При вращении ротора электрической машины, показанные на фигуре 3 пружины, начинаются растягиваться центробежными силами, действующими на полюсные вставки наружу ротора, что вызывает их перемещение. Сила растяжения пружин должна быть выбрана таким образом, чтобы втягивание полюсных вставок происходит при значительном превышении номинальной скорости вращения.
При приближении полюсных вставок к полюсным наконечникам, на них начинают воздействовать пондеромоторные силы магнитного поля, что ускоряет процесс втягивания полюсных вставок. В сработанном состоянии, полюсные вставки замыкают магнитный поток полюсов ротора. Возврат в исходное состояние возможен установкой временных пластин.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая защиту обмоток статора и питаемой нагрузки от перенапряжений, сопровождающих превышение номинальной скорости вращения ротора электрической машины с возбуждением постоянными магнитами (угон).
Предлагаемое техническое решение является новым, имея следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
- ротор оснащается полюсными вставками, имеющими в разрезе трапецеидальный вид;
- в каждой полюсной вставке имеется два сквозных отверстия под направляющие штыри;
- полюсные вставки устанавливаются на направляющих штырях;
- полюсные вставки крепятся пружинами к валу ротора, и имеют свободных ход вдоль штырей;
- установленные на магнитах полюсные наконечники имеют края, которые расширяются к наружной части ротора;
- проемы между смежными полюсными наконечниками совпадают с формой и размерами полюсных вставок.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату -обеспечению защиты от перенапряжения при аварийном превышении скорости вращения ротора электрической машины.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен вид сверху на полюсную вставку электрической машины с постоянными магнитами. На фигуре 2 изображено поперечное сечение ротора электрической машины с постоянными магнитами при сработавшей защите от угона. Здесь 1 - магнит, 2 - полюсной наконечник, 3 - вал ротора, 4 - пружина, 5 - полюсная вставка, 6 - немагнитный штырь. На фигуре 3 изображено поперечное сечение ротора электрической машины с постоянными магнитами при сработавшей защите от угона по скорости вращения.
Список использованной литературы.
1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М: Юрайт, 2014.
2. Штелтинг Г., Байссе А. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 2015.