Беспазовый магнитопровод статора электромеханических преобразователей энергии из аморфного железа с минимальным влиянием вихревых токов (варианты)
FREE-PHASE MAGNETIC CORE STATOR OF ELECTROMECHANICAL ENERGY CONVERTERS FROM AMORPHOUS IRON WITH MINIMUM INFLUENCE OF VORTEX CURRENTS (OPTIONS)

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов.
Известна торцевая электрическая машина (патент РФ №2246168, МПК Н02К 21/24, опубл. 10.02.2005 г.), включающая статор с обмоткой, закрепленный в корпусе, обращенный рабочими поверхностями к двум дискообразным роторам, расположенным с двух сторон от статора, установленным в подшипниках качения, статор выполнен из двух половин, в каждой из которых залит компаундом автономный зубцовый слой, распределенная обмотка в виде обмоточных модулей и ярмо, навитое из стальной ленты, установленных по разные стороны этого диска, причем с обеих сторон диска выполнены центрирующие пояски, на которых сцентрированы пластины обмоточных модулей, а на дисках двух роторов со стороны рабочих поверхностей статора выполнены по два центрирующих пояска, между которыми смонтированы постоянные магниты, полюсные наконечники которых имеют форму пластины с уменьшающимся к краям сечением.
Недостатком торцевой электрической машины является технологическая сложность в изготовлении, ограниченные функциональные возможности, высокие потери на перемагничивание и вихревые токи.
Известна торцевая электрическая машина (патент РФ №2313888, МПК Н02К 21/24, Н02К 21/12, Н02К 16/02, опубл. 27.12.2007 г.), содержащая статор, включающий диск, закрепленный в корпусе, и обмоточные модули, обращенные рабочими поверхностями к соответствующим дискообразным роторам с короткозамкнутыми обмотками, расположенным с двух сторон от статора и установленным в подшипниках качения, в диске статора выполнены прорези под обмоточные модули, края которых (отгибы) у двух соседних прорезей направлены в одну сторону диска, а у двух следующих прорезей - в противоположную, в которых обмоточные модули размещены таким образом, что между двумя пакетами пластин одного обмоточного модуля расположены по одному пакету пластин двух соседних обмоточных модулей с противоположной стороны диска, кроме того, на диске статора в промежутках между прорезями под обмоточные модули в радиальном направлении выполнены щелевидные прорези.
Недостатком торцевой электрической машины является технологическая сложность в изготовлении, ограниченные функциональные возможности, высокие потери на перемагничивание и вихревые токи.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является торцевая электрическая машина (А.с. СССР №462255, МПК Н02К 17/02, Н02К 5/04, опубл. 28.02.1975 г.), содержащая беспазовый статор, набранный из катушечных групп, активная часть которых выполнена из чередующихся между собой проводников обмотки и отделенных слоем изоляции листовых ферромагнитных элементов, остов статора, на котором укреплены активные части катушечных групп и два ротора, расположенные по разные стороны статора, причем остов статора выполнен из материала с большим электрическим сопротивлением и имеет посадочные места для установки в них катушечных групп.
Недостатком торцевой электрической машины является технологическая сложность в изготовлении, ограниченные функциональные возможности, высокие потери на перемагничивание и вихревые токи.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей беспазового магнитопровода статора электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) из нити аморфного железа, благодаря повышению выходной мощности при неизменных массогабаритных показателях, повышение эффективности и удельных показателей беспазового магнитопровода статора из нити аморфного железа в составе электромеханических преобразователей энергии.
Техническим результатом является повышение надежности, энергоэффективности и минимизация тепловыделений электромеханических преобразователей энергии, повышение КПД ЭМПЭ на 1-2%, а также снижение потерь в магнитопроводе создаваемыми полями лобовых частей ЭМПЭ.
Поставленная задача по первому варианту решается и указанный технический результат достигается тем, что в беспазовом магнитопроводе статора электромеханических преобразователей энергии из аморфного железа с минимальным влиянием вихревых токов, содержащим катушечные группы, установленные на беспазовом магнитопроводе статора, выполненного в виде полого цилиндра, во внутренней части которого смонтирован ротор, согласно изобретению полый цилиндр беспазового магнитопровода статора выполнен витым из тонкой нити аморфного железа, а на внутренние и внешние стенки полого цилиндра беспазового магнитопровода статора смонтированы катушечные группы в виде тороидальных обмоток.
Поставленная задача по второму варианту решается и указанный технический результат достигается тем, что в беспазовом магнитопроводе статора электромеханических преобразователей энергии из аморфного железа с минимальным влиянием вихревых токов, содержащим катушечные группы, установленные на беспазовом магнитопроводе статора, выполненного в виде полого цилиндра, во внутренней части которого смонтирован ротор, согласно изобретению полый цилиндр беспазового магнитопровода статора состоит из трех частей, средняя часть выполнена витой их ленты аморфного железа, а торцы беспазового магнитопровода выполнены витыми из тонкой нити аморфного железа, причем длина торцевых частей равна глубине проникновения магнитного потока, исходящего от лобовых частей ЭМПЭ, а на внутренние и внешние стенки полого цилиндра беспазового магнитопровода статора смонтированы катушечные группы в виде тороидальных обмоток.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 и на фиг. 2 показан 3-D вид беспазового магнитопровода статора электромеханических преобразователей энергии из аморфного железа с минимальным влиянием вихревых токов, для первого и второго вариантов соответственно, на фиг. 3 показан продольный разрез предложенной конструкции по варианту 1, на фиг. 4 показан продольный разрез предложенной конструкции по варианту 2.
Предложенное устройство по первому варианту содержит (фиг. 2) полый цилиндр 1, который образует беспазовый магнитопровод статора, выполненный витым из тонкой нити аморфного железа, с целью минимизации потерь на вихревые токи в активной части и в лобовых частях беспазового магнитопровода статора. На внутренние и внешние стенки полого цилиндра 1 установлены катушечные группы 2, в виде тороидальных обмоток. Полый цилиндр 1 и катушечные группы 2 залиты эпоксидным клеем, для обеспечения механической прочности. Внутри полого цилиндра 1 установлен магнитоэлектрический ротор 3 электромеханического преобразователя энергии.
Предложенное устройство по второму варианту содержит (фиг. 3) полый цилиндр 1, который состоит из трех частей, средняя часть выполнена витой их ленты аморфного железа 2, а торцы беспазового магнитопровода выполнены витыми из тонкой нити аморфного железа 3. На внутренних и внешних стенках полого цилиндра беспазового магнитопровода статора установлены катушечные группы в виде тороидальных обмоток 4. Полый цилиндр 1, катушечные группы 4 залиты эпоксидным клеем, для обеспечения механической прочности. Внутри полого цилиндра 1 установлен магнитоэлектрический ротор 5 электромеханического преобразователя энергии.
Предложенное устройство по первому варианту работает следующим образом: при вращении ротора 3, по полому цилиндру 1, выполненному из нити аморфного железа, протекает магнитный поток возбуждения. При этом по закону электромагнитной индукции в катушечных группах 2 наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки, частоты вращения ротора 1 и магнитного потока возбуждения. При подключении нагрузки в катушечных группах 2 начинает протекать ток, при этом создаются тепловые потери в катушечных группах 2, обусловленные током в катушечных группах 2 и их активным сопротивлением, а также потери на вихревые токи, обусловленные частотой вращения ротора, размерами обмотки и ее удельным сопротивлением, тепловые потери в полом цилиндре 1, обусловленные величиной магнитного потока возбуждения, массой полого цилиндра 2 и удельными потерями материала нити аморфного железа - материала полого цилиндра 1, потери энергии на трение ротора 3 с воздухом, обусловленные частотой вращения ротора 3, его геометрическими размерами, температурой воздуха и давлением в зазоре между ротором 1 и полом роторе 3. Мощность, затрачиваемая на нагрев полого цилиндра вихревыми токами, снижает КПД электромеханических преобразователей энергии. Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, в прототипе увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого магнитопровод статора набирают из отдельных тонких листов, изолированных друг от друга с помощью лака или окалины. Однако путь вихревых токов, индуцируемых в тонких листах, пролегает по всему поперечному сечению листа. Для минимизации потерь на вихревые токи, т.е. минимизацию путей вихревых токов в магнитопроводе статора - полом цилиндре 1, полый цилиндр 1 выполняют витым из тонкой изолированной нити аморфного железа (фиг. 2). Кроме того, материал аморфное железо обладает минимально возможными удельными потерями на перемагничивание и вихревые токи (0,1-1 Вт/кг). В совокупности, тем самым снижают потери, создаваемые полями рассеяния в лобовых частях, и удельные потери в беспазовом магнитопроводе статора. Для обеспечения механической прочности, конструкцию из полого цилиндра 1 и катушечных групп 2 заливают эпоксидным клеем.
Предложенное устройство по второму варианту работает следующим образом: при вращении ротора 5, по полому цилиндру 1, выполненному из нити аморфного железа, протекает магнитный поток возбуждения. При этом по закону электромагнитной индукции в катушечных группах 4 наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки, частоты вращения ротора 1 и магнитного потока возбуждения. При подключении нагрузки в катушечных группах 4 начинает протекать ток, при этом создаются тепловые потери в катушечных группах 4, обусловленные наличием тока в них и их активным сопротивлением, а также потери на вихревые токи, обусловленные частотой вращения ротора, размерами обмотки и ее удельным сопротивлением, тепловые потери в полом цилиндре 1, обусловленные величиной магнитного потока возбуждения, массой полого цилиндра 1 и удельными потерями материала нити аморфного железа - материала полого цилиндра 1, потери энергии на трение ротора 5 с воздухом, обусловленные частотой вращения ротора 5, его геометрическими размерами, температурой воздуха и давлением в зазоре между ротором 1 и полом роторе 3. Мощность, затрачиваемая на нагрев полого цилиндра вихревыми токами, снижает КПД электромеханических преобразователей энергии. Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, в прототипе увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого магнитопровод статора набирают из отдельных тонких листов, изолированных друг от друга с помощью лака или окалины. Однако путь вихревых токов, индуцируемых в тонких листах, пролегает по всему поперечному сечению листа. Особенно негативное влияние вихревых токов, исходящих от полей рассеивания, присутствует в лобовых частях беспазового магнитопровода, выполненного в виде цилиндра 1. Негативное влияние вихревых токов в активное длине полого цилиндра 1 не столь высоко, как в лобовых частях, в частях с торцов полого цилиндра 1. Поэтому авторами предлагается разделить полый цилиндр 1 на три части: две торцевые 3 и среднюю часть 2. Средняя часть 2 выполнена витой их ленты аморфного железа, а торцы 3 беспазового магнитопровода (полого цилиндра 1) выполнены витыми из тонкой нити аморфного железа, с целью минимизации потерь на вихревые токи в лобовых частях полого цилиндра 1, причем длина торцевых частей 3 равна глубине проникновения магнитного потока, исходящего от лобовых частей ЭМПЭ, а уже на внутренние и внешние стенки полого цилиндра монтируются катушечные группы в виде тороидальных обмоток 4, вся описанная конструкция залита эпоксидным клеем, с целью обеспечения механической прочности.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности, повысить выходную мощность при неизменных массогабаритных показателях и повысить удельные показатели электромеханических преобразователей энергии и снизить негативное влияние вихревых токов на работу ЭМПЭ.