МОТОР-ГЕНЕРАТОР
MOTOR-GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции синхронных двигателей и генераторов с ротором на постоянных магнитах.
Уровень техники
Из уровня техники известно электромагнитное устройство, выполненное с возможностью обратимой работы в качестве генератора и электродвигателя (Патент RU 2516373, МПК Н02K 1/18, опубл. 20.05.2014). Электромагнитное устройство торцового типа включает статор и ротор, вращающийся между обращенными к нему поверхностями статора и несущий множество магнитов, распределенных через одинаковые интервалы вдоль его периферии. Магниты имеют четное число и расположены так, что они образуют на поверхностях ротора последовательность чередующихся противоположных полюсов, направленных к статору, при этом статор содержит два набора независимо поддерживаемых магнитных ярм, находящихся по обе стороны от ротора перед магнитами. Магнитные ярма имеют два ориентированных в осевом направлении плеча, торцевые поверхности которых, когда ротор находится в неподвижном состоянии, по меньшей мере, частично обращены к паре последовательных магнитов на одной и той же поверхности ротора.
В известном электромагнитном устройстве торцового типа индукция в П-образном сердечнике не может быть получена близкой к индукции насыщения материала сердечника, например, электротехнической стали, которая составляет не менее 1,7 Тл. Даже при применении дорогих высокоэнергетических постоянных магнитов типа NdFeB (неодим-железо-бор) и малых воздушных зазорах индукция в сердечниках будет не более 0,8÷0,9 Тл, а это значит, что момент устройства (мощность) будет примерно в два раза меньше, чем при индукции в сердечниках 1,7 Тл. Кроме того, для размещения одинакового количества и размеров сердечников требуется увеличивать диаметр ротора, а значит, ограничивается частота вращения при одинаковых конструкционных материалах.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является электрогенератор (Патент RU 2534046, МПК Н02K 21/24, опубл. 27.11.14), который содержит, по меньшей мере, один статор с установленными на нем по окружности магнитопроводами с обмотками. Ротор установлен на валу в виде диска или кольца, обращен одной стороной к статору и снабжен магнитными элементами, установленными на нем по окружности с возможностью магнитного взаимодействия с магнитопроводами статора. Магнитопроводы статора выполнены П-образными и обращены своими радиальными полюсами к ротору. Каждый магнитный элемент ротора выполнен в виде двух постоянных магнитов, обращенных разноименными полюсами, установленными радиально, к статору и соединенных магнитопроводом.
В известном устройстве индукция в П-образном сердечнике также не может быть получена близкой к индукции насыщения материала сердечника, например, электротехнической стали, которая составляет приблизительно 1,7 Тл. Даже при применении дорогих высокоэнергетических постоянных магнитов типа NdFeB и малых зазорах индукция в сердечниках будет не более 0,8÷0,9 Тл, т.е. мощность электрогенератора будет примерно в два раза меньше, чем при индукции в сердечниках 1,7 Тл. Кроме того, из-за намотки по две катушки на каждый П-образный сердечник, активное сопротивления обмотки будет большим, а это ведет к увеличенным потерям в меди и уменьшению КПД электрогенератора. Это также приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления электрогенератора.
Также недостатком данного изобретения, особенно при одном статоре, является наличие на холостом ходу большого момента фиксации ротора за счет сцепления магнитного потока постоянных магнитов ротора с П-образными сердечниками статора, что при вращении ротора приводит к пульсации момента при работе устройства в режиме генератора. Для снижения пульсаций момента может потребоваться маховик.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание упрощенной конструкции мотор-генератора повышенной надежности и с более высоким КПД.
Для достижения технического результата предложен мотор-генератор, который содержит, по меньшей мере, один статор, состоящий из двух подшипниковых щитов, содержащих П-образные ферромагнитные сердечники, и ротор, выполненный из немагнитного диска с четным числом постоянных магнитов, вращающийся между обращенными к нему П-образными сердечниками щитов.
Новым является то, что ротор содержит радиально установленные постоянные магниты с двумя полюсными наконечниками из ферромагнитного материала на каждом магните, а каждый щит статора содержит одну общую для всех П-образных сердечников щита концентрическую катушку, расположенную в пазах П-образных сердечников, число П-образных сердечников одного щита статора в два раза меньше числа постоянных магнитов и равно числу пар полюсов (р), при этом П-образные сердечники одного щита статора сдвинуты относительно П-образных сердечников другого щита статора на 90 электрических градусов, причем концентрическая катушка, установленная на одном щите, является одной фазой электрической машины, а концентрическая катушка, установленная на другом щите, является другой фазой двухфазного мотор-генератора, при этом геометрический угловой сдвиг α между П-образными сердечниками щитов равен:
где: р – число П-образных сердечников одного щита статора.
П-образные сердечники и полюсные наконечники могут быть выполнены шихтованными из пластин материала с относительно высокой индукцией насыщения, например, электротехнической стали.
П-образные сердечники и полюсные наконечники могут быть выполнены из магнитопроводящего материала с относительно малой индукцией насыщения.
Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На фиг. 1 представлен общий вид мотор-генератора без корпуса, на фиг. 2 – ротор с постоянными магнитами и полюсными наконечниками, на фиг. 3 – задний подшипниковый щит с П-образными сердечниками и одной концентрической катушкой (фазой), на фиг. 4 показан осевой продольный разрез устройства.
Осуществление изобретения
Мотор-генератор состоит из диска ротора 1 из немагнитного материала с постоянными магнитами 2, полюсных наконечников 4 и статора на подшипниковых щитах 3. Ротор имеет четное число постоянных магнитов 2, намагниченных по радиусу, с двумя полюсными наконечниками 4 на каждом магните. Магниты имеют чередующуюся полярность. Число П-образных сердечников 5 статора (р), установленных на каждом подшипниковом щите 3, в два раза меньше числа постоянных магнитов 2. В пазах П-образных сердечников 5 статора установлены концентрические катушки 6, каждая из которых является фазой двухфазного мотор-генератора – на одном щите фаза U, а на другом, сдвинутая на 90 электрических градусов относительно первой фазы – фаза V.
Геометрический угловой сдвиг α между П-образными сердечниками щитов зависит от числа полюсов ротора (2р) и равен:
При низких частотах вращения и, соответственно, относительно низкой частотой перемагничивания магнитопровода П-образные сердечники и полюсные наконечники могут быть выполнены шихтованными из пластин электротехнической стали с индукцией насыщения более 1,7 Тл. При этом электромагнитный момент возрастает приблизительно пропорционально индукции в магнитопроводе. Для обеспечения требуемой индукции выбирается требуемый осевой размер постоянного магнита.
При высоких частотах вращения и, соответственно, высокой частотой перемагничивания магнитопровода П-образные сердечники и полюсные наконечники могут быть выполнены, например, из ферритов, у которых низкая (не более 0,5 Тл) индукция насыщения, но при этом высокая допустимая частота перемагничивания (до нескольких МГц). При этом для обеспечения требуемой индукции могут применяться более дешевые постоянные магниты.
Работа устройства
Магнитные потоки, создаваемые радиально установленными постоянными магнитами, при помощи полюсных наконечников изменяют направление с радиального на осевое.
Поскольку в заявляемом мотор-генераторе П-образные сердечники одного подшипникового щита сдвинуты на 90 электрических градусов относительно П-образных сердечников другого подшипникового щита, то момент фиксации ротора существенно меньше, чем в ближайшем аналоге.
В генераторном режиме при вращении ротора 1 в момент совпадения торцевых поверхностей П-образных сердечников 5 одного подшипникового щита 3 с торцевыми поверхностями полюсных наконечников магнитные потоки половины полюсов одной полярности складываются и охватывают концентрическую катушку 6 одной из фаз, например фазу U. Магнитный поток, охватывающий концентрическую катушку 6 фазы V, в это время равен нулю. Затем поток фазы U уменьшается до нуля, а поток фазы V достигает максимума, потом направление магнитного потока изменяется на обратное и т.д.
При этом в каждой фазе наводятся двухполярные электродвижущие силы, которые сдвинуты друг относительно друга на 90 электрических градусов. Таким образом, заявляемая конструкция представляет собой полноценную двухфазную систему мотор-генератора переменного тока.
В предложенном решении активное сопротивление фазы обмотки значительно меньше, чем в ближайшем аналоге, что приводит к уменьшению потерь в меди и увеличению КПД устройства.
Изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить надежность мотор-генератора за счет упрощения обмотки и повысить КПД за счет уменьшения активного сопротивление фазы обмотки.
Кроме того, уменьшается стоимость мотор-генератора, так как уменьшается объем постоянных магнитов, поскольку один и тот же магнит работает поочередно на обе фазы и могут использоваться бюджетные постоянные магниты (например, феррит-бариевый магнит).
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения неизвестна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям.
Заявленная совокупность существенных признаков позволяет достигнуть неочевидных технических результатов, которые не были достигнуты известными техническими решениями на дату подачи настоящей заявки, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».