ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в области производства электрических машин.
Аналогом полезной модели является устройство (Авторское свидетельство СССР №1594655, кл. Н 02 К 14/06, 1984), содержащее статор (якорь) и ротор.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков аналога: «содержащая статор, ротор, кольцевую обмотку».
Недостатками аналога являются:
А. Большой расход меди из-за недоиспользования стали модулей.
Б. Большое индуктивное сопротивления рассеяния кольцевой обмотки.
В. Большая масса активной части якоря.
Прототипом полезной модели является электрическая машина с постоянными магнитами, содержащая статор (якорь) с зубцовой зоной и ротор (индуктор) (Балагуров В.А., Кецарис А.А., Лохнин В.В. Перспективы развития магнитоэлектрических генераторов с применением высококоэрцетивных постоянных магнитов. Электричество. 1977. №3. с.54-58).
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: «содержит якорь с зубцовой зоной, вал со втулкой, левый и правый торцевые щиты, вращающийся индуктор коллекторного типа, состоящий из магнитомягких полюсов, выполненных в виде сегментов, между
которыми расположены призматические магниты, намагниченные в тангенциальном направлении».
Недостатками прототипа в области низких частот вращения являются:
А. Большие активные сопротивления обмотки и расход меди якоря.
Б. Большое индуктивное сопротивление рассеяния якоря.
В. Большая масса активной части якоря.
Устранение недостатков может быть достигнуто путем установки на якоре магнитной цепи с аксиальным путем замыкания магнитного потока.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является: создание электрической машины с постоянными магнитами, с улучшенными параметрами активной части якоря в области низких частот вращения.
При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технические результаты:
А. Уменьшение активных сопротивлений обмотки и расхода меди якоря.
Б. Уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния якоря.
В. Уменьшение массы активной части якоря.
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что у электрической машины с постоянными магнитами, содержащей одномодульный (однофазный) якорь с зубцовой зоной, вал со втулкой, левый и правый торцевые щиты, вращающийся индуктор коллекторного типа с числом пар полюсов Р и полюсным делением Т, состоящий из магнитомягких полюсов, выполненных в виде сегментов и установленных между ними призматических постоянных магнитов с
тангенциальным намагничиванием и, при этом, станина, торцевые щиты и втулка выполнены из немагнитного материала, а на якоре в пределах его активной части высотой h установлен сплошной магнитомягкий или аксиально шихтованный кольцевой прямоугольный магнитопровод высотой h/2, примыкающий верхней гранью к станине и так, что оси симметрии его и активной части якоря совпадают, а 2•Р полюсов якоря выполнены в виде прямоугольных массивных или шихтованных пластин с толщиной Т и высотой h, и у которых с одной боковой стороны выполнен фигурный вырез, ниже которого расположен собственно полюс «когтеобразного типа», а выше - его фланцевая часть высотой, равной h/2 и установлены в аксиальном направлении радиально с шагом, равном 2·Т и Р из них - левые - между левым торцевым щитом и левой боковой поверхностью кольцевого магнитопровода, а другие Р полюсов - правые - между правой боковой поверхностью кольцевого магнитопровода и правым торцевым щитом и так, что левые и правые полюсы радиально смещены относительно друг друга на величину Т, а фигурные вырезы полюсов обращены друг к другу, образуя кольцевой паз, причем «когтеобразные» части левых и правых полюсов не пересекаются в радиальных плоскостях, и их фланцевые части образуют совместно с кольцевым магнитопроводом общий фланец якоря, а в кольцевом пазу установлена кольцевая обмотка якоря.
На фиг.1 показан продольный разрез машины; на фиг.2 показано взаимное расположение внутренних, обращенных к воздушному зазору, граней полюсов якоря и индуктора.
Электрическая машина с постоянными магнитами содержит вал 1, левый немагнитный торцевой щит 2, два немагнитных бандажных кольца 3, левые полюсы 4 и их фланцевые части 5, немагнитную станину 6, якорную кольцевую обмотку 7, кольцевой магнитопровод 9 и его установочные левые зубцы 8 и правые зубцы 10, правый полюс 11 и его фланцевая часть 12, правый немагнитный торцевой щит 13, постоянные магниты 14, немагнитная втулка 15 в виде двух торцевых колец, немагнитное цилиндрическое кольцо 16, магнитомягкие северные полюсы 17 индуктора и его южные полюсы 18, выводы обмотки якоря 19, пути потока индуктора во фланце полюсов якоря - линии 20 и в межполюсном пространстве индуктора - пунктирные линии 21.
Кроме того, полярность полюсов индуктора обозначена: S - южный полюс и N - северный.
Электрическая машина при одномодульном исполнении якоря работает в режиме генератора следующим образом.
При вращении индуктора от постороннего двигателя в определенный момент времени, левые полюсы 4 якоря числом Р, прилегающие к зазору, расположены над северными полюсами 17 индуктора, а правые полюсы 11 числом Р - над южными полюсами 18.
Таким образом Р пар полюсов индуктора создают одновременно аксиально направленный поток Ф=Р·Фп, где Фп - поток под одним полюсом якоря, и который замыкается по часовой стрелке вокруг катушки 7 по цепи 4-5-9-12-11-18-17-4. При повороте индуктора на его полюсное деление Т левые полюсы
якоря 4 будут уже располагаться над южными полюсами индуктора 18, а правые полюсы 11 якоря - над северными полюсами 17 индуктора. И в этом случае Р пар полюсов якоря создают поток Ф, замыкающийся в аксиальном направлении по указанной выше цепи, но против часовой стрелки. Следовательно, катушка 7 будет сцеплена с относительно большим знакопеременным потоком, изменяющимся с частотой F=Р•n/60, где n - частота вращения индуктора. На зажимах ее обмотки 19 появляется переменное с частотой F напряжение и ток при подключенной нагрузке.
Сравнительные технические оценки предлагаемой и традиционной электрической машины прототипа с радиальным потоком якоря и с одним и тем же индуктором коллекторного типа с внешним диаметром D=350,14 мм, с заданным объемом и типом постоянных магнитов, мощностью 1500 Вт при n=60 об/мин, плотностью тока обмотки якоря i=7 А/мм и степенью защиты IP44, приведены в таблице 1, где индукция В указана в предположении, что полюс якоря равен по длине полюсу индуктора, что имеет место у традиционной электрической машины.
Таблица 1.
Параметры
Обозначение
Предлагаемый генератор
Генератор прототипа
1.
2.
3.
4.
5.
Средняя индукция в воздушном зазоре машины,
В
0,41
0,41
0,8
Число витков обмотки Якоря
W
115,0
5030,0
2520,0
Сопротивление обмотки якоря, Ом при 20 С
R1
1,672
14,63
7,1
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря, Ом
X1
3,7
224,2
30,85
1.
2.
3.
4.
5.
Масса меди обмотки якоря, кг
Gм1
1,5
13,128
6,346
Объем магнитов, о.е.
Vм
1
1
2
Масса активной части якоря, Кг
G1
11,4
23,6
20,6
В графе 5 табл.1 значения отдельных величин получены при допустимых значениях В=0,8 Тл и линейной нагрузке А=360 А/см электромашины прототипа.
Одновременно отметим, что полюсы якоря 4 и 11 предлагаемой электромашины занимают меньше половины длины полюса индуктора 17 и 18, но под ними концентрируется поток, создающий индукцию В=0,8 Тл, поскольку указанные полюсы 17 и 18 - это полюсные наконечники для магнитов индуктора 14 и их поток свободно проходит в аксиальном направлении, концентрируясь под полюсами 4 или 11, поскольку обычно средняя индукция в самом полюсе индуктора не превышает 0,4-0,6 Тл. Поэтому коэффициент использования магнитов индуктора в предлагаемой электромашине составляет 85-95%.
С учетом сравнительных расчетов (табл.1) возможность осуществления полезной модели с реализацией указанного назначения подтверждается известностью средств и методов получения устройств.
Таким образом, подтверждена возможность осуществления полезной модели.
При осуществлении полезной модели будут получены следующие технические результаты:
А. Уменьшение активного сопротивления обмотки и расхода меди якоря за счет того, что обмотка якоря сцеплена с потоком, превышающим в Р раз поток одного полюса индуктора.
Б. Уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния обмотки якоря за счет отсутствия традиционной зубцовой зоны, малой магнитной проводимости поверхностей полюсов якоря, удаленных в пространстве относительно друг друга на сравнительно большие немагнитные промежутки, и сравнительно малого числа витков обмотки якоря.
В. Уменьшение активной массы якоря за счет отсутствия традиционной зубцовой зоны, уменьшения расхода меди якоря и особенностями предлагаемой конструкции магнитопровода якоря.
2. Пара - «левый и правый» полюсы якоря предлагаемой электрической машины с постоянными магнитами по п.1 изготовлены из одной, изогнутой в двух плоскостях массивной или шихтованной пластины с фигурным вырезом в ее центральной части.
Возможность выполнения подобных пластин подтверждена известностью технических средств и методов.
При осуществлении полезной модели будет получен дополнительно следующий технический результат:
- исключение стыков в магнитной цепи якоря;
- повышение жесткости конструкции якоря.
3. Возможность выполнения магнитной цепи якоря электрической машины с постоянными магнитами по п.1 путем литья и заполнения воздушных промежутков немагнитным материалом подтверждена известностью технических средств и методов.
При выполнении полезной модели будут получены дополнительно следующие технические результаты:
- повышение жесткости конструкции якоря;
- улучшение теплосъема с кольцевой обмотки якоря.
4. Возможность выполнения электрической машины с постоянными магнитами по п.1 в трехфазном исполнении подтверждена известностью технических средств и методов.