МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, в частности электрогенераторам постоянного тока, и может быть использована в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания.
Классические асинхронные машины получили широкое распространение в сфере производства, применение их с целью получения электрической энергии затруднено из-за отсутствия в конструкции элементов создающих магнитное поле.
Асинхронная машина имеет неподвижный статор, представляющий собой магнитопровод с пазами в которых уложена трехфазная обмотка. Подвижный ротор располагается внутри статора и представляет собой также замкнутую трехфазную обмотку или металлическую замкнутую конструкцию представляющую собой металлические стержни соединенные, с двух сторон проводником электрического тока, по типу «беличья клетка». Указанная конструкция асинхронной машины, как правило, применяется только для целей преобразования электрической энергии в механическую энергию, так как в конструкции нет элементов для создания магнитного поля при отсутствии источника питания.
Наиболее близким устройством того же назначения по совокупности признаков является конструкция однофазного асинхронного генератора (заявка на изобретение №2012119623 от 20.11.2013 г. ) в которой ротор асинхронной машины заменен на ротор, оборудованный постоянными магнитами, причем обмотки статора соединены в разомкнутый треугольник.
Указанная конструкция обладает следующими недостатками.
Временная зависимость электродвижущей силы (ЭДС), индуктируемая в проводниках обмотки статора является несинусоидальной кривой и содержит при разложении в ряд Фурье гармоники прямой, обратной и нулевой последовательности. Обмотка статора в прототипе соединена в разомкнутый треугольник, поэтому ЭДС индуктируемая в проводниках обмотки суммируются, в результате чего на выводах обмотки статора присутствует утроенное значение ЭДС фазы нулевой последовательности. Результирующая ЭДС прямой и обратной последовательности при соединении обмотки в разомкнутый треугольник отсутствуют в следствии их компенсации:
A1
B1
C1
Ė+Ė+Ė=0,
A2
B2
C2
Ė+Ė+Ė=0,
где А, В, С - соответствующие фазы обмотки статора; индексы 1, 2 соответствуют мгновенным значениям ЭДС прямой и обратной последовательности. Таким образом, результирующая ЭДС формируется только за счет ЭДС нулевой последовательности, что определяет понижение значения результирующей ЭДС на выводах обмотки статора, соединенной в разомкнутый треугольник [Л.А. Бессонов Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Изд. 9, М. 1996 стр. 201-212].
Задачей заявляемой магнитоэлектрической машины является получение большего значения постоянного напряжения в нагрузке за счет выпрямления ЭДС каждой фазы с учетом составляющих прямой, обратной и нулевой последовательности.
На фиг. 1 представлена заявляемая магнитоэлектрическая машина.
На фиг. 2 представлено распределение магнитного поля у четырех полюсной магнитоэлектрической машины (2p=4, т.е. две пары полюсов).
На фиг. 3 представлена трехфазная мостовая схема выпрямительного блока.
На фиг. 4 представлена принципиальная электрическая схема магнитоэлектрической машины с одной из мостовых схем выпрямления тока.
Данный технический результат достигается тем, магнитоэлектрическая машина имеет трехфазный выпрямительный блок, подключенный к трехфазной обмотке статора, соединенной по схеме «звезда» или «треугольник», что позволяет повысить ЭДС. Кроме того магнитоэлектрическая машина содержит неподвижный статор, представляющий собой магнитопровод с пазами в которых размещена трехфазная обмотка и подвижный ротор. Статор выполнен с пазами, в которых размещена трехфазная обмотка. Ротор от статора отделен воздушным зазором δ и представляет собой цилиндр, выполненный из парамагнетика или диамагнетика, с закрепленными на нем постоянными магнитами, причем число магнитных полюсов ротора должно равняться числу магнитных полюсов трехфазной обмотки с током статора и удовлетворять выражению:
2p=n, где
p - число пар полюсов машины;
n - четное число.
Для стабилизации выходного напряжения и выпрямления тока в магнитоэлектрической машине с постоянными магнитами используют различные электрические схемы, например, трехфазную мостовую схему представленную на Фиг. 3.
Конструкцию предлагаемой магнитоэлектрической машины представлена на фиг. 1.
Магнитоэлектрическая машина содержит корпус 1, неподвижный статор 2, представляющий собой магнитопровод с пазами 3 в которых размещена трехфазная обмотка 4, подвижный ротор 5 с постоянными
магнитами 6 и выпрямительный блок 8 (показан на Фиг. 4). Выпрямительный блок может представлять собой одну из стандартных выпрямительных схем, выполненных на диодах (Фиг. 3), например, по трехфазной мостовой схеме. В любой промежуток времени должны быть включены два диода - один из катодной, а другой - из анодной группы. Поочередная работа различных пар диодов приводит к появлению на нагрузке магнитоэлектрической машины выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений. Трехфазная обмотка может быть выполнена как однослойной, так и двухслойной. Описание размещения трехфазной обмотки в статоре рассмотрены, например, в учебнике для вузов Копылов И.П. «Электрические машины», М.: Энергоатомиздат, 1986, - 360 с, стр. 159-162 или Григорьев В.Ф. «Обмотки якоря (статора) электрических машин»: метод, указания / В.Ф. Григорьев, А.В. Бунзя, Е.М. Азарова. - Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2012 -34 с, стр. 23-33.
Число магнитных полюсов ротора 5 должно равняться числу магнитных полюсов трехфазной обмотки с током статора 4 и удовлетворять выражению:
2p=n, где
p - число пар полюсов машины;
n - четное число.
Для случая, когда расположение постоянных магнитов 6 на роторе 5 формирует ротор с двумя парами полюсов (2p=4), конфигурация магнитного поля приведена на фиг. 2, т.е. замкнутые линии магнитного поля определяют четыре выраженные области, поясняющие расположение магнитных полюсов магнитоэлектрической машины.
Корпус 1 магнитоэлектрической машины обычно отливают из алюминиевого сплава или чугуна. Корпус 1 выполнен с лапами или фланцем с продольными теплоотводящими ребрами. Сердечник статора
2 делают шихтованным, набирая из отдельных статорных пластин. Изоляция пластин может быть выполнена, например, окалиной. Пакет статорных пластин скрепляют сваркой или при помощи скоб.
Ротор 5 представляет собой цилиндр из парамагнетика или диамагнетика с постоянными магнитами 6, закрепленными на роторе 5, и отделен от статора 2 воздушным зазором δ, причем число полюсов ротора 5 должно быть равно числу полюсов трехфазной обмотки 4 с током статора 2.
На фиг. 4 представлена схема, в которой магнитоэлектрическая машина является частью асинхронного электропривода. Магнитоэлектрическая машина содержит асинхронный двигатель (АД) 7, трехфазный выпрямитель (В) 8, нагрузочное сопротивление (Н) 9, частотный преобразователь (ЧП) 10 для регулирования скорости вращения ротора АД, блок защиты и включения сети 11, трансформатор тока 12, и резистивную цепочку - для измерения фазного напряжения АД 13.
Учитывая особенности электроснабжения различных электроприемников, в ряде случаев целесообразным является ограничение выходного напряжения магнитоэлектрической машины, например, в случае если выходное напряжение больше номинального напряжения потребителя. Поэтому предпочтительно чтобы магнитоэлектрическая машина также включала в свой состав блок регулятора напряжения. Блок регулятор напряжения (не показан) может, например, входить в состав выпрямительного блока или быть выполненным отдельно. Магнитоэлектрическая машина работает следующим образом.
Включают магнитоэлектрическую машину от внешнего двигательного устройств. В качестве внешнего двигательного устройства используем асинхронный двигатель 7 (Фиг. 4). Вместо асинхронного двигателя, в качестве двигательного устройства можно использовать ветроколесо. Начинается вращение ротора 5 с размещенными
на нем постоянными магнитами 6. В замкнутом контуре трехфазной обмотки 4 статора 2 при изменении магнитного потока, проходящего через него, возникает электрический ток (индуцирование), который затем подается на вход выпрямительного блока с целью получения постоянного напряжения. Полученный таким образом автономный источник питания может использоваться в сетях постоянного тока. Присоединение к выпрямительному блоку магнитоэлектрической машины (инвертора напряжения) позволит использовать устройство в сетях переменного напряжения.
Таким образом разработанную магнитоэлектрическую машину можно использовать в сетях постоянного тока, а в случае необходимости, дополнительно установить инвертор напряжения, для получения переменного напряжения с заданными параметрами, и использовать в сетях переменного тока.
Учитывая, что предлагаемая магнитоэлектрическая машина использует внешнее двигательное устройство (например, двигатель или ветроколесо), рассмотрим конкретный пример работы предложенной магнитоэлектрической машины.
Магнитоэлектрическая машина (Фиг. 4) работает следующим образом. На обмотку статора асинхронного двигателя (АД) подают переменное напряжение имеющее частоту, задаваемую преобразователем частоты частотным преобразователем (ЧП)10. Создаваемый статорной обмоткой магнитный поток, проходя через ротор 5 асинхронного двигателя АД 7, индуцирует электрический ток. Взаимодействие магнитного поля, создаваемого статорной обмоткой, и тока, протекающего в роторе, приводит к появлению электромагнитной силы, действующей на ротор и приводящий его во вращение. Ротор АД и ротор магнитоэлектрической машины 5 механически связаны, например, ременной передачей, поэтому ротор магнитоэлектрической машины 5 приводится во вращение. Так как на роторе
магнитоэлектрической машины расположены постоянные магниты 6, то, при вращении ротора, происходит изменение магнитного потока пронизывающего витки обмотки 4 статора 2 магнитоэлектрической машины. В замкнутом контуре трехфазной обмотки 4 статора 2 при изменении магнитного потока, проходящего через него, возникает электрический ток (индуцирование). Далее, полученное переменное напряжение подается на выпрямительный блок 8, а затем на нагрузочное сопротивление 9. Применение преобразователя частоты с асинхронным двигателем (АД) в качестве регулируемого внешнего двигательного устройства позволяет привести во вращение ротор предложенной магнитоэлектрической машины и тем самым обеспечить переменное значение ЭДС в трехфазной обмотке магнитоэлектрической машины. Кроме этого, предложенная схема электропривода позволяет измерить напряжение на трехфазной обмотке магнитоэлектрической машины.