МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА СО СПЕЦИАЛЬНЫМ ВОЗБУДИТЕЛЕМ
MAGNETO-ELECTRIC MACHINE WITH SPECIAL EXCITER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам. Наиболее близко по конструкции предложенная машина относится к синхронным машинам с возбуждением от постоянных магнитов. Названная машина наряду с известными ее достоинствами имеет и некоторые недостатки, заключающиеся в том, что у нее достаточно сложные регулировочные и пусковые характеристики, требующие специального источника питания с регулируемым напряжением и частотой. В то же время у нее и относительно низкий КПД.
Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение регулировочных, пусковых ее характеристик и заметное повышение КПД.
Технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции магнитоэлектрической машины со специальным возбудителем присутствуют как элементы генератора, так и элементы двигателя, которые одновременно участвуют в процессе ее работы и положительно взаимодействуют друг с другом.
Предложенная магнитоэлектрическая машина со специальным возбудителем, содержащая статор и основной индуктор (ротор), разделенные воздушным зазором, отличающаяся тем, что неподвижный статор состоит из внешнего полого цилиндрического магнитопровода, на внутренней стенке которого поочередно установлены по четыре, отодвинутые друг от друга на 90°, генераторные и двигательные электромагнитные полюсы, в пазах первых из которых размещены прямые и обратные активные провода общей обмотки якоря, поочередно соединенные с обмотками вторых, а ее подвижный основной индуктор состоит из четырех явно выраженных электромагнитных полюсов, крестообразно установленных на поверхности центрального цилиндрического магнитопровода с осью, один подшипник которой посажен в круглую выемку в центре одного основания цилиндрического магнитопровода неподвижного индуктора специального возбудителя, на поверхности которого крестообразно установлены четыре стержневых постоянных магнита, северные полюса у одной пары из которых диаметрально противоположно расположены друг от друга и южные полюса у другой пары направлены в сторону внешнего неподвижного полого цилиндрического его магнитопровода, в воздушном зазоре между которыми размещены поочередно группы прямых и обратных активных проводов, электрически соединенной с обмоткой электромагнитных полюсов основного индуктора, обмотки подвижного якоря специального возбудителя, один диэлектрический диск с кабельным каналом, по его периметру которого установлен на оси основного индуктора (ротора), а другой через подшипник - на круглом выступе в центре другого основания центрального магнитопровода индуктора специального возбудителя.
Продольный и поперечные разрезы предложенной машины показаны на фиг.1 и фиг.2, и 3 соответственно. На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - обмотка двигательного полюса, 2 - сердечник двигательного полюса, 3 - ось вращения, 4 - центральный магнитопровод основного индуктора, 5 - обмотка электромагнитного полюса основного индуктора, 6 - сердечник электромагнитного полюса, 7 - обмотка генераторного полюса, 8 - внешний цилиндрически магнитопровод статора, 9 - соединительные элеткропровода, 10 - диэлектрический диск якоря специального возбудителя, 11 - обмотка якоря специального возбудителя, 12, 13, 14 - внешний магнитопровод, постоянные магниты и центральный цилиндрический магнитопровод индуктора специального возбудителя, 15 - сердечник генераторного полюса.
На чертежах все элементы машины, направления токов, полярности двигательных и электромагнитных полюсов показаны в момент вращения всех ее подвижных частей по направлению часовой стрелки с угловой скоростью ω. Все обмотки неподвижных генераторных и двигательных полюсов статора включены друг за другом поочередно и представляют из себя одно целое. При этом начала активных проводов обмоток генераторных полюсов соединены с обмотками соответствующих двигательных полюсов, а концы их - с обмотками других соседних двигательных полюсов. Подвижные якорные обмотки специального возбудителя и электромагнитных полюсов основного индуктора соединены между собой. При этом начала одной группы активных проводов якорной обмотки специального возбудителя соединены с концом обмотки ближайшего электромагнитного полюса, а концы их - с началами соседней группы активных проводов той же якорной обмотки, концы которых соединены с началом обмотки следующего ближайшего электромагнитного полюса, конец которой соединен с началом обмотки следующего электромагнитного полюса. Конец ее соединен с началами последующей группы активных проводов обмотки якоря специального возбудителя, концы которых соединены с началом обмотки четвертого электромагнитного полюса основного индуктора. Конец ее соединен с началом обмотки первого электромагнитного полюса.
Магнитноэлектрическая машина со специальным возбудителем в генераторном режиме работает следующим образом. При вращении всего ротора машины (основной индуктор и якорь специального возбудителя), по часовой стрелке от внешнего двигателя, в активных частях обмотки якоря 11 специального возбудителя наводится ЭДС, так как они все пересекаются магнитными силовыми линиями, исходящими от северных полюсов и сходящими к южным полюсам постоянных магнитов 13 неподвижного индуктора специального возбудителя в соответствии с явлением электромагнитной индукции. Эти ЭДС вызовут в них токи, которые потекут по обмоткам электромагнитных полюсов 5 основного индуктора. При этом они намагничиваются и примут соответствующие полярности. Последние в это время двигаются относительно активных проводников обмоток 7 генераторных полюсов статора, то в них, по правилу электромагнитной индукции, наводятся ЭДС, величины которых зависят от скорости вращения всего ротора. Поскольку активные проводники обмоток 7 генераторных полюсов включены между собой согласованно и последовательно, то все эти ЭДС в них суммируются. Вследствие того что эти проводники соединены с обмотками двигательных полюсов 1, в последних потекут токи, вызванные этой результирующей ЭДС. Эти токи намагничивают сердечники двигательных полюсов 2, которые при этом примут соответствующие полярности.
Конструкции всех неподвижных и подвижных обмоток машины так устроены и размещены, что в каждый раз, когда соответствующие группы активных проводов якорной обмотки 11 специального возбудителя и электромагнитные полюсы основного индуктора двигаются в области I и IV четвертей кругов поперечных сечений машины (фиг.2, 3), то концы последних будут всегда северными, а концы у тех электромагнитных полюсов, которые двигаются в областях II и III четвертей этих кругов, - южными. При этом, в течение всего периода вращения основного индуктора, те двигательные полюса статора, которые находятся на горизонтальной линии, будут всегда северными, а те, которые - на вертикальной - южными, за исключением тех моментов времени, когда центры подвижных и неподвижных полюсов совпадают, а соответствующие полярности всех их исчезают. Это происходит четырежды в течение одного периода вращения всего ротора, что позволяет избежать возможных тормозных моментов электромагнитных сил, что достигается прежде всего тем, что через каждую четверть оборота всего ротора в активных проводниках обмотки якоря специального возбудителя меняются направления токов на противоположные и вследствие этого меняются соответственно полярности электромагнитных полюсов основного индуктора четыре раза за один период их вращения. А токи генераторных и двигательных полюсов статора при этом сохраняют свои направления в течение всего периода вращения ротора и меняются только по амплитуде от 0 до номинального значения, что позволяет поддерживать на клеммах электрического вывода предложенной магнитоэлектрической машины напряжение одной полярности и определенной средней величины.
В двигательном режиме предложенная магнитоэлектрическая машина со специальным возбудителем работает в следующем порядке. При подаче на клеммы ее электрического вывода напряжение одной полярности с частотой, четырехкратной угловой скорости ротора, электромагнитные полюса 6 основного индуктора устремятся к ближайшим двигательным полюсам 2 статора, увлекая за собой весь ротор машины, в том числе и подвижный якорь специального возбудителя. Тогда, как и в генераторном режиме, специальный возбудитель будет вырабатывать переменный ток с частотой, четырехкратной частоте вращения всего ротора. Это позволяет электромагнитным полюсам 6 основного индуктора изменять свои полярности четырежды за один оборот ротора, которые будут дополнительно взаимодействовать с двигательными полюсами 2 статора, где всегда синхронно им будет пульсировать напряжение одного знака.
В итоге, в ходе вращения основного индуктора сзади его электромагнитных полюсов с соответствующими полярностями будут всегда двигательные полюса статора с такими же полярностями, а спереди их, по ходу вращения, всегда будут полюса с противоположными им полярностями. В таком случае на каждый электромагнитный полюс основного индуктора в каждой четверти будут действовать пары сил. Одни будут толкать их сзади, другие - притягивать спереди, что позволяет существенно повысить КПД предложенной машины. В результате вся подвижная часть машины начнет вращаться с номинальной угловой скоростью ω. Причем ее можно будет менять, изменяя частоту подаваемого напряжения на ее статор одной полярности.
Таким образом, электромеханические характеристики предложенной машины существенно улучшатся и повысится КПД прежде всего синхронизацией положительных и отрицательных импульсов токов основных индуктора и якоря, изменений и исчезновений полярностей электромагнитных полюсов основного индуктора и двигательных полюсов статора. Т.е. за счет положительных их взаимодействий в течение каждого периода вращения всего ротора.
Источники информации
1. Бертинов А.И. Специальные электрические машины. - М.: Энергия, 1982.
2. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990.
3. Иванов-Смоленский. Электрические машины.- М.: Энергия, 1980.
4. Калашников С.Г. Электричество.- М.: Наука, 1985.
5. Копылов И. П. Электрические машины.- М.: Энергоатомиздат, 1986.
6. Костенко М.П. Электрические машины. 4.2. - Л.: Энергия, 1973.
7. Осин И.Л.и др. Синхронные машины. - М.: Высшая школа, 1990
8. Парселл Э. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1983.
9. Токарев Б.Ф. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1990.