СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СЕПАРИРОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ПОТОКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
METHOD OF SPATIAL SEPARATION OF MAGNETIC FLOWS IN ELECTRIC MACHINES

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в технологии производства синхронных генераторов электрической энергии.
В современных синхронных генераторах, применяемых для производства электрической энергии, источники магнитных потоков: основного продольного магнитного потока возбуждения и вторичного поперечного магнитного потока генераторных обмоток, действуют в одной и той же магнитной цепи, т.е. в условиях, благоприятных для суперпозиции указанных потоков. Результирующий магнитный поток всегда распределяется так, что между ротором и статором или подвижными и неподвижными частями машины, согласно принципу Ленца, возникает момент магнитных сил, противоположный моменту приложенной силы от первичного двигателя, что выражается в виде сопротивления вращению или перемещению от первичного двигателя.
В ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ МАШИНЕ [патент РФ №2426217] частично устраняют влияние вторичного магнитного потока за счет того, что на роторе устанавливают подвижные обкладки конденсаторов, а неподвижные обкладки размещают на статоре, вращают ротор, при этом механическое перемещение обкладок конденсаторов относительно друг друга создает ток перезаряда конденсаторов и магнитное поле этого тока частично компенсирует вторичное магнитное поле. Главным недостатком этого решения является необходимость создания высокоемких и одновременно высоковольтных конденсаторов для получения сколько-нибудь существенных токов перезаряда. Кроме того, обкладки конденсаторов должны быть подвижны относительно друг друга, что затрудняет обеспечение однородности диэлектрического промежутка между обкладками и, следовательно, снижает емкость и устойчивость к пробою. Таким образом, реализация решения по данному патенту представляет собой чрезвычайно сложную и дорогостоящую техническую задачу.
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ [US 20080246365 А1 и GB 2442622 А] генераторные обмотки устанавливают на статоре без ферромагнитных сердечников, т.е. магнитная цепь машины состоит частично из магнитожестких материалов (постоянных магнитов) и частично - из воздушных промежутков. Таким образом, взаимодействие первичного (продольного) и вторичного (поперечного) магнитных потоков происходит в воздухе, что обеспечивает небольшое снижение сопротивления вращению от первичного двигателя за счет исключения ферримагнитных материалов в контурах статорных обмоток. Машина, созданная в соответствии с настоящим патентуемым способом, в режиме двигателя также малоэффективна, ее предназначение - генератор. Недостатком данного решения является снижение эффективности машины в режиме генератора, поскольку наличие воздушных промежутков увеличивает магнитные потоки рассеяния и ослабляет основной рабочий магнитный поток.
В МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ГЕНЕРАТОРЕ [патент РФ №2474032] для уменьшения магнитного сопротивления магнитной цепи машины выравнивают число постоянных магнитов, входящих и выходящих из магнитной цепи, при этом равенстве сумма магнитных сил «втягивающих» и «задерживающих» ротор равна нулю, что устраняет эффект «залипания» ротора на холостом ходу и малых нагрузках, это очень полезное свойство, например, для ветрогенераторов. Однако при работе на полную нагрузку вторичный магнитный поток не устраняется и эффект снижения сопротивления вращению от первичного двигателя не достигается.
В ГЕНЕРАТОРЕ [CN 1625024] используют трехфазную структуру электрической части, для этого разделяют магнитные потоки трех фаз, что позволяет избежать насыщения магнитных материалов, понизить индукцию вихревых токов, но не позволяет устранить действие вторичных магнитных потоков для каждой из фаз и снизить сопротивление вращению от первичного двигателя.
Изобретение относится исключительно к генераторам.
Ближайшим аналогом изобретения является способ, реализованный в МАГНИТНОЙ ЦЕПИ ДИНАМО-МАШИНЫ [US 359748], который характеризуется тем, что часть магнитной цепи машины (ротор) выполнена неоднородной, в результате чего силовые линии основного магнитного потока возбуждения концентрируются в участках с наибольшим диаметром пластин. Таким образом, достигается существенная разница в магнитной проницаемости между пластинами наибольшего диаметра и наименьшего. Образующиеся силовые линии вторичного магнитного потока, в свою очередь, концентрируются в пластинах ротора меньшего диаметра и наибольшей магнитной проницаемости. Таким образом, достигается некоторая степень разделения в осевом направлении основного и вторичного магнитных потоков и, следовательно, снижается степень их взаимодействия. Конечным результатом способа, предложенного в решении аналога, является снижение сопротивления ротора вращению от первичного двигателя.
Однако автор упомянутого патента US 359748 не указывает снижение сопротивления вращению в качестве технического результата, но указывает в качестве такового только: снижение неактивной длины провода обмоток ротора, снижение индукции вихревых токов, снижение массы и себестоимости машины.
Задача изобретения состоит в пространственном разделении основного и вторичного магнитных потоков в электрическом генераторе и снижении, таким образом, степени их взаимодействия.
Техническими результатами изобретения является снижение сопротивления ротора вращению от первичного двигателя в результате пространственного разделения основного и вторичного магнитных потоков и снижения, таким образом, степени их взаимодействия.
Технический результат достигается за счет того, что заявлен способ разделения основного и вторичного магнитных потоков в электрической машине, характеризующийся тем, что используют многополюсный генератор, который включает два набора ферримагнитных пластин, чередующихся в осевом направлении пакетами по несколько штук или поштучно друг за другом, на пластинах смонтированы генераторные обмотки, значение магнитного потока возбуждения, форма и сечение пластин выбраны таким образом, чтобы материал этих пластин при работе генератора всегда находился в состоянии полного магнитного насыщения; пластины отделены от источника магнитного потока возбуждения значительным немагнитным зазором для достижения максимального магнитного сопротивления для магнитного потока возбуждения; ротор или статор создают с магнитным сопротивлением для основного магнитного потока возбуждения и разбивают ее на несколько одинаковых магнитных участков, которые чередуют с дополнительными магнитными участками с большим магнитным сопротивлением для основного магнитного потока возбуждения; ротор содержит постоянные магниты с полюсными наконечниками, при этом постоянные магниты ставят на ярмо, а ярмо посредством спиц ставят на вал, причем пластины предназначены для замыкания основного магнитного потока возбуждения, не имеют немагнитных промежутков в теле самой пластины и расположены с минимальным немагнитным зазором по отношению к источнику магнитного потока возбуждения для достижения минимального магнитного сопротивления магнитной цепи потока возбуждения; приводят в движение ротор относительно статора и создают в генераторных обмотках, замкнутых на нагрузку, ЭДС индукции и ток индукции.
Предпочтительно, материал дополнительных магнитных цепей приближают к насыщению при токе генераторных обмоток, соответствующем максимальной плотности тока, допустимой для данной площади сечения провода этих обмоток.
Предпочтительно, между основными и дополнительными магнитными цепями размещены промежуточные магнитные цепи для облегчения «стекания» силовых линий вторичного магнитного потока к дополнительным магнитным цепям.
Предпочтительно, движение ротора относительно статора вращательное.
Предпочтительно, движение индуктора относительно статора поступательное.
Новизной изобретения является частичное или полное устранение условий для суперпозиции основного и вторичного магнитных потоков в магнитной цепи электрической машины за счет их пространственного разделения, что приводит к снижению сопротивления вращению или перемещению от первичного двигателя.
Сущность способа поясняется работой многополюсного генератора, который, в частности, можно использовать в ветроэнергетических установках.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 изображено радиальное сечение многополюсного генератора.
На фиг. 2 изображено взаимное расположение магнитных цепей многополюсного генератора.
На фиг. 3 изображено радиальное сечение многополюсного генератора в укрупненном масштабе.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Многополюсный генератор включает два набора ферримагнитных пластин 1 и 2, чередующихся в осевом направлении пакетами по несколько штук или поштучно друг за другом. На пластинах 1 и 2 смонтированы генераторные обмотки 3. Ротор содержит постоянные магниты 4 с полюсными наконечниками 5, при этом постоянные магниты 4 установлены на ярмо 6. Ярмо 6 посредством спиц 7 установлено на вал 8, который соединен с валом первичного двигателя непосредственно или через редуктор.
На фиг. 1 пунктиром схематично обозначено распределение основного потока возбуждения генератора, проходящего через магниты 4, пластины 1 и ярмо 6, а также вторичного магнитного потока генераторных обмоток 3, силовые линии которого концентрируются в пластинах 2 и замыкаются через воздух.
Пластины 1 предназначены для замыкания основного магнитного потока возбуждения и не имеют немагнитных промежутков в теле самой пластины и расположены с минимальным немагнитным зазором по отношению к источнику магнитного потока возбуждения для достижения минимального магнитного сопротивления магнитной цепи потока возбуждения. Значение магнитного потока возбуждения, форма и сечение пластин 1 выбраны таким образом, чтобы материал этих пластин при работе генератора всегда находился в состоянии полного магнитного насыщения.
Пластины 2 предназначены для замыкания вторичного магнитного потока, создаваемого генераторными обмотками 3, могут иметь немагнитные промежутки в теле самой пластины и специальную форму, не являющиеся объектом защиты настоящего изобретения. Пластины 2 отделены от источника магнитного потока возбуждения значительным немагнитным зазором для достижения максимального магнитного сопротивления для магнитного потока возбуждения. Форма, размеры и материал пластин второго вида, а также величина немагнитных промежутков, если они есть, выбраны таким образом, чтобы материал этих пластин приближался к насыщению при токе генераторных обмоток, соответствующем максимальной плотности тока, допустимой для данной площади сечения провода этих обмоток.
Ярмо 6 выполнено из монолитного магнитомягкого материала.
Многополюсный генератор работает следующим образом.
Первоначально магнитный поток возбуждения замыкают через пластины 1, при этом в немагнитном зазоре машины в осевом направлении возникает периодическая концентрация силовых линий магнитного потока возбуждения, соответствующая шагу чередования пластин 1. На фиг. 2. приведен фрагмент сечения генератора, на котором пунктиром обозначено распределение основного магнитного потока возбуждения.
При приведении подвижной части генератора в движение магнитный поток возбуждения в пластинах 1 начинает менять геометрическое положение, но не изменяет своего значения. При этом силовые линии магнитного потока возбуждения начинают пересекать витки генераторных обмоток 3, в которых возникает ЭДС индукции.
При замыкании генераторных обмоток 3 на электрическую нагрузку 9 в цепи обмоток возникает ток индукции. Этот ток является источником вторичного магнитного потока.
Распределение силовых линий вторичного магнитного потока происходит следующим образом.
Известно свойство силовых линий магнитного поля стремиться проходить через участки магнитной цепи с наибольшей магнитной проницаемостью. Материал пластин 1 находится в насыщении от магнитного потока возбуждения, и его магнитная проницаемость стремится к единице, т.е. близко к магнитной проницаемости окружающего воздуха. Материал пластин 2, напротив, имеет высокую начальную магнитную проницаемость не хуже, чем несколько тысяч. Силовые линии магнитного поля тока генераторных обмоток 3 стремятся пройти через участки с наибольшей проницаемостью и, таким образом, концентрируются в пластинах 2. В результате возникает пространственное распределение концентрации линий двух магнитных потоков, соответствующее чередованию пластин двух видов.
На фиг. 2 пунктирными линиями схематично обозначено распределение основного магнитного потока возбуждения, крестиками обозначена концентрация силовых линий вторичного магнитного потока, пути замыкания вторичного магнитного потока через воздух на фиг. 2 не показаны. Фиг. 3 является увеличенным фрагментом рис. 1, на котором лучше видно распределение магнитных потоков.
В магнитную цепь генератора могут быть включены пластины промежуточного вида и размера для облегчения «стекания» силовых линий вторичного магнитного потока к пластинам 2.
Положительные технические эффекты состоят в:
- повышении КПД, которое происходит за счет уменьшения сопротивления первичному двигателю, обусловленного разделением первичного и вторичного магнитных потоков, при этом между ними частично или полностью отсутствует взаимодействие, которое и определяет сопротивление вращению от первичного двигателя.
- снижении вибрации и повышении надежности использования за счет устранения момента магнитных сил между ротором и статором;
- уменьшении шума за счет снижения вибрации.