ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ДВОЙНОГО ВРАЩЕНИЯ
ELECTRIC MACHINE OF DOUBLE ROTATION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам двойного вращения.
Известна электрическая машина (патент на изобретение RU 2360352 С1, МПК Н02К 16/02, Н02К 1/16, Н02К 17/00, автор Пучкин Е.К.), состоящая из устройства для создания магнитного поля и устройства для преобразования одного вида энергии в другой, отличающаяся тем, что устройство для создания магнитного поля представляет собой отдельный блок, состоящий из полого цилиндра с фланцами на торцах, изготовленного из немагнитного материала, в сквозных в радиальном направлении пазах которого, на внешней стороне, кольцеобразно, с определенным шагом закреплены сердечники, выполненные из магнитного материала, служащие магнитопроводом, в пространство между сердечниками укладывается обмотка, предотвращение выпадения обмотки обеспечивается прижимными планками, изготовленными из немагнитного материала, которые крепятся к торцевым фланцам; устройство для преобразования одного вида энергии в другой состоит из двух роторов; причем один из роторов устанавливается внутри устройства для создания магнитного поля и взаимодействует с его внутренней частью, другой ротор охватывает наружную часть устройства для создания магнитного поля и взаимодействует с ней. Недостатком аналога является то, что он представляет собой асинхронный двигатель и его массогабаритные и энергетические показатели хуже, чем у двигателя с постоянными магнитами, и в ряде случаев не удовлетворяют предъявляемым требованиям.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению (его прототипом) является Ветровой электрогенератор двойного вращения (варианты) [патент на изобретение RU 2355909 С1, МПК F03B 9/00, авторы Захаренко А.Б., Дашко О.Г., Кривоспицкий Ю.П., Литвинов В.Н., Мартынов A.M.], содержащий установленный с возможностью вращения статор, установленный с возможностью вращения ротор, первые лопатки, которые действуют на ротор и вызывают вращение ротора в первом направлении, вторые лопатки, которые действуют на статор и вызывают вращение статора в направлении, противоположном вращению ротора, вал ротора, вал статора и подшипники, которые позволяют вращаться валам, несущий корпус, отличающийся тем, что первые лопатки и вторые лопатки размещены вне корпуса, с целью повышения удельной мощности статор выполнен в виде отдельных зубцов с обмоткой без ярма, а ротор выполнен в виде двух скрепленных между собой концентрических втулок из материала с высокой магнитной проницаемостью, находящихся с внешней и внутренней стороны статора, на втулках закреплены радиально намагниченные постоянные магниты чередующейся полярности, полярность соседних постоянных магнитов - чередуется, друг напротив друга находятся постоянные магниты, создающие согласно направленные магнитные потоки, на каждом зубце расположена концентрическая обмотка, изолированная от корпуса, число полюсов 2·р, число пар полюсов р, число зубцов статора z и число катушечных групп в фазе d, число зубцов статора b, приходящихся на одну фазную группу, и число фаз m связаны соотношениями:
2·р=d·(b·m±1),
z=d·b·m,
p/d=k,
где k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5… - целое положительное число, или число, отличающееся от него на 0.5, при этом, если k - целое число, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены согласно, а при k - отличном от целого числа на 0.5, обмотки катушечных групп в каждой фазе соединены встречно, для достижения наилучших энергетических показателей при m=2, 3, b=1, 2, 3, 4, 5…, и
если (b·m±1) - четное число, то d=1, 2, 3, 4, 5…,
если (b·m±1) - нечетное число, то d=2, 4, 6, 8…
Недостатком прототипа является наличие щеточного контакта, что определяет его недостаточную надежность.
Целью настоящего изобретения является создание машины
1) бесконтактной, обладающей повышенной надежностью,
2) с роторами, вращающимися в разные стороны, их вращающие моменты практически компенсируют друг друга, таким образом, реактивный момент на статор практически не передается.
Обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу q<1, где q=Z/2·p·m, расположенные на статоре, имеют обширный гармонический состав МДС. Однако, две гармоники МДС имеют наибольшую амплитуду и вращаются в противоположных направлениях с различными, хотя и близкими друг к другу числами периодов в единицу времени (пар полюсов). МДС такой обмотки можно записать следующим образом:
1m
1
1
2m
1
2
F=F·sin(ωt-pα)-F·sin(ωt+рα),
1m
2m
1
1
2
1
2
где F, F - амплитуды гармоник с наибольшей амплитудой, ω - угловая частота, t - время, р, р - числа периодов (пар полюсов) упомянутых гармоник. Если создать электрическую машину с двумя роторами, имеющими числа пар полюсов р и р, то ротор, имеющий то же число пар полюсов, что и соответствующая гармоника, будет с ней взаимодействовать.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
1
2
фиг.1 - поперечное сечение активной части электрической машины двойного вращения с числом зубцов статора Z=15 и числами пар полюсов ротора р=7, p=8;
фиг.2 - продольное сечение активной части электрической машины двойного вращения;
фиг.3 - общий вид электрической машины двойного вращения в режиме ветрового электрогенератора.
1
2
В качестве примера для трехфазной обмотки (m=3) можно привести следующие соотношения чисел зубцов Z якоря и полюсов р и p ротора:
1
2
для Z=у·m·k р=у·k, р=(у+1)·k, где у=1;
1
2
для Z=у·m·k p=(у+1)·k, p=(у+2)·k, где у=3, 4;
1
2
для Z=у·m·k p=(у+2)·k, p=(у+3)·k, где у=5,
1
2
для Z=у·m·k p=(у+3)·k, p=(у+4)·k, где у=7, 8;
1
2
для Z=у·m·k p=(у+4)·k, p=(у+5)·k, где у=9;
1
2
для Z=у·m·k p=(у+5)·k, p=(у+6)·k, где у=11,
при этом у, k - целые положительные числа, k - число циклически повторяющихся участков магнитной системы.
1
2
На фиг.1 изображены эскиз поперечного сечения активной части электрической машины двойного вращения и схема обмотки статора для варианта с числом зубцов 1 сердечника статора Z=24, на котором размещена трехфазная обмотка 2, соединенная в звезду, где А, В, С - начала соответствующих фаз. Обмотка 2 может быть также соединена в треугольник. Число пар полюсов первого ротора р=7, полюса первого ротора образованы при помощи семи пар постоянных магнитов 3, чередующейся полярности, прикрепленных к ярму первого ротора 4. Число пар полюсов второго ротора p=8, полюса второго ротора образованы при помощи восьми пар постоянных магнитов 5, чередующейся полярности, прикрепленных к ярму второго ротора 6. Соседние катушки в катушечной группе статора должны быть соединены встречно, поскольку они находятся в основном под полюсами ротора противоположной полярности. Катушки в катушечных группах и катушечные группы фаз соединяются между собой во всех фазах одинаково. Ярма роторов 4 и 6 должны быть изготовлены при помощи механообработки из отливки или поковки конструкционной стали с высокой магнитной проницаемостью, например, стали 10. Зубцы 1 статора должны быть шихтованы из листов электротехнической стали, направление шихтовки - перпендикулярно оси вращения роторов. С целью снижения стоимости статора зубцы и ярмо могут быть изготовлены из порошкового магнитомягкого материала, например, путем прессования. С целью устранения сил магнитного притяжения роторов к статору и связанных с ними магнитных вибраций зубцы 1 статора могут быть изготовлены их немагнитного непроводящего материала. При этом для улучшения энергетических показателей радиальный размер зубцов должен быть максимально уменьшен.
Катушки обмотки 2 статора наматываются из обмоточного провода, например, медного эмаль-провода, на электроизолирующие каркасы, либо на зубцовую изоляцию на каждый зубец статора 1. Для снижения электрических ("омических") потерь катушечная группа, либо фаза в целом, может наматываться непрерывным проводом (без пайки). Для упрощения и автоматизации технологии намотки катушек обмотки 2 зубцы 1 изготавливаются отдельно, на зубцы 1 наматывается обмотка 2, а затем зубцы скрепляют опорным статорным кольцом 7, которое крепится к корпусу 8. После окончания обмоточных работ для увеличения электрической прочности изоляции и повышения ее надежности производится пропитка обмотки 2 лаком или заливка обмотки 2 компаундом.
Первый и второй валы роторов 9 и 10 закреплены в подшипниках 11, которые позволяют вращаться упомянутым валам.
1
1
2
2
Электрическая машина двойного вращения работает следующим образом. Магнитный поток постоянного первого магнита 3 индуктора первого ротора проходит через воздушный зазор между статором и ротором, зубец 1 статора, воздушный зазор между статором и ротором, постоянный магнит 5 индуктора второго ротора, ярмо 6 индуктора второго ротора, постоянный магнит 5 индуктора второго ротора, воздушный зазор между статором и ротором, зубец 1 статора, воздушный зазор между статором и ротором, постоянный магнит 3 индуктора первого ротора и замыкается по ярму 4 индуктора первого ротора. На катушки обмотки 2 статора подается переменное напряжение. При подключении напряжения частоты f будут образовываться 2 гармоники МДС с наибольшими амплитудами, вращающимися в противоположных направлениях с частотами вращения n=f·60/p, n=f·60/p.
Если цепь обмотки замкнута, по ней протекает ток, по зубцам 1 с размещенной на них обмоткой 3 перемещаются гармоники магнитодвижущей силы. Постоянные магниты 3 и 5 обоих роторов взаимодействуют с гармониками МДС статора, которые имеют с ними одинаковую полюсность, на роторах возникает вращающий момент. В результате лопатки вентиляторов (насосов) 12 и 13 первого и второго роторов вращаются в разные стороны.
Техническим результатом настоящего изобретения при работе в двигательном режиме является то, что за счет вращения роторов в разные стороны, например, в случае вентиляторной (насосной) нагрузки удается увеличить скорость прокачиваемого воздуха (жидкости) в два раза по сравнению с машиной, имеющей один ротор.
Электрическая машина двойного вращения может работать также в генераторном режиме, например, как ветрогенератор. Электрическая машина двойного вращения в режиме генератора имеет горизонтальную ось вращения и установлена на поворотной топ-мачте 14. Ориентация по направлению воздушного потока осуществляется стабилизатором 15. Электрическая машина двойного вращения размещена в обтекаемой гондоле 16. Лопасти 12 и 13 первого и второго роторов имеют такой наклон и длину, чтобы обеспечить вращение упомянутых роторов в разные стороны с частотами, пропорциональными частотам вращения первой и второй гармоник МДС с наибольшей амплитудой.
1
2
При наличии ветра благодаря стабилизатору 15 электрическая машина двойного вращения ориентируется по направлению потока воздуха. Лопасти 12 и 13 вращаются в разные стороны с частотами вращения n и n, вращают первый и второй роторы в разные стороны. Магнитный поток роторов пересекает витки обмотки статора 2, в обмотке 2 наводится ЭДС. Если цепь обмотки замкнута, то по ней протекает ток, в нагрузку отдается мощность.
Техническим результатом настоящего изобретения при работе в генераторном режиме является использование для генерации электроэнергии воздушных потоков с малыми линейными скоростями.