АКСИАЛЬНАЯ ИНДУКТОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
AXIAL INDUCTOR ELECTRIC MACHINE WITH ELECTROMAGNET EXCITATION

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к аксиальным индукторным электрическим машинам. Области, в которых машина может быть использована: газотрубные энергетические установки, ветровые и гидроэнергетические установки, стартер-генераторные устройства.
Известен генератор переменного тока, использующий энергию потока [1] (патент RU 2060383).
Данный генератор включает закрепленный на приводном валу ротор, статор неподвижности и коллектор. Ротор снабжен электромагнитами и малогабаритными источниками тока для питания электромагнитов. Ряды источников питания тока соединены между собой параллельно, а их выводы и соответствующие им выводы электромагнитов соединены между собой через контакты механического ключа.
Его основным недостатком является наличие электронных деталей во вращающейся конструкции ротора, чувствительных к внешним воздействиям, а также необходимость их обслуживания. Перечисленные недостатки снижают надежность и срок службы компонентов генератора.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой аксиальной индукторной электрической машине с электрическим возбуждением является бесконтактная редукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением [2] (патент RU 2390086). Она состоит из статора с шихтованными пакетами из электротехнической стали, обмотки возбуждения, обмотки якоря, зубчатого ротора с шихтованными пакетами из электротехнической стали, которые в аксиальном направлении совпадают с пакетами статора.
Основным недостатком прототипа является сложная схема управления в двигательном режиме, требующая формирования на обмотках машины постоянного выпрямленного и переменного напряжений.
Задачей настоящего изобретения является создание электрической машины, использующей в двигательном режиме один вид управляющего напряжения, способной генерировать электроэнергию, используя потоки различных сред, реализующей функцию стартер-генератора с высоким моментом на валу в широком диапазоне заданных скоростей, имеющей большой механический ресурс и высокую степень защиты.
Техническим результатом данного изобретения является аксиальная трехфазная индукторная электрическая машина с электромагнитным возбуждением.
Сущность настоящего изобретения заключается в том, что заявляемая аксиальная индукторная электрическая машина с электромагнитным возбуждением, состоящая из корпуса статора, магнитных пакетов статора, выполненных из электротехнической стали, обмотки возбуждения, обмотки переменной ЭДС, ротора, магнитных пакетов ротора, выполненных из шихтованной стали, согласно изобретению, дополнительно содержит цилиндрическую турбину, вращающуюся в потоке газа или иной среды в качестве вала ротора. Три зубчатых пакета ротора, выполненные из шихтованной электротехнической стали, расположены на внешнем диаметре вала турбины. Зубцы каждого пакета смещены на ⅓ зубцового деления относительно другого пакета. В неподвижной части установки - статоре, в три ряда, с шагом, равным зубцовому шагу ротора, радиально расположены цилиндрические катушки обмоток возбуждения и переменной ЭДС. Три пары пакета на роторе и статоре аксиальной индукторной электрической машины с электромагнитным возбуждением образуют трехфазную систему.
На Фиг.1 приведен продольный и поперечный разрез аксиальной индукторной электрической машины с электромагнитным возбуждением:
1 - зубцы магнитных пакетов статора;
2 - зубцы магнитных пакетов ротора;
3 - обмотка возбуждения;
4 - цилиндрические катушки обмоток возбуждения и переменной ЭДС;
5 - ротор;
6 - обмотка переменной ЭДС;
7 - цилиндрическая турбина;
8 - вал ротора;
9 - магнитные пакеты ротора;
10 - магнитные пакеты статора;
11 - корпус статора.
На Фиг.2 представлен общий вид ротора аксиальной индукторной электрической машины с электромагнитным возбуждением, где:
7 - цилиндрическая турбина;
8 - вал ротора;
9 - магнитные пакеты ротора.
Принцип работы аксиальной индукторной электрической машины с электромагнитным возбуждением в генераторном режиме основан на реактивном взаимодействии зубцов магнитных пакетов статора 1 и зубцов магнитных пакетов ротора 2, при этом магнитный поток возбуждения, индуцирующий ЭДС, не изменяет своего направления, а меняется по величине от min до max. Постоянный ток, протекая по обмотке возбуждения 3, размещенной в цилиндрических катушках 4, формирует разноименно направленный магнитный поток возбуждения, который при вращении ротора 5 индуцирует переменную магнитную ЭДС в обмотке переменной ЭДС 6. Отличительной особенностью конструкции машины является использование цилиндрической турбины 7, выполненной из металла с коэффициентом магнитной проницаемости меньше 1, в качестве вала ротора 8 и наличие трех пар магнитных пакетов на роторе 9 и на статоре 10. Смещение зубцов магнитных пакетов ротора 2 на ⅓ зубцового деления относительно друг друга полагает смещенное во времени согласованное положение магнитных пакетов 9 и 10 соседней пары на 120 угловых градусов. Таким образом, формируется трехфазная переменная ЭДС.
На Фиг.3 изображены диаграммы взаимного положения зубцов трех пар пакетов в момент времени t1.
Предлагаемое расположение пар пакетов 9 и 10 обеспечивает постоянство магнитного потока, предупреждая индукцию ЭДС высокой частоты в обмотках возбуждения 3.
Применение системы с электромагнитным возбуждением позволяет при изменении частоты вращения вала ротора поддерживать постоянную величину ЭДС регулированием тока обмотки возбуждения 3.
На Фиг.4 показана последовательность подачи на обмотки статора прямоугольных импульсов в двигательном режиме.
Принцип работы аксиальной индукторной электрической машины с электромагнитным возбуждением в двигательном режиме полагает последовательную подачу на обмотки переменной ЭДС 6 прямоугольных импульсов тока длительностью 2π/3 электрического радиуса, смещенных на 4π/3 электрического радиуса, при этом происходит последовательное потокосцепление зубцов магнитных пакетов статора 1 с зубцами магнитных пакетов ротора 2, создающее непрерывное вращение ротора 5. Длительность импульсов определяет частоту вращения ротора 5 на валу цилиндрической турбины 7.
Заявленная аксиальная индукторная электрическая машина с электромагнитным возбуждением может быть использована в газотрубных энергетических установках, ветровых и гидроэнергетических установках, стартер-генераторных устройствах. Конструктивная особенность корпуса статора 11, изготовленного из металла с коэффициентом магнитной проницаемости, равным 1, полагает отсутствие открытого воздушного зазора между магнитными пакетами статора 10 и ротора 9, что в свою очередь обеспечивает высокую степень защиты при работе в потоках различных сред.
Источники информации
1. Патент RU 2060383.
2. Патент RU 2390086.