ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ)
HIGH-SPEED NON-CONTACT ELECTRIC MACHINE (VERSIONS)

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в качестве источников электрической энергии автономных систем электроснабжения.
Известна бесконтактная электрическая машина (патент РФ 2406212 С2, H02K 21/20, 20.02.2010), содержащая ротор в виде явно полюсного индуктора, у которого ось симметрии от полюса N к полюсу S совпадает с осью вращения ротора, и статор с проводниками, расположенными на внутренней поверхности статора вдоль его цилиндрических образующих, проводники разбиты на две группы, в одной из которых проводники расположены вокруг полюса индуктора с полярностью N, а в другой - вокруг полюса индуктора с полярностью S. Проводники одной группы расположены зеркально-симметрично по отношению к проводникам другой группы, то есть так, что начала (концы) активной части проводников расположены вблизи крышек машины, а их концы (начала) - вблизи центральной части статора. Вал машины и ее боковые крышки могут быть выполнены из немагнитных материалов.
Недостатками такой конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные малой быстроходностью электрической машины, незначительная прочность ротора и значительные потери на трение в подшипниковых узлах.
Известна бесконтактная синхронная электрическая машина (патент РФ 2091965 C1, H02K 19/38, 27.09.1997), содержащая статор, ротор, на статоре якорную обмотку и обмотку возбуждения возбудителя, а на роторе систему возбуждения, выполненную, как минимум, из двух обмоток, соединенных между собой электрически. Отличительной особенностью является то, что каждая обмотка системы возбуждения выполнена по меньшей мере из двух частей, соединенных между собой через переключающие устройства, например диоды, с возможностью их включения последовательно или параллельно. При этом одноименные зажимы частей обмоток системы возбуждения, не имеющие связи с разноименными зажимами других частей данных обмоток через переключающее устройство, соединены между собой электрически.
Недостатками такой конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные малой быстроходностью электрической машины, незначительная прочность ротора и значительные потери на трение в подшипниковых узлах.
Известна конструкция сверхпроводящей бесконтактной синхронной машины (патент US 4352033 C1, H02K 9/19, 1982 г.), содержащая статор, ротор, на статоре якорную обмотку и обмотку возбуждения возбудителя, а на роторе систему возбуждения, выполненную в виде многофазной обмотки.
Недостатками такой конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные малой быстроходностью электрической машины, незначительная прочность ротора, значительные потери на трение в подшипниковых узлах, а также сложность технической реализации.
Известен бесконтактный синхронный генератор (А.С. СССР №169658, H02K 19/38, 1955), содержащий статор, ротор, на статоре основную и дополнительную обмотки, а на роторе обмотку возбуждения, питаемую от дополнительной роторной обмотки через полупроводниковые выпрямители, с целью упрощения и уменьшения расхода активных материалов, указанная дополнительная обмотка статора питается от основной статорной обмотки через линейный дроссель, осуществляющий фазовое компаундирование совместно с токовой обмоткой, расположенной на статоре.
Недостатками такой конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные малой быстроходностью электрической машины, незначительная прочность ротора и значительные потери на трение в подшипниковых узлах.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является конструкция бесконтактной синхронной машины с вращающимися выпрямителями (Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины // М. - Высшая школа. - 1990 г. - c.108), содержащая корпус, вал, статор с пазами, ротор, насаженный на вал, основную обмотку, уложенную в пазах статора, на роторе расположена обмотка возбуждения, электрически соединенная через блок вращающихся выпрямителей со вторичной обмоткой вращающегося трансформатора, уложенной в подвижном магнитопроводе, насаженном на валу, первичную обмотку вращающегося трансформатора, уложенную в неподвижном магнитопроводе, установленном в корпусе концентрично с воздушным зазором относительно подвижного магнитопровода.
Недостатками такой конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные малой быстроходностью электрической машины, незначительная прочность ротора и значительные потери на трение в подшипниковых узлах.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей бесконтактной электрической машины, благодаря повышению ее быстроходности, минимизация потерь энергии на трение в подшипниковых узлах, благодаря применению гибридных магнитных подшипников, повышение прочности ротора благодаря выполнению его в виде цилиндра постоянного сечения с пазами для вращающихся выпрямителей.
Техническим результатом является повышение надежности и энергоэффективности, а также повышение выходной мощности бесконтактной электрической машины.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается по первому варианту тем, что в высокоскоростной бесконтактной электрической машине, содержащей корпус, вал, статор с пазами, ротор, насаженный на вал, основную обмотку, уложенную в пазах статора, на роторе расположена обмотка возбуждения, электрически соединенная через блок вращающихся выпрямителей с вторичной обмоткой вращающегося трансформатора, уложенной в подвижном магнитопроводе, насаженном на валу, первичную обмотку вращающегося трансформатора, уложенную в неподвижном магнитопроводе, установленном в корпусе концентрично с воздушным зазором относительно подвижного магнитопровода, согласно изобретению, что вал с ротором выполнены в виде цилиндра постоянного сечения с пазами для вращающихся выпрямителей, при этом диаметр подвижного магнитопровода вращающегося трасформатора равен диаметру ротора, а диаметр расточки неподвижного магнитопровода вращающегося трансформатора равен диаметру расточки статора.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается по второму варианту тем, что в высокоскоростной бесконтактной электрической машине, содержащей корпус, вал, статор с пазами, ротор, насаженный на вал, основную обмотку, уложенную в пазах статора, на роторе расположена обмотка возбуждения, электрически соединенная через блок вращающихся выпрямителей с вторичной обмоткой вращающегося трансформатора, уложенной в подвижном магнитопроводе, насаженном на валу, первичную обмотку вращающегося трансформатора, уложенную в неподвижном магнитопроводе, установленном в корпусе концентрично с воздушным зазором относительно подвижного магнитопровода, согласно изобретению, что вал с ротором выполнены в виде цилиндра постоянного сечения с пазами для вращающихся выпрямителей, при этом диаметр подвижного магнитопровода вращающегося трансформатора равен диаметру ротора, а диаметр расточки неподвижного магнитопровода вращающегося трансформатора равен диаметру расточки статора, причем выпрямители выполнены в виде цилиндра с неэлектропроводным основанием и жесткими электрическими контактами, а пазы вала выполнены в виде цилиндрических отверстий.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена высокоскоростная бесконтактная электрическая машина по первому варианту. На фиг.2 изображена высокоскоростная бесконтактная электрическая машина по второму варианту. На фиг.3 изображена конструкция выпрямителя. На фиг.4 изображен разрез ротора.
Предложенное устройство по первому варианту содержит (фиг.1) корпус 1, в котором установлен статор с пазами 2, в которых уложена обмотка 3, вал 4, на котором насажен ротор 5 с обмоткой возбуждения 6, вал 4 с ротором 5 концентрично расположены в радиальных магнитных подшипниках 7 и перпендикулярно осевому магнитному подшипнику 8, бандаж 9, при этом на валу установлен комбинированный магнитный подшипник, состоящий из вращающегося трансформатора 10 и магнитного подшипника на постоянных магнитах 11, при этом обмотки вращающегося трансформатора 10 электрически соединены через вращающиеся выпрямители 12 с обмоткой возбуждения 6.
Предложенное устройство по второму варианту содержит (фиг.2) корпус 1, в котором установлен статор с пазами 2, в которых уложена обмотка 3, вал 4, на котором насажен ротор 5 с обмоткой возбуждения 6, вал 4 с ротором 5 концентрично расположены в радиальных магнитных подшипниках 7 и перпендикулярно осевому магнитному подшипнику 8, бандаж 9, при этом на валу установлен комбинированный магнитный подшипник, состоящий из вращающегося трансформатора 10 и магнитного подшипника на постоянных магнитах 11, при этом обмотки вращающегося трансформатора 10 электрически соединены через вращающиеся выпрямители 12 с обмоткой возбуждения 6, причем вращающиеся выпрямители 12 выполнены в виде цилиндра с неэлектропроводным основанием 13, электрическими контактами 14 и бандажа 15 (фиг.3), а пазы вала 4 выполнены в виде цилиндрических отверстий (фиг.4).
Устройство по первому варианту работает следующим образом: при подаче переменного электрического тока на вращающийся трансформатор 10, через вращающиеся выпрямители 12, в обмотки возбуждения 6 начинает протекать электрический ток, который создает в воздушном зазоре поле возбуждения. При вращении вала 4 с ротором 5 по закону электромагнитной индукции в обмотке статора начинает протекать переменный электрический ток. При этом конструкция вала 4, ротора 5 с бандажом 9 обеспечивают повышение прочности бесконтактной электрической машины, а применение комбинированного магнитного подшипника, состоящего из вращающегося трансформатора 10 и магнитного подшипника на постоянных магнитах 11, а также радиальных магнитных подшипниках 7 и осевого магнитного подшипника 8 обеспечивает бесконтактное вращение вала 4, а следовательно, и минимальные потери на трение.
Устройство по второму варианту работает следующим образом: при подаче переменного электрического тока на вращающийся трансформатор 10, через вращающиеся выпрямители 12, в обмотки возбуждения 6 начинает протекать электрический ток, который создает в воздушном зазоре поле возбуждения. При вращении вала 4 с ротором 5 по закону электромагнитной индукции в обмотке статора начинает протекать переменный электрический ток. При этом конструкция вала 4, ротора 5 с бандажом 9 обеспечивают повышение прочности бесконтактной электрической машины, а применение комбинированного магнитного подшипника, состоящего из вращающегося трансформатора 10 и магнитного подшипника на постоянных магнитах 11, а также радиальных магнитных подшипниках 7 и осевого магнитного подшипника 8 обеспечивает бесконтактное вращение вала 4, а следовательно, и минимальные потери на трение. Дополнительная прочность и возможности по повышению быстроходности высокоскоростной бесконтактной электрической машины обеспечивается тем, что вращающиеся выпрямители 12 выполнены в виде цилиндра с неэлектропроводным основанием 13, жесткими электрическими контактами 15 и бандажа 16, обеспечивающими надежную электрическую связь между обмоткой возбуждения и вращающимся трансформатором, и вставленные в пазы вала 4 выполнены в виде цилиндрических отверстий.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности бесконтактной электрической машины, благодаря повышению ее быстроходности, минимизировать потери энергии на трение в подшипниковых узлах, благодаря применению гибридных магнитных подшипников, повысить прочность ротора, благодаря выполнению его в виде цилиндра постоянного сечения с пазами для вращающихся выпрямителей.
Таким образом, повышается надежность, энергоэффективность, а также повышается выходная мощность бесконтактной электрической машины.