МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
MAGNETOELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, в частности электрогенераторам переменного тока, и может быть использовано в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания.
Классические асинхронные машины получили широкое распространение в сфере производства, применение их с целью получения электрической энергии затруднено из-за отсутствия в конструкции элементов, создающих магнитное поле.
Асинхронная машина имеет неподвижный статор, представляющий собой магнитопровод с пазами, в которых уложена трехфазная обмотка. Подвижный ротор располагается внутри статора и представляет собой также замкнутую трехфазную обмотку или металлическую замкнутую конструкцию, представляющую собой металлические стержни, соединенные с двух сторон проводником электрического тока по типу «беличья клетка». Описание конструкции асинхронной машины рассмотрено, например, в учебнике для вузов Копылов И.П. «Электрические машины», М.: Энергоатомиздат, 1986, - 360 с., стр. 154-159.
Указанная конструкция асинхронной машины, как правило, применяется только для целей преобразования электрической энергии в механическую энергию, так как в конструкции нет элементов для создания магнитного поля при отсутствии источника питания.
Наиболее близким устройством того же назначения по совокупности признаков является конструкция магнитоэлектрической машины [патент №151437от 10.04.2015 г.], которая содержит ротор с постоянными магнитами и неподвижный статор, представляющий собой магнитопровод с пазами, в которых размещена трехфазная обмотка, ротор с постоянными магнитами отделен от статора воздушным зазором δ и представляет собой цилиндр, выполненный из парамагнетика или диамагнетика, причем число полюсов ротора равно числу полюсов трехфазной обмотки статора и удовлетворяет выражению: 2р=n, где р - число пар полюсов машины, n - четное число; трехфазная обмотка статора подключена к трехфазному выпрямительному блоку и соединена по схеме «звезда» или «треугольник».
Указанная конструкция обладает следующими недостатками.
Ротор, на котором расположены постоянные магниты, представляет собой цилиндр из немагнитного материала (диамагнетика или парамагнетика), что приводит к уменьшению результирующего магнитного потока в зазоре из-за разомкнутой магнитной цепи, так как магнитный поток полюсов постоянных магнитов, обращенных к центру цилиндра, не замкнут из-за низкой магнитной проницаемости материала цилиндра (т.к. µ≈1). Кроме этого, указанная в прототипе конструкция ротора предполагает размещение на немагнитном роторе в отдельных отверстиях цилиндрических постоянных магнитов, что технически определяет промежутки между отверстиями и, как следствие, низкий коэффициент заполнения ротора источниками магнитного поля и низкую индуктированную ЭДС в обмотке. Для электрогенераторов одной из ключевых зависимостей, определяющих режим их работы, является зависимость выходного напряжения от тока потребителя, протекающего в обмотке статора.
Задачей заявляемой магнитоэлектрической машины является усовершенствование конструкции магнитной системы, позволяющей повысить рабочий магнитный поток магнитоэлектрической машины, а следовательно, повысить индуктированную ЭДС в обмотке статора.
Данный технический результат достигается тем, что в роторе магнитоэлектрической машины с постоянными магнитами и статором, представляющем собой магнитопровод с пазами, в которых размещена трехфазная обмотка, ротор от статора отделен технологическим воздушным зазором δ и представляет собой цилиндр с закрепленными на нем постоянными магнитами, причем число магнитных полюсов ротора должно равняться числу магнитных полюсов трехфазной обмотки с током статора и удовлетворять выражению:
2р=n,
где р - число пар полюсов машины;
n - четное число,
трехфазная обмотка статора подключена к трехфазному выпрямительному блоку и соединена по схеме «звезда» и «треугольник», согласно заявляемому техническому решению ротор представляет собой полый цилиндр, выполненный из ферромагнитного материала, на внешней боковой поверхности которого расположены постоянные магниты в форме стержней призматической формы. Магниты зафиксированы от перемещений на роторе крышками.
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого ротора магнитоэлектрической машины.
На фиг. 2 представлено в цвете распределение электромагнитного поля полюсов магнитоэлектрической машины.
На фиг. 3 представлено в цвете электромагнитное поле магнитоэлектрической машины, создаваемое током, протекающим в обмотке статора магнитоэлектрической машины (потоком реакции), который приводит к уменьшению рабочего электромагнитного поля (поля полюсов) магнитоэлектрической машины, создаваемого постоянными магнитами.
Магнитоэлектрическая машина содержит корпус 1, статор 2, представляющий собой магнитопровод 3 с пазами, в которых размещена трехфазная обмотка 4, ротор 5 представляет собой полый цилиндр 6, выполненный из ферромагнитного материала (ферромагнитный цилиндр), на внешней боковой поверхности которого расположены постоянные магниты 7 в форме стержней призматической формы. Магниты 7 зафиксированы от перемещений на роторе 5 крышками. Ротор 5 от статора 2 отделен технологическим воздушным зазором δ, число магнитных полюсов ротора 5 должно равняться числу магнитных полюсов трехфазной обмотки с током статора 2 и удовлетворять выражению:
2р=n, где
р - число пар полюсов машины;
n - четное число.
Рассмотрим конкретный пример выполнения магнитоэлектрической машины, в которой расположение постоянных магнитов 7 на роторе 5 представлено тремя парами полюсов (2р=6), где конфигурация магнитного поля представляет собой замкнутые линии магнитного поля с шестью выраженными областями. Трехфазная обмотка может быть выполнена как однослойной, так и двухслойной. Описание размещения трехфазной обмотки в статоре рассмотрено, например, в учебнике для вузов [Копылов И.П. «Электрические машины», М.: Энергоатомиздат, 1986, - 360 с., стр. 159-162, или Григорьев В.Ф. «Обмотки якоря (статора) электрических машин»: метод. указания / В.Ф. Григорьев, А.В. Бунзя, Е.М. Азарова. - Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2012, - 34 с., стр. 23-33].
Корпус 1 магнитоэлектрической машины обычно отливают из алюминиевого сплава или чугуна. Сердечник статора 2 изготовлен шихтованным, набранным из отдельных статорных пластин. Между пластинами расположена изоляция, которая может быть выполнена, например, окалиной. Набор статорных пластин с изоляцией образуют пакет, который скрепляют сваркой или при помощи скоб.
Магнитоэлектрическая машина работает следующим образом.
Приводят во вращательное движение магнитоэлектрическую машину от внешнего двигательного устройства. На роторе 5 магнитоэлектрической машины расположены постоянные магниты 7, которые при вращении ротора 5 изменяют магнитный поток, пронизывающий витки трехфазной обмотки 4 статора 2 магнитоэлектрической машины. В замкнутом контуре трехфазной обмотки 4 статора 2 при изменении магнитного потока, проходящего через него, возникает электрический ток. Описание законов электромеханики приведено в учебно-методической литературе, например в учебнике для вузов Копылов И.П. «Электрические машины», М.: Логос, 2000, - 607 с., стр. 52-63.
Расчет магнитного поля магнитоэлектрической машины осуществляли программным комплексом «Elcut», позволяющим определить распределение магнитной индукции в области моделирования магнитной системы магнитоэлектрической машины, которое наглядно представлено на фиг. 2, на котором изображено уменьшение магнитной индукции электромагнитного поля от красного спектра к синему от 1,20 до 0,015 Тл. Заметно, что электромагнитное поле неоднородное, осесимметричное, что в конечном итоге и обеспечивает отсутствие результирующего радиального тягового усилия на ротор 5, что приводит к уменьшению усилия, необходимого для вращения ротора 5 внешним двигательным устройством (на фиг. 2 не показано). Наиболее насыщенная область магнитной индукции - это область ферромагнитного цилиндра 6 от 0,72 до 1,20 Тл.
Для каждой отдельной пары полюсов образуется магнитная цепь с технологическим воздушным зазором δ между магнитами и обмоткой. Отсутствие технологического воздушного зазора со стороны ротора 5 приводит к увеличению рабочего магнитного потока (потока, замыкаемого через трехфазную обмотку 4 статора 2) и в соответствии с законом электромагнитной индукции приводит к увеличению электродвижущей силы, наводимой в трехфазной обмотке 4 статора 2. В соответствии с результатами расчета в ферромагнитном цилиндре 6 ротора 5 максимальное значение магнитной индукции составляет 1,2 Тл. Магнитная индукция рабочего магнитного потока в области трехфазной обмотки 4 статора 2 составляет 0,8-1,0 Тл. Максимальное значение магнитной индукции в области трехфазной обмотки 4 статора 2 составляет не более 0,05 Тл. Уменьшение электромагнитного поля, создаваемого током, протекающим в обмотке статора (потоком реакции), приводит к уменьшению влияния на рабочий магнитный поток электромагнитной машины, создаваемый постоянными магнитами 7 (фиг. 3).
Указанная конструкция ротора позволяет повысить рабочий магнитный поток магнитоэлектрической машины, а следовательно, повысить индуктированную ЭДС в трехфазной обмотке статора.