Магнитоэлектрическая машина
MAGNETOELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, в частности электрогенераторам постоянного тока, и может быть использовано в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания.
Известна асинхронная машина, которая 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.
Наиболее близким устройством того же назначения по совокупности признаков является конструкция магнитоэлектрической машины [Патент RU №2585279, опубл. 27.05.2016], которая содержит ротор с постоянными магнитами и статор, представляющий собой магнитопровод с пазами, в которых размещена трехфазная обмотка. На роторе закреплены постоянные магниты, причем число магнитных полюсов ротора равно числу магнитных полюсов трехфазной обмотки статора. Ротор представляет собой цилиндр, выполненный из двух частей: верхней и внутренней. Внутренняя часть ротора выполнена в виде цилиндра и изготовлена из ферромагнетика, а внешняя часть выполнена в виде полого цилиндра, в котором выполнены отверстия для размещения в них постоянных магнитов, и изготовлена из немагнитного материала. Внутренняя и внешняя части цилиндрического ротора жестко скреплены между собой. Указанная конструкция обладает следующим недостатком: в конструкции магнитной системы предусматривается, что число зубцов статора, отнесенное к числу магнитных полюсов ротора, есть целая величина (например, в указанном патенте число зубцов 36, а число пар полюсов 4, в связи с чем отношение 36/4=9 представляет собой целое число). Из-за того, что часть магнитов оказывается напротив зубцов статора, возникает залипание (притяжение магнитов к зубцам статора), что приводит к повышению момента страгивания при вращении ротора, что в свою очередь обуславливает повышение пускового момента магнитоэлектрической машины.
Задачей заявляемого изобретения является создание такой магнитоэлектрической машины, которая позволит уменьшить момент страгивания и тем самым уменьшить пусковой момент магнитоэлектрической машины.
Данный технический результат достигается тем, что в заявленной конструкции магнитной системы магнитоэлектрической машины определенным образом изменено отношение числа пазов статора к числу магнитных полюсов ротора, а именно в магнитной системе заявленной магнитоэлектрической машины ротор с постоянными магнитами и статором, представляющий собой магнитопровод с пазами, в которых размещена трехфазная обмотка, ротор от статора отделен воздушным зазором 5 и представляет собой цилиндр с закрепленными на нем постоянными магнитами, в котором  где q - нецелое число, z - число пазов статора, р - число пар полюсов ротора; m - число фаз, согласно заявляемому техническому решению q - отношение числа пазов статора, приходящихся на полюс и фазу, к числу магнитных пар полюсов ротора должно быть дробным, причем указанное отношение представляет собой периодическую дробь.
Экспериментально было установлено, что если указанное выражение представляет собой периодическую дробь, то наблюдается наименьший момент страгивания.
На фиг. 1 представлено распределение магнитного поля магнитоэлектрической машины, где q представляет собой нецелое число, магнитное поле несимметрично.
Однако, в соответствии с расчетом, значение магнитной индукции у каждого полюса одинаково и изменяется от 0,2 до 1,0 Тл вдоль радиальной составляющей магнита. За счет этого удается избежать дополнительной радиальной силы притяжения, действующей на подвижную часть магнитоэлектрической машины.
На фиг. 2 наглядно представлено распределение магнитного поля реакции ротора. При подключении к обмотке статора потребителя электрической энергии в обмотке статора протекает электрический ток, создающий свое магнитное поле реакции, которое направлено против вращения ротора с постоянными магнитами. Это поле препятствует вращению ротора в соответствии с расчетом.
На фиг. 3 представлена схема укладки секций отдельных фаз обмоток магнитоэлектрической машины.
На фиг. 4 представлен пример развернутой схемы предлагаемой обмотки магнитоэлектрической машины q=z/(2pm)=72/(2*11*3)=1.090909….
Стрелками показаны направления токов в фазах генератора для фиксированного момента времени, когда ток в фазе А 8 А, фазе В - 4 А, фазе С - 4 А.
На фиг. 5 представлена схема присоединения трехфазной обмотки статора магнитоэлектрической машины к трехфазному выпрямительному блоку на диодах.
На фиг. 6 представлена схема, в которой магнитоэлектрическая машина является частью асинхронного электропривода. Магнитоэлектрическая машина содержит корпус 1, статор 2, представляющий собой магнитопровод с пазами 3, в которых размещена трехфазная обмотка 4, ротор 5, представляющий собой цилиндр, выполненный из ферромагнетика (например, сталь), на котором размещены постоянные магниты 6. Ротор от статора отделен воздушным зазором 5, отношение числа пазов статора, приходящихся на полюс и фазу, к числу магнитных пар полюсов ротора должно быть дробным, причем указанное отношение представляет собой периодическую дробь:
где z - число пазов статора,
р - число пар полюсов ротора,
m - число фаз,
согласно заявляемому техническому решению q - отношение числа пазов статора, приходящихся на полюс и фазу, к числу магнитных пар полюсов ротора должно быть дробным, причем указанное отношение представляет собой периодическую дробь.
Трехфазная обмотка статора подключена к трехфазному выпрямительному блоку и соединена по схеме «звезда», «треугольник». Пример подключения трехфазной обмотки статора к трехфазному выпрямительному блоку приведен на фиг. 5. Выпрямительный блок 9 (Фиг. 6) представлен в виде одной из стандартных выпрямительных схем, выполненных на диодах, например, по трехфазной мостовой схеме. В любой промежуток времени должны быть включены два диода, один из катодной, а другой - из анодной группы. Поочередная работа различных пар диодов приводит к появлению на нагрузке магнитоэлектрической машины выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений. Трехфазная обмотка может быть выполнена как однослойной, так и двухслойной. Описание размещения трехфазной обмотки в статоре рассмотрены, 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, набранный из отдельных статорных пластин. Между пластинами расположена изоляция, которая может быть выполнена, например, окалиной. Пакет статорных пластин с изоляцией образуют пакет, который скрепляют сваркой или при помощи скоб.
Общая схема привода магнитоэлектрической машины содержит двигательное устройство, например дизельный двигатель, ветроколесо или асинхронный двигатель. Пример электропривода, включающего в свой состав двигательное устройство, представляющее собой асинхронный двигатель, приведено на фиг. 6. Асинхронный двигатель (АД) 7, трехфазный выпрямитель (В) 8 (далее выпрямительный блок), нагрузочное сопротивление (Н) 9, частотный преобразователь (ЧП) 10 для регулирования скорости вращения ротора АД, блок защиты и включения сети 11, трансформатор тока 12, резистивную цепь, предназначенную для измерения фазного напряжения АД 13, и аккумуляторную батарею 14, систему стабилизации напряжения 15.
Учитывая особенности электроснабжения различных электроприемников, целесообразным является ограничение выходного напряжения магнитоэлектрической машины, например, в том случае, если выходное напряжение больше номинального напряжения потребителя. Поэтому предпочтительно, чтобы магнитоэлектрическая машина также включала в свой состав блок стабилизации напряжения, включающий в свой состав аккумуляторную батарею, разрядное сопротивление Rp, а также систему переключателей, обеспечивающих заряд аккумуляторной батареи.
Магнитоэлектрическая машина работает следующим образом.
Приводят во вращательное движение магнитоэлектрическую машину от внешнего двигательного устройств. В качестве внешнего двигательного устройства рассмотрен асинхронный двигатель 7 (Фиг. 6).
На обмотку статора асинхронного двигателя (АД) через блок защиты и включения сети 11 подают переменное напряжение, имеющее частоту, задаваемую преобразователем частоты частотным преобразователем (ЧП) 10. Начинается вращение ротора АД 7. Ротор АД 7 и ротор 5 магнитоэлектрической машины механически связаны, например, ременной передачей, поэтому ротор 5 магнитоэлектрической машины приводится во вращение. Начинается вращение ротора 5 с размещенными на нем постоянными магнитами 6. В замкнутом контуре трехфазной обмотки 4 статора 2 при изменении магнитного потока, проходящего через него, возникает электрический ток (индуцирование), который затем подается на вход выпрямительного блока с целью получения постоянного напряжения. Далее, полученное переменное напряжение подается на выпрямительный блок 8, а затем на нагрузочное сопротивление (Н) 9. Применение преобразователя частоты с АД в качестве регулируемого внешнего двигательного устройства позволяет регулировать вращение ротора предложенной магнитоэлектрической машины и тем самым обеспечить регулирование ЭДС в обмотке магнитоэлектрической машины. Кроме этого, предложенная схема электропривода позволяет измерить напряжение на трехфазной обмотке магнитоэлектрической машины.
Полученный таким образом источник питания может использоваться в сетях постоянного тока. Присоединение к инвертору напряжения позволит использовать устройство в сетях переменного напряжения.
Измерительные трансформаторы тока (12) предназначены для измерения тока и расположены до и после преобразователя частоты 10.
Резистивная цепочка 13 соединена со статорной обмоткой асинхронного двигателя 7 параллельно и предназначена для обеспечения возможности подключения измерительных приборов для измерения напряжения на статорной обмотке асинхронного двигателя 7.
В качестве преобразователя частоты может использоваться стандартный частотный преобразователь (например, фирмы Hyundai).
Система стабилизации напряжения 15 работает следующим образом.
Аккумуляторная батарея 14 подключена к выпрямительному устройству 8 через выключатель QF1, а также через контакты промежуточного реле KV2, который в нормальном положении замкнут. Происходит заряд аккумулятора. Питание нагрузочного сопротивления (Н) 9 может осуществляться от аккумуляторной батареи 14, если потребитель постоянного тока, или через стандартный блок инвертора напряжения (на фиг. 6 не показан), если потребитель переменного тока.
В том случае, если напряжение на трехфазной обмотке 4 статора 2 выше, чем напряжение, необходимое для заряда аккумуляторной батареи 14, то KV2 отключается, a KV1 включается, тем самым реализуя защиту аккумуляторной батареи 14.
Указанная конструкция ротора позволяет повысить рабочий магнитный поток магнитоэлектрической машины, а следовательно, повысить индуктированную ЭДС в обмотке.
Разработанную магнитоэлектрическую машину можно использовать в сетях постоянного тока, а в случае необходимости, дополнительно установить инвертор напряжения для получения переменного напряжения с заданными параметрами и использовать в сетях переменного тока.