Индуктор линейного магнитоэлектрического электрогенератора, преимущественно с возбуждением от постоянных магнитов
INDUCER OF LINEAR ELECTROMAGNETIC GENERATOR WITH EXCITATION MAINLY FROM PERMANENT MAGNETS

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к индукторам линейного магнитоэлектрического электрогенератора, преимущественно с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в составе различных автономных источников электроэнергии с линейным магнитоэлектрическим электрогенератором на постоянных магнитах, например в составе линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов на плавучих волновых электростанциях, а также в иных автономных энергоустановках в составе линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов для снабжения электроэнергией различных потребителей (для освещения, а также для проведения различных технологических процессов). Известен индуктор линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий смонтированный на опорном узле кольцевой магнитный вкладыш (см., например, патент РФ №2173499, МПК Н02К 35/02 по заявке №99127589/06 от 23.12.1999 г.).
Недостатком известного индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов является значительная металлоемкость и малая надежность в эксплуатации вследствие использования в его конструкции отдельных полюсных наконечников кольцевого магнитного вкладыша, а также малая магнитная индукция и по этой причине низкий КПД вследствие значительного разнесения между собой по оси кольцевого магнитного вкладыша его полюсных наконечников.
Известен также индуктор линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий смонтированный на опорном узле кольцевой магнитный вкладыш (см., например, патент РФ №2051462, МПК Н02К 35/00 по заявке №5038113/07 от 17.04.1992 г.).
Недостатком известного индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов является значительная его материалоемкость, обусловленная использованием в его конструкции массивного опорного узла для кольцевого магнитного вкладыша, а также малая магнитная индукция и по этой причине низкий КПД вследствие отсутствия явно выраженных полюсных наконечников кольцевого магнитного вкладыша.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является индуктор линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий смонтированный на опорном узле кольцевой магнитный вкладыш, выполненный из группы отдельных кольцевых монолитных магнитных секций (см., напр., патент РФ №2037642, МПК F03B 13/16 по заявке №93043446/29 от 31.08.1993 г.). Недостатками известного индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов являются малая магнитная индукция, малый общий магнитный поток и низкий КПД, обусловленные отсутствием явно выраженных полюсных наконечников кольцевого магнитного вкладыша, а также малая надежность в эксплуатации вследствие отсутствия каких-либо фиксирующих и центрирующих элементов для правильной ориентации относительно друг друга смежных кольцевых монолитных магнитных секций по знаку полярности их магнитных полюсов. Целью настоящего изобретения является повышение магнитной индукции, общего магнитного потока и КПД индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов, а также повышение надежности его в эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что в индукторе линейного магнитоэлектрического электрогенератора, преимущественно с возбуждением от постоянных магнитов, содержащем смонтированный на опорном узле кольцевой магнитный вкладыш, выполненный из группы отдельных кольцевых монолитных магнитных секций, согласно изобретению упомянутый опорный узел включает расположенную коаксильно кольцевому магнитному вкладышу цилиндрическую металлическую обойму магнитопровода из ферромагнитного материала, выполненную со стороны одного из концов с кольцевым упорным выступом на внутренней боковой стенке и снабженную закрепленной на ее внутренней боковой стенке, по крайней мере, одной парой расположенных диаметрально противоположно друг другу и равномерно по дуге окружности продольных направляющих упоров, параллельных центральной оси кольцевого магнитного вкладыша, а внутренняя боковая стенка каждой из отдельных кольцевых монолитных магнитных секций указанного кольцевого магнитного вкладыша образована из N-пар расположенных диаметрально противоположно друг другу, равномерно по дуге окружности и симметрично относительно центральной оси кольцевого магнитного вкладыша цилиндрических поверхностей вращения, пересекающихся между собой и образующих между собой на участках пересечения внутренних боковых стенок кольцевой монолитной магнитной секции клювообразные выступы из N-пар, расположенные диаметрально противоположно друг другу и равномерно по дуге окружности, при этом оси упомянутых цилиндрических поверхностей вращения, образующих внутренние боковые стенки кольцевых монолитных магнитных секций, параллельны между собой, параллельны оси кольцевого магнитного вкладыша и расположены вместе с последней в одних радиальных плоскостях с одинаковым аксиальным смещением от оси кольцевого магнитного вкладыша, а торцевые кромки указанных внутренних боковых стенок кольцевых монолитных магнитных секций расположены конгруэнтно друг другу в каждой их смежной паре и конгруэнтно по знаку полярности их магнитных полюсов, образуя между собой совместно с упомянутыми клювообразными выступами цилиндрические внутренние каналы из N-пар в кольцевом магнитном вкладыше для магнитопровода статора, причем кольцевые монолитные магнитные секции кольцевого магнитного вкладыша выполнены на наружной боковой стенке с направляющими пазами, расположенными конгруэнтно упомянутым продольным направляющим упорам, стенки которых сопряжены со стенками указанных направляющих пазов в кольцевых монолитных магнитных секциях кольцевого магнитного вкладыша, а последний сопряжен со стороны одного из концов с указанным кольцевым упорным выступом на внутренней боковой стенке цилиндрической металлической обоймы магнитопровода, при этом магнитные полюсы каждой из кольцевых монолитных магнитных секций выполнены из 2N-пар, расположены с равномерным чередованием попарно двухполюсной одинаковой полярности в каждой их смежной паре по окружности, размещены в одинаковых радиальных плоскостях по одинаковому знаку их полярности в смежных кольцевых монолитных магнитных секциях и выполнены с одинаковой двухполюсной полярностью на суженных участках кольцевых монолитных магнитных секций, расположенных между упомянутыми смежными клювообразными выступами их внутренних боковых стенок.
Дополнительным отличием заявленного индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов является то, что упомянутые клювообразные выступы внутренних боковых стенок кольцевых монолитных магнитных секций включают две их пары, образованные пересечением упомянутых двух пар цилиндрических поверхностей вращения, образующих внутренние боковые стенки кольцевых монолитных магнитных секций кольцевого магнитного вкладыша, а также образующих совместно с указанными клювообразными выступами две пары упомянутых цилиндрических внутренних каналов в кольцевом магнитном вкладыше для магнитопровода статора, причем указанные клювообразные выступы расположены диаметрально противоположно друг другу и равномерно по дуге окружности, а расположенные диаметрально противоположно друг другу суженные участки кольцевых монолитных магнитных секций выполнены с одинаковой попарной полюсной полярностью по обе стороны относительно радиальной плоскости их симметрии, проходящей через центральную ось кольцевого магнитного вкладыша. Кроме того, упомянутая цилиндрическая металлическая обойма магнитопровода выполнена из стали, а каждая из кольцевых монолитных магнитных секций кольцевого магнитного вкладыша выполнена из порошкового магнитоанизотропного материала или из материала на основе редкоземельных магнитопластов.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов в продольном разрезе.
На фиг.2 - вид А по фиг.1 (вид в плане);
На фиг.3 - разрез А - А по фиг.1;
На фиг.4 - вид А по фиг.1 (вид в плане), вариант исполнения индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов;
На фиг.5 - разрез Б - Б по фиг.4;
На фиг.6 изображен вид в плане на индуктор линейного магнитоэлектрического электрогенератора (опорный узел не показан);
На фиг.7 изображен вид в плане на индуктор (вариант исполнения, опорный узел не показан).
Индуктор линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов содержит смонтированный на опорном узле кольцевой магнитный вкладыш 1, выполненный из группы отдельных кольцевых монолитных магнитных секций 2 с радиальной намагниченностью (радиальной магнитной поляризацией) и с чередующейся попарно полярностью (NN - SS) по окружности. Опорный узел включает расположенную коаксильно кольцевому магнитному вкладышу 1 цилиндрическую металлическую обойму 3 магнитопровода из ферромагнитного материала, выполненную со стороны одного из концов с кольцевым упорным выступом «а» на внутренней боковой стенке «б» и снабженную закрепленной на ее внутренней боковой стенке «б», по крайней мере, одной парой расположенных диаметрально противоположно друг другу и равномерно по дуге окружности продольных направляющих упоров 4, параллельных центральной оси O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1, а внутренняя боковая стенка «в» каждой из отдельных кольцевых монолитных магнитных секций 2 указанного кольцевого магнитного вкладыша 1 образована из N-пар расположенных диаметрально противоположно друг другу, равномерно по дуге окружности и симметрично относительно центральной оси O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1 цилиндрических поверхностей вращения (на фиг.2, 3 изображен вариант с одной парой упомянутых цилиндрических поверхностей вращения, а на фиг.4, 5 изображен вариант с двумя парами указанных цилиндрических поверхностей вращения), пересекающихся между собой и образующих между собой на участках пересечения внутренних боковых стенок «в» кольцевой монолитной магнитной секции 2 клювообразные выступы «г» из N-пар (на фиг.2, 3 изображен вариант с одной парой клювообразных выступов «г», а на фиг.4, 5 изображен вариант с двумя парами клювообразных выступов «г»), расположенные диаметрально противоположно друг другу и равномерно по дуге окружности (с центром этой окружности «Н», через которую проходит центральная ось O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1). Оси М-M1 и К-К1 упомянутых цилиндрических поверхностей вращения (с двумя центрами «Л» направляющих окружностей в варианте по фиг.2, 3 и с четырьмя центрами «Л» направляющих окружностей в варианте по фиг.4, 5), образующих внутренние боковые стенки «в» кольцевых монолитных магнитных секций 2, параллельны между собой, параллельны оси O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1 и расположены вместе с последней в одних радиальных плоскостях с одинаковым аксиальным смещением от оси O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1, а торцевые кромки указанных внутренних боковых стенок «в» кольцевых монолитных магнитных секций 2 расположены конгруэнтно друг другу в каждой их смежной паре и конгруэнтно по знаку полярности (парной полярности NN - SS) их магнитных полюсов, образуя между собой совместно с упомянутыми клювообразными выступами «г» цилиндрические внутренние каналы «д» из N-пар в кольцевом магнитном вкладыше 1 для магнитопровода статора (на фиг.2, 3 изображен вариант исполнения индуктора с одной парой цилиндрических внутренних каналов «д», а на фиг.4, 5 изображен вариант с двумя парами цилиндрических внутренних каналов «д»). Кольцевые монолитные магнитные секции 2 кольцевого магнитного вкладыша 1 выполнены на наружной боковой стенке «е» с направляющими пазами «ж», расположенными конгруэнтно упомянутым продольным направляющим упорам 4, стенки которых сопряжены со стенками указанных направляющих пазов «ж» в кольцевых монолитных магнитных секциях 2 кольцевого магнитного вкладыша 1, а последний сопряжен со стороны одного из концов с указанным кольцевым упорным выступом «а» на внутренней боковой стенке цилиндрической металлической обоймы 3 магнитопровода. Магнитные полюсы (N - S) каждой из кольцевых монолитных магнитных секций (имеющих радиальную намагниченность) выполнены из 2N-пар (на фиг.2, 3 изображен вариант индуктора из двух пар магнитных полюсов N - S, а на фиг.4, 5 изображен вариант из четырех пар магнитных полюсов N - S), расположены с равномерным чередованием попарно двухполюсной одинаковой полярности (NN - SS) в каждой их смежной паре по окружности, размещены в одинаковых радиальных плоскостях по одинаковому знаку их полярности (N - S) в смежных кольцевых монолитных магнитных секциях и выполнены с одинаковой двухполюсной полярностью (NN или SS) на суженных участках «и» кольцевых монолитных магнитных секций 2, расположенных между упомянутыми смежными клювообразными выступами «г» их внутренних боковых стенок «в».
В варианте исполнения индуктора линейного электрогенератора упомянутые клювообразные выступы «г» внутренних боковых стенок «в» кольцевых монолитных магнитных секций 2 включают две их пары (фиг.4, 5), образованные пересечением упомянутых двух пар цилиндрических поверхностей вращения (с четырьмя центрами «Л» направляющих окружностей), образующих внутренние боковые стенки «в» кольцевых монолитных магнитных секций 2 кольцевого магнитного вкладыша 1, а также образующих совместно с клювообразными выступами «г» две пары упомянутых цилиндрических внутренних каналов «д» в кольцевом магнитном вкладыше 1 для магнитопровода статора. В данном варианте исполнения индуктора линейного электрогенератора указанные клювообразные выступы «г» расположены также диаметрально противоположно друг другу и равномерно по дуге окружности (с центром этой окружности «Н», через которую проходит ось O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1), а расположенные диаметрально противоположно друг другу суженные участки «и» кольцевых монолитных магнитных секций 2 кольцевого магнитного вкладыша 1 выполнены с одинаковой попарной полюсной полярностью (NN - SS) по обе стороны относительно радиальной плоскости их симметрии, проходящей через центральную ось O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1.
В варианте исполнения упомянутая цилиндрическая металлическая обойма 3 выполнена из стали, а каждая из кольцевых монолитных магнитных секций 2 кольцевого магнитного вкладыша 1 выполнена из порошкового магнитоанизотропного материала или из материала на основе редкоземельных магнитопластов.
Индуктор линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов собирается и эксплуатируется следующим образом.
Каждая из монолитных кольцевых магнитных секций 2 из порошкового магнитоанизотропного материала, размещенная во вспомогательном технологическом кольце (на чертеже не показано) и намагниченная до заданных параметров (по числу парных полюсов NN - SS и величине коэрцитивной силы по намагниченности материала монолитной кольцевой магнитной секции) вместе с указанным вспомогательным технологическим кольцом в специальном индукторе установки для намагничивания кольцевых магнитов (на чертеже также не показано) после окончания процесса намагничивания выпрессовывается из вспомогательного технологического кольца и запрессовывается в цилиндрическую металлическую обойму 3 магнитопровода по продольным направляющим упорам 4, сопрягаемым со стенками направляющих пазов «ж» на наружной боковой стенке «е» кольцевой монолитной магнитной секции 2, до кольцевого упорного выступа «а» на внутренней боковой стенке «б» цилиндрической металлической обоймы 3 магнитопровода. Далее процесс повторяется и следующая намагниченная в специальном индукторе установки для намагничивания кольцевая монолитная магнитная секция 2 из порошкового магнитоанизотропного материала выпрессовывается из вспомогательного технологического кольца и запрессовывается аналогичным образом в цилиндрическую металлическую обойму 3 магнитопровода по продольным направляющим упорам 4 до упора в предыдущую кольцевую монолитную магнитную секцию 2 (до упора в ее торец), после чего процесс снова повторяется до образования (или набора) в цилиндрической металлической обойме 3 магнитопровода сплошного кольцевого магнитного вкладыша 1 (пакета) из кольцевых монолитных магнитных секций 2, в котором торцевые кромки указанных внутренних боковых стенок «в» кольцевых монолитных магнитных секций 2 расположены конгруэнтно друг другу в каждой их смежной паре и конгруэнтно по знаку попарной полярности (NN - SS) их магнитных полюсов, образуя между собой упомянутые цилиндрические внутренние каналы «д» для магнитопровода статора в кольцевом магнитном вкладыше 1. Продольные направляющие упоры 4 на внутренней боковой стенке «б» цилиндрической металлической обоймы 3 магнитопровода и направляющие пазы «ж» на наружной боковой стенке «е» каждой из кольцевых монолитных магнитных секций 2 служат как для фиксации конгруэнтно расположенных торцевых кромок внутренних боковых стенок «в» кольцевых монолитных магнитных секций 2 в каждой их смежной паре, так и для фиксации конгруэнтно расположенных по знаку попарной полярности (NN - SS) в каждой их смежной паре магнитных полюсов.
Выполнение в индукторе линейного магнитоэлектрического электрогенератора опорного узла в виде расположенной коаксильно кольцевому магнитному вкладышу 1 цилиндрической металлической обоймы 3 магнитопровода из ферромагнитного материала, выполненной со стороны одного из концов с кольцевым упорным выступом «а» на внутренней боковой стенке «б» и снабженной закрепленной на ее внутренней боковой стенке «б», по крайней мере, одной парой расположенных диаметрально противоположно друг другу и равномерно по дуге окружности продольных направляющих упоров 4, параллельных центральной оси O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1, а также выполнение кольцевых монолитных магнитных секций 2 кольцевого магнитного вкладыша 1 на наружной боковой стенке «е» с направляющими пазами «ж», расположенными конгруэнтно упомянутым продольным направляющим упорам 4, стенки которых сопряжены со стенками указанных направляющих пазов «ж» в кольцевых монолитных магнитных секциях 2 кольцевого магнитного вкладыша 1, позволяет повысить надежность в эксплуатации в целом индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора как за счет надежной фиксации конгруэнтно расположенных торцевых кромок внутренних боковых стенок «в» кольцевых монолитных магнитных секций 2 в каждой их смежной паре, так и за счет четкой фиксации (ориентации) конгруэнтно расположенных по знаку полярности (NN - SS) в каждой их смежной паре магнитных полюсов.
Образование внутренней боковой стенки «в» каждой из отдельных кольцевых монолитных магнитных секций 2 указанного кольцевого магнитного вкладыша 1 из N-пap расположенных диаметрально противоположно друг другу, равномерно по дуге окружности и симметрично относительно центральной оси O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1 цилиндрических поверхностей вращения, пересекающихся между собой и образующих между собой на участках пересечения внутренних боковых стенок «в» кольцевой монолитной магнитной секции 2 клювообразные выступы «г» из N-пap, расположенные диаметрально противоположно друг другу и равномерно по дуге окружности (с центром этой окружности «Н», через которую проходит центральная ось O-O1 кольцевого магнитного вкладыша 1), позволяет повысить в целом магнитную индукцию и КПД индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов за счет резкой концентрации и уплотнения магнитных силовых линий и тем самым увеличения магнитного потока в зоне упомянутых клювообразных выступов «г» кольцевых монолитных магнитных секций 2, ограничивающих совместно с внутренними боковыми стенками «в» кольцевых монолитных магнитных секций 2 кольцевого магнитного вкладыша 1 внутренние цилиндрические каналы «д» (ограничивающих, по крайней мере, одну пару цилиндрических каналов «д»; при этом четное число цилиндрических каналов «д» может составлять N-пap; в частном варианте исполнения на фиг.4, 5 показаны две пары цилиндрических каналов «д») для магнитопровода статора.
Дополнительным преимуществом предложенного индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов является расширение его эксплуатационных параметров, обусловленное тем, что весьма значительный по ширине кольцевой магнитный вкладыш 1 выполняется (набирается) из группы относительно узких одинаковых кольцевых монолитных магнитных секций 2 с радиальной намагниченностью и с чередующейся попарной полярностью (NN - SS) по окружности, что позволяет изменять в широких пределах общий магнитный поток (в зависимости от требуемой активной мощности линейного магнитоэлектрического электрогенератора, преимущественно с возбуждением от постоянных магнитов, в составе которого используется предложенный индуктор), улучшить и расширить область однородности создаваемого магнитного поля и повысить его напряженность, а также позволяет, как следствие, непосредственно повысить электрическую активную мощность линейного магнитоэлектрического генератора при улучшенных массогабаритных характеристиках как самого индуктора, так и линейного магнитоэлектрического электрогенератора, и дополнительно позволяет снизить эксплуатационные затраты на изготовление предложенного индуктора линейного магнитоэлектрического электрогенератора за счет использования для намагничивания кольцевых монолитных магнитных секций 2 обычных индукторов в установках для намагничивания, не имеющих специально оговоренные уникальные параметры (например, по величине требуемого импульсного тока, обеспечивающего необходимую величину напряженности магнитного поля в индукторе установки для намагничивания, по параметрам теплопередачи специальной системы охлаждения токоподводов и разрядных цепей, необходимой для отвода весьма значительных тепловых потоков, возникающих в токоподводах и разрядных цепях в процессе намагничивания). Образование в индукторе линейного магнитоэлектрического электрогенератора (в кольцевом магнитном вкладыше 1) цилиндрических внутренних каналов «д» из N-пap для магнитопровода статора, число которых равно числу N-пap клювообразных выступов «г» кольцевых монолитных магнитных секций 2, позволяет упростить технологический монтаж (сборку) магнитопровода статора в упомянутых цилиндрических внутренних каналах «д» и рационально разместить сам магнитопровод статора.