ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROMECHANICAL CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для промышленных, сельскохозяйственных и бытовых нужд.
Существует ферромагнитный материал на основе железного порошка, содержащий при определенном соотношении компонентов олово, кремний и тальк (пат. №1836731 A3 SU, МПК H01F 1/147, С22С 38/02, В22F 1/00).
2
3
2
Известен выплавляемый магнитный материал на основе магнитомягкого сплава для монолитных магнитопроводов электрических машин, включающий матрицу из магнитомягкого сплава, в которую введена тугоплавкая, химически инертная, диэлектрическая фаза при определенном соотношении компонентов, причем в качестве матрицы из магнитомягкого сплава использован анизотропный сплав, а в качестве диэлектрической фазы использован порошок окиси алюминия АlO или окиси кремния SiO (пат. №2376669, МПК H01F 1/147).
Наиболее близким по технической сущности является электромеханический преобразователь, содержащий первичную обмотку, магнитопровод и две вторичных короткозамкнутых обмотки, выполненные в виде полых цилиндров. Вращающаяся вторичная обмотка и магнитопровод разделены дополнительным теплоизолирующим элементом из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющего функцию радиального и/или упорного подшипника скольжения и составляющего единое целое с магнитопроводом и первичной обмоткой, а на внутренней поверхности вторичной обмотки сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти (пат. №65335 РФ, МПК 7 Н05В 6/10, F25В 29/00).
Недостатком этих материалов и, как следствие, устройств, в которых они могут быть использованы для изготовления магнитопровода, а также электромеханического преобразователя является низкая энергетическая эффективность, обусловленная высокими магнитными потерями.
Задачей заявляемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия электромеханического преобразователя.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в увеличении коэффициента полезного действия за счет повышения магнитной проницаемости и соответственно уменьшении магнитного сопротивления магнитопровода электромеханического преобразователя.
Этот результат является следствием использования в конструкции электромеханического преобразователя магнитопровода, изготовленного из композиционного материала с добавлением специальных компонентов на основе комплексов железа (II) с трис(пиразол-1-ил)метаном, обладающих рабочетемпературным спин-кроссовером.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
кл
кл
Электромеханический преобразователь состоит из магнитопровода, с уложенной в нем сетевой обмоткой, и двух короткозамкнутых вторичных обмоток, выполненных из электропроводящего материала, неподвижной и вращающейся, имеющих, например, форму полого цилиндра. Вращающаяся вторичная обмотка и магнитопровод разделены элементом из самосмазывающегося неэлектропроводящего материала, выполняющего функцию подшипника скольжения и обеспечивающего свободное движение вращающейся обмотки в тангенциальном направлении, но ограничивающим ее осевое перемещение относительно магнитопровода с первичной обмоткой и неподвижной обмотки. Магнитопровод изготовлен из композиционного материала, содержащего в определенном процентом соотношении две компоненты: неорганическую (ферромагнитный в виде фракции железа) и органическую (трис(пиразол-1-ил)метан, 1,2,4-триазолы). При этом процентное соотношение между указанными компонентами определяет классификационную температуру T спин-кроссовера, т.е. температуру резкого изменения магнитной проницаемости композиционного материала. Зависимость магнитной проницаемости магнитопровода электромеханического преобразователя от рабочей температуры приведена на фигуре 1. Диапазон изменения классификационной температуры T может варьироваться от 40 до 200°C за счет изменения относительного процентного содержания в композиционном материале ферромагнитной составляющей от 4 до 12%.
Повышение коэффициента полезного действия электромеханического преобразователя происходит следующим образом.
На сетевую обмотку подается напряжение от сети переменного тока. Проходящий при этом по обмотке ток создает намагничивающую силу и переменное магнитное поле, наводящее на основании закона электромагнитной индукции во вторичных короткозамкнутых обмотках электродвижущие силы и обусловленные ими вторичные токи, взаимодействующие как с первичным магнитным полем, так и между собой. Так как между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью вращающейся обмотки расположен элемент, выполненный из самосмазывающегося материала и представляющий собой подшипник скольжения, вращающаяся обмотка приходит во вращение со скоростью, определяемой параметрами электромеханического преобразователя.
1
Основной магнитный поток  создается намагничивающим током . Намагничивающая сила (НC), обусловленная прохождением этого тока по первичной обмотке, равна сумме НC всех обмоток. Обычно при проектировании электромеханических преобразователей делают допущение, что все обмотки имеют одинаковое число витков, равное числу витков первичной обмотки w, и рассматривают так называемый приведенный преобразователь. В математических выражениях величины, связанные с сетевой обмоткой, имеют нижний индекс «1», с неподвижной вторичной короткозамкнутой обмоткой - «2», с вторичной вращающейся - «3». Приведенные величины имеют верхний индекс «′». Рассматривая электромеханический преобразователь, можно записать приведенные значения токов, напряжений, электродвижущих сил (ЭДС) и сопротивлений:
; ; ; ;
; ,
где ,  - токи неподвижной и вращающейся вторичных обмоток реального преобразователя в комплексной форме; ,  - токи неподвижной и вращающейся вторичных обмоток приведенного преобразователя в комплексной форме; ,  - напряжения на неподвижной и вращающейся вторичных обмотках реального преобразователя в комплексной форме; ,  - напряжения на неподвижной и вращающейся вторичных обмотках приведенного преобразователя в комплексной форме; ,  - комплексные сопротивления неподвижной и вращающейся вторичных обмоток реального преобразователя; ,  - комплексные сопротивления неподвижной и вращающейся вторичных обмоток приведенного преобразователя.
Связь между реальными и приведенными параметрами во вращающемся преобразователе учитывает число фаз и обмоточные коэффициенты обмоток:
; ;
;
; ,
1
2
3
обм1
обм2
обм3
где m, m, m - число фаз первичной, неподвижной и вращающейся вторичных обмоток; k, k, k - обмоточные коэффициенты.
В каждой из обмоток поток взаимоиндукции наводит ЭДС, пропорциональную числу ее витков. Потокосцепление первичной обмотки определяется в основном подведенным напряжением сети. Поэтому ток первичной обмотки увеличивается при нагрузке по сравнению с холостым ходом на суммарную величину приведенных токов неподвижной и вращающейся вторичных обмоток:
Ток  определяет основные нагрузочные потери в электромеханическом преобразователе, а именно электрические потери в первичной обмотке, которые определяются по формуле
10
1
n
где r - активное сопротивление фазы первичной обмотки в практически холодном состоянии при начальной температуре Т=0°C или Т=20°C; ε, …, ε - температурные коэффициенты сопротивления материала первичной обмотки в рабочем диапазоне температур; T - температура первичной обмотки; n - степень полинома, аппроксимирующего зависимость (n=1 при T 0…100°C, n=2 при T 0…300°C и т.д.).
м
Из формулы (1) видно, что намагничивающий ток  или, иначе, ток холостого хода определяет величину потребляемого из сети тока  и соответственно электрических потерь (2) и коэффициент полезного действия электромеханического преобразователя. При этом значение тока  непосредственно зависит от магнитного сопротивления магнитопровода R:
M
M
M
M
R=l/(µ×S),
M
M
M
где l, S - эквивалентные длина и сечение магнитопровода; µ - магнитная проницаемость материала магнитопровода.
кл
кл
м
Выделяющиеся в первичной обмотке, расположенной на магнитопроводе электромеханического преобразователя, электрические потери в начальный момент времени нагревают магнитопровод до классификационной температуры T, определяемой геометрическими и электромагнитными параметрами преобразователя. При достижении квалификационной температуры T магнитная проницаемость резко возрастает в соответствии с фигурой 1, что приводит к соответствующему снижению магнитного сопротивления R и намагничивающего тока . Далее, как видно из выражения (1), происходит уменьшение потребляемого из сети тока , электрических потерь (2) и соответственно увеличение коэффициента полезного действия электромеханического преобразователя. Поскольку величина результирующего магнитного потока не зависит от режима работы преобразователя, то устройство переходит в номинальный режим с увеличенным коэффициентом полезного действия.
Таким образом, в результате использования для материала магнитопровода композиционного материала, содержащего неорганический (ферромагнитный в виде фракции железа) и органический (трис(пиразол-1-ил)метан, 1,2,4-триазолы) компоненты, повышается энергетическая эффективность и коэффициент полезного действия электромеханического преобразователя.