Высокооборотный электромеханический преобразователь энергии

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в магнитоэлектрических генераторах автономных систем электроснабжения.
Известна статорная комбинированная обмотка асинхронного генератора [патент РФ №2249290 С1, МПК Н02К 17/14, 27.03.2005], состоящая из 18 катушечных групп. Конец 1-й катушечной группы соединен с началом 10-й катушечной группы, конец 3-й - с началом 12-й, конец 5-й - с началом 14-й, конец 7-й - с началом 16-й, конец 9-й - с началом 18-й, конец 11-й - с началом 2-й, конец 13-й - с началом 4-й, конец 15-й - с началом 6-й, конец 17-й - с началом 8-й. Выводы, составляющие «звезду», взяты от начал 3-й, 9-й и 15-й катушечных групп. Дополнительные выводы, составляющие «треугольник», взяты от объединенных концов 4-й, 6-й, 8-й катушечных групп, от объединенных концов 10-й, 12-й, 14-й катушечных групп и от объединенных концов 16-й, 18-й, 2-й катушечных групп, от объединенных начал 5-й и 7-й катушечных групп, от объединенных начал 11-й и 13-й катушечных групп и от объединенных начал 17-й и 1-й катушечных групп.
Недостатками данного устройства является сложность конструкции, потребление большой реактивной мощности, а также высокие массогабаритные показатели.
Известен генератор переменного тока с комбинированным возбуждением [патент РФ №2262178 С1, МПК Н02К 19/36, 10.10.2005], содержащий выпрямитель, к выходам «плюс» и «минус» которого параллельно подключена обмотка возбуждения, а к входу - статорная трехфазная обмотка и конденсаторы возбуждения, содержит диоды, токоограничивающий резистор и контакты, при этом конденсаторы возбуждения через контакты соединены с фазными выводами статорной обмотки, диоды катодами соединены через токоограничивающий резистор с «плюсом» выпрямителя и обмоткой возбуждения, а аноды диодов соединены либо с отпайками статорной обмотки, либо с ее фазными выводами со стороны подключения нагрузки.
Недостатками данного устройства являются высокие массогабаритные показатели, сложность конструкции. Кроме того, недостатком является температурное ограничение режима работы из-за использования полупроводниковых материалов.
Известна синхронная электрическая машина [патент РФ №2311715 С1, МПК Н02К 19/02, 27.11.2007], содержащая статор с многофазной катушечной обмоткой, каждая катушка которой расположена на отдельном зубце, катушки в катушечной группе соединены между собой встречно, и индуктор ротора, полюса которого выполнены с чередующейся полярностью, при этом число катушек в каждой катушечной группе статора составляет λ=3, 5, 7… - целое положительное нечетное число, большее или равное 3. Объединение катушек в группы, таким образом, чтобы число зубцов Z статора, число λ катушек в катушечной группе статора, число d катушечных групп в фазе и число р пар полюсов ротора были связаны определенными соотношениями.
Недостатками данного устройства являются высокие массогабаритные показатели, а также сложная система питания электрической машины, которая увеличивает потери энергии на возбуждение стартера.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемый полезной подели является высокоскоростный многофазный синхронный генератор [патент РФ №2599056 С1, МПК Н02К 16/04, 10.10.2016], содержащий n одинаковых статоров для каждой из фаз, собранных из отдельных сегментов, набранных из листов аморфной стали, зубцовую обмотку, уложенную в пазы каждого соответствующего статора так, что каждая отдельная секция зубцовой обмотки образует с соответствующим ей зубцом отдельный полюс, секции зубцовой обмотки соединены согласно схеме. Статоры повернуты друг относительно друга так, что лобовые части занимают свободные от зубцовой обмотки промежутки и, по возможности, на величину пространственного угла α. Магниты из редкоземельных материалов расположены на роторе генератора, образующие n полюсов каждой отдельной однофазной электрической машины. Ротор электрической машины установлен на дополнительные газодинамические подшипники
Недостатками данного устройства являются пониженная мощность и КПД самого устройства, вследствие больших потерь на вихревые токи и перемагничивание, возникающих в статоре, а также большие массогабаритные показатели синхронного генератора и сложность его конструкции.
Задача полезной модели - создание синхронной электрической машины с повышенным КПД, уменьшенными массогабаритными показателями машины и расширенными функциональными возможностями, а также увлечение ресурса, благодаря применению зубцовой и комбинированной обмоток
Техническим результатом является повышение надежности и энергоэффективности высокооборотного синхронного генератора обращенной конструкции.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что электрическая машина, содержащая ротор с постоянными магнитами, магнитопровод с зубцовой обмоткой, согласно полезной модели выполнена в виде шестифазного синхронного генератора с выходом на три фазы, при этом ротор выполнен внешним, зубцовая обмотка выполнена в виде двух последовательно соединенных обмоток, одна из которых соединена в звезду, а другая - в треугольник, причем при насыщении стали магнитопровода статора пространственный сдвиг между частями зубцовой обмотки составляет более πm/3р, где
m -целое число;
р - число пар полюсов,
при этом площадь паза в магнитопроводе статора остается неизменной.
Сущность полезной модели поясняется по чертежам. На фиг. 1 изображен высокооборотный электромеханический преобразователь энергии в продольном разрезе, фиг. 2 изображен высокооборотный электромеханический преобразователь энергии в поперечном разрезе.
Высокооборотный электромеханический преобразователи энергии содержит магнитопровод статора 1, (фиг. 1) набранный из листов аморфной стали, уложенную в пазы зубцовую совмещенную обмотку 2, постоянные магниты 3 (фиг. 2), расположенные внутри вала 4. Кроме того, для минимизации высших гармоник зубцовая обмотка 2 выполнена в виде двух последовательно соединенных обмоток, а другая - в треугольник с возможного наведении ЭДС, причем токи в обмотке 2, соединенной в треугольник, меньше в 1,73 раза, поэтому число витков в катушках, соединенных в треугольник, умножено на этот коэффициент, что снижает площадь сечения проводника на этот же коэффициент, благодаря чему обеспечивается одинаковая геометрия паза магнитопровода статора. На основании вышеуказанного, пространственный сдвиг между частями зубцовой обмотки, соединенными по схемам соединений «звезда» и «треугольник», при насыщении магнитопровода статора составляет более πm/(3p).
Высокооборотный электромеханический преобразователь энергии работает следующим образом. Магнитный поток каждого постоянного магнита 3 проходит через воздушный зазор, ближайший зубец магнитопровода статора 1, ярмо магнитопровода статора, следующий зубец магнитопровода статора, воздушный зазор, следующий постоянный магнит 3 и замыкается по ярму ротора. Поле постоянных магнитов 3, перемещаясь вместе с валом 4, пересекает совмещенную зубцовую обмотку 2 магнитопровода статора, в которых наводится ЭДС с пространственным сдвигом фаз, при этом выходное напряжение из треугольника складывается с выходным напряжением звезды.
Таким образом, обеспечивается повышение надежности и увеличение КПД, а также снижение массогабаритных показателей высокооборотного электромеханического преобразователя энергии за счет применения совмещенной зубцовой обмотки.
Заявленная полезная модель обеспечивает лучшие выходные энергетические характеристики во всех режимах работы за счет использования совмещенной зубцовой обмотки и сердечника магнитопровода статора из листов аморфной стали, минимальные габариты, благодаря использованию совмещенной зубцовой обмотки.