МНОГОПОЛЮСНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к низкооборотным электрическим машинам для микроГЭС и вертикально-осевых ветроагрегатов. Известны варианты низкооборотных электрических генераторов с дисковым ротором, например электрическая машина с дисковым ротором по патенту RU №2505910, МПК H02K 1/06, опубл. 27.01.2014, БИ №3 содержащая несколько роторных магнитных систем с магнитными полюсами, обращенными к магнитным полюсам статорных электромагнитных систем (СЭМС), у каждой СЭМС электрической машины магнитопроводы выполнены П-образной формы с открытыми полюсами постоянных магнитов, обращенными к открытым полюсам магнитных элементов ротора, соединенных попарно с помощью магнитных перемычек, размещенных на противоположной стороне ротора относительно открытых полюсов его магнитных элементов, причем расстояние между центрами полюсов СЭМС равно расстоянию между центрами полюсов соседних магнитных элементов ротора.
Существенным недостатком известного технического решения является значительная стоимость как роторных магнитных систем со спаренными постоянными магнитами, так и СЭМС с такими же дорогостоящими постоянными магнитами.
Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции и материалоемкости электрической машины.
cp
cp
Для решения технической задачи роторные магнитные системы (РМС) выполнены с одиночными постоянными магнитами и с подковообразными магнитными шунтами, размещенными по окружности с постоянным угловым шагом, а также исполнением СЭМС с Ш-образным магнитопроводом, наружные торцы которого взаимодействуют с полюсами магнитных шунтов роторной магнитной системы, а торцевая поверхность центрального сердечника Ш-образного магнитопровода СЭМС взаимодействует с открытым магнитным полюсом постоянного магнита РМС через дополнительный магнитный шунт, кроме того, число СЭМС в электрической машине выбрано с обеспечением некратности угловых шагов размещения СЭМС и РМС. Кроме того, выходные обмотки СЭМС подключены через введенные в электрическую машину разделительные диоды и общую для них схему удвоения напряжения к выходным клеммам электрической машины параллельно с введенным в электрическую машину накопительным конденсатором, а средний радиус R вращения РМС на роторном диске выбран по условию: R = (0,7-1,2)⋅N⋅h, где h - ширина магнитопровода РМС по радиусу вращения
На фиг. 1 показано взаимное положение РМС и СЭМС при полном взаимном перекрытии их магнитных полюсов. Размещение РМС на дисковом роторе и положение дискового ротора относительно СЭМС показано на фиг. 2.
макс,
мин
вых
макс
мин
мин
макс
вых
макс
На фиг. 3 показано упрощенно размещение нескольких СЭМС на неподвижном основании электрической машины. На фиг. 4 изображена схема подключения выходов обмоток 13 к многополюсному выпрямителю электрогенератора. На горизонтальном дисковом роторе 1 сверху размещена магнитная перемычка 2, к которой жестко закреплены с помощью винтов 3 магнитные шунты 4 и 5. В пространстве между магнитными шунтами 4 и 5 жестко закреплен постоянный магнит 6, нижние поверхности 7 и 8 магнитных шунтов 4 и 5 выполнены на одном уровне с поверхностью дополнительного магнитного шунта 9. С малым относительно площади этих поверхностей зазором 8 находятся торцы Ш-образного магнитного сердечника 10 СЭМС. Индуцируемый постоянным магнитом 6 магнитный поток в сердечнике 10 замыкается через элементы 2, 4, 5, 7 и 8 на наружные части 11 и 12 сердечника 10 и имеет при полном взаимном перекрытии максимальное значение Ф поскольку магнитное сопротивление полной цепи в воздушном зазоре δ в этом положении минимально Изменение углового положения дискового ротора 1 приведет к снижению индуцированного РМС магнитного потока до минимального значения Ф при максимальном удалении магнитных полюсов РМС от магнитных полюсов СЭМС. При этом в обмотке 13 СЭМС возникает напряжение U=Ф-Ф /dt, где dt - интервал времени изменения углового положения дискового ротора 1 на половину шага углового размещения РМС на дисковом роторе 1. С учетом противоположной ориентации соседних магнитных полюсов постоянных магнитов 6 в РМС, в следующую половину шага изменения углового положения дискового ротора 1 в магнитной системе СЭМС произойдет изменение магнитного потока от Ф до Ф, при этом в выходной обмотке 13 СЭМС индуцируется напряжение U обратной полярности. Далее при угловом перемещении дискового ротора 1 относительно СЭМС процессы генерации электрического напряжения на выводах обмоток 13 повторяются. За счет некратного друг другу углового шага размещения РМС и СЭМС моменты максимума Ф в СЭМС происходят поочередно, причем часть РМС идет на сближение с СЭМС, а другая часть - на удаление, при этом результирующий момент вращения дискового ротора незначителен при его любом угловом положении.
cp
РМС размещены (см. фиг. 2) с постоянным угловым шагом по радиусу R на дисковом роторе 1. Число РМС может быть от 4х до 36 в зависимости от требований к конструкции движителя микроГЭС или ветроагрегата. На фиг 2 показано размещение двенадцати РМС 14 на дисковом роторе 1. На фиг. 2 (вид сбоку) показан контур пространства 15 размещения СЭМС на неподвижном основании 16, угловой шаг размещения которых некратен угловому шагу размещения на дисковом роторе РМС 14. В конкретной конструкции электрогенератора использовано СЭМС в количестве 13 штук.
cp
На фиг. 3 упрощенно показано размещение 4х из 13 (например) СЭМС на неподвижном основании 16. Размещенные по среднему радиуса R с постоянным шагом γ=360/13 = 27,692 угловых градусов СЭМС за один оборот дискового ротора 1 выдадут в обмотки 13 по двенадцать выходных импульсных сигналов каждая. Выводы 17 и 18 обмоток 13 подключены (см. фиг. 4) через диоды 19 и 20 к электрическим конденсаторам 21-23 и к выходным клеммам 24 и 25 электрической машины. Таким образом, за один оборот дискового ротора на конденсаторы 21-23 поступит 157 импульсов с выходов обмоток 13-1…13-12. Амплитуда и энергия каждого импульса пропорциональна скорости вращения дискового ротора 1. Число СЭМС в предложенной электрической машине может быть больше числа РМС при условии сохранения некратности их угловых шагов размещения. При числе РМС=12 с γ=30° возможно использование:
* 13 СЭМС с шагом γ = 27,692°;
* 14 СЭМС с шагом γ = 25,71°;
* 15 СЭМС с шагом γ = 24°;
* 16 СЭМС с шагом γ = 22,5°
* 17 СЭМС с шагом γ = 21,176°.
Использование же 18 СЭМС с шагом размещения γ=20° приведет к одновременному полному перекрытию нескольких РМС и СЭМС в некоторых положениях дискового ротора 1, что обусловит существенное увеличение момента вращения роторного диска за счет «шагового эффекта».
Использование четного числа РМС в предложенной многополюсной электрической машине предпочтительно для предотвращения одностороннего намагничивания Ш-образных сердечников СЭМС в процессе длительной работы.
Предложенная электрическая машина может использоваться в качестве шагового электродвигателя при подаче импульсов управления на обмотки 13 в определенной последовательности. По сравнению с прототипом в предложенной многополюсной электрической машине использовано вчетверо меньшее число дорогостоящих высококоэрцитивных постоянных магнитов, а основной СЭМС являются стандартные Ш-образные сердечники из электротехнической стали со стандартными обмотками.