МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам переменного или постоянного тока, и может быть использована, например, для преобразования электрической энергии в механическую энергию с большим моментом силы и малой скоростью вращения, а так же в качестве генератора переменного, постоянного или пульсирующего тока.
Известна электрическая редукторная машина с полюсным зубчатым индуктором (патент РФ №2393614, кл. H02K 19/12, 2010 г.), содержащая статор с явно выраженными полюсами и с сосредоточенной m-фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса якоря по одной катушке на полюс, и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, на внутренней поверхности которых расположены элементарные зубцы, ротор содержит индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности зубчатыми полюсами с одинаковым числом элементарных зубцов на каждом полюсе, на полюсах индуктора сосредоточена катушечная обмотка возбуждения индуктора, каждая катушка которой размещена на соответствующем полюсе индуктора по одной на полюсе, катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой согласно в магнитном отношении, электрическая связь обмотки возбуждения индуктора с источником напряжения осуществляется через щетки и контактные кольца щеточно-контактного узла.
Недостатками данного изобретения являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные низкой энергоэффективностью, увеличенные массогабаритные показатели.
Целью настоящей полезной модели является создание достаточно простой, надежной, ремонто-пригодной и технологичной конструкции бесконтактной магнитоэлектрической машины с высокими энергетическими показателями при большом удельном вращающем моменте на валу, с глубоким регулированием входных и выходных параметров, работающей в широком диапазоне скоростей вращения вала, легко адаптируемой по своей геометрической форме под пространство ее установки по месту эксплуатации.
Задачей заявляемого технического решения является упрощение конструкции редукторной магнитоэлектрической машины, путем уменьшения количества обмоток якоря до одной на одну фазу.
Техническим результатом является получение высоких эксплуатационных характеристик магнитоэлектрической машины.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается однофазной магнитоэлектрической машиной, содержащей ротор, зубчатый сердечник индуктора, намагниченный в аксиальном направлении тороидальный постоянный магнит, отличающейся тем, что тороидальный постоянный магнит установлен одним полюсом по одну сторону от сердечника индуктора, поверхность другого из полюсов магнита обеспечивает минимальный воздушный зазор в магнитной цепи, сердечник статора и экран статора содержат каждый по одному явно выраженному полюсу, на внутренней поверхности которых имеются элементарные зубцы, смещенные относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления на стороне, обращенной к зубчатому полюсу индуктора, сердечник статора и экран статора выполнены из магнитомягкого материала, фазную якорную обмотку, немагнитный вал.
Конструкция в целом представляет собой разветвленную двухконтурную магнитную цепь, одна из которых является сердечником, а другая - экраном якорной обмотки. Зубцовые ряды ротора, при его вращении, обеспечивают переменную коммутацию магнитных цепей.
Многофазная магнитоэлектрическая машина состоит из однофазных магнитоэлектрических машин, насаженных на общий вал с угловым смещением. Для регулировки крутящего момента магнитоэлектрической машины, возможна установка бесконтактных катушек усиления возбуждения ротора в пространство между ротором и статором, питание которых осуществляется от якорной обмотки магнитоэлектрической машины или от внешнего регулируемого источника тока, при этом катушка возбуждения с ротором в качестве сердечника образует электромагнит. Для регулировки выходного напряжения и тока, а также получения нескольких источников тока в режиме генератора, возможно укладка якорной обмотки из нескольких катушек с возможностью их параллельного или последовательного переподключения.
При применении магнитоэлектрической машины в качестве синхронного электрического двигателя питание обмотки якоря осуществляется:
- от источника трехфазного переменного напряжения,
- от источника однофазного переменного напряжения при помощи фазосдвигающего элемента,
- от m-фазного источника переменного напряжения,
- от m-фазного источника переменного напряжения регулируемой частоты,
- от источника постоянного напряжения посредством управляемого инвертора, подающего синусоидальное напряжение на фазы обмотки якоря, в зависимости от показаний датчика углового положения ротора.
При применении магнитоэлектрической машины в качестве двигателя постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки якоря осуществляется прямоугольными импульсами напряжения от электронного коммутатора.
Магнитоэлектрическая машина может также работать в качестве синхронного m-фазного генератора синусоидальной ЭДС и в качестве синхронного m-фазного генератора переменной ЭДС прямоугольной, пилообразной и т.п. формам, без постоянной составляющей, а также в качестве генератора постоянного тока через выпрямительный мост. Форма выходного сигнала зависит от геометрии зубцов ротора и статора.
В настоящем полезной модели индуктор является ротором, а якорь - статором.
Возможны исполнения магнитоэлектрической машины с внешним якорем и внутренним индуктором показано на Фиг.1, с внутренним якорем и внешним индуктором показано Фиг.2.
На фиг.1 показан общий вид магнитоэлектрической машины, с внешним якорем и внутренним индуктором, содержащей ферромагнитный зубчатый ротор 1, содержащий сердечник индуктора 2, намагниченный в аксиальном направлении тороидальный постоянный магнит 3 установлен по одну сторону от сердечника индуктора 2, поверхность другого полюса магнита 3 обеспечивает минимальный воздушный зазор в магнитной цепи, сердечник статора 4, элементарные зубцы 5 сердечника статора 4, экран статора 6, зубцы 7 экрана статора 6, зубцы 5 и зубцы 7 смещены относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления, сердечник статора 4 и экран статора 6 выполнены из магнитомягкого материала, выполнены в виде полых цилиндров, содержит также фазную якорную обмотку 8, немагнитный вал 9, катушку возбуждения 10.
На фиг.2 показан общий вид магнитоэлектрической машины с внутренним якорем и внешним индуктором, содержащей немагнитный ротор 1, содержащий зубчатый сердечник индуктора 2, намагниченный в аксиальном направлении тороидальный постоянный магнит 3, установленный по одну сторону от сердечника индуктора 2, поверхность другого полюса магнита обеспечивает минимальный воздушный зазор в магнитной цепи, сердечник статора 4, зубцы 5 сердечника статора 4, экран статора 6, элементарные зубцы 7 экрана статора 6, зубцы 5 и зубцы 7 смещены относительно друг друга в тангенциальном направлении на половину зубцового деления, сердечник статора 4 и экран статора 6 выполнены из магнитомягкого материала, например в виде полых цилиндров, содержит фазную якорную обмотку 8, магнитный вал 9, крышку 10, выполненную из магнитомягкого материала.
Магнитоэлектрическая машина в режиме генератора работает следующим образом (фиг.1): в состоянии покоя, когда к ротору 1 не приложена внешняя сила, направленная на его вращение, силовые магнитные линии постоянного магнита 3 замкнуты по одной из магнитных цепей, например через индуктор 2, зубцы 5, сердечник статора 4 и магнитный полюс, или по другой магнитной цепи: индуктор 2, зубцы 7, экран статора 6 и магнитный полюс, при этом на ротор 1 действует удерживающий момент магнитного залипания.
Под действием внешних устройств ротор 1 совершает вращательное движение. При вращении ротора 1, однополюсные зубцы индуктора 2, намагниченные постоянным магнитом 3, поочередно перекрывают зазоры в магнитных цепях сердечника статора 4 зубцами 5 и экрана статора 6 зубцами 7, при этом магнитное поле попеременно концентрируется то в одной, то в другой из этих цепей, одна цепь является сердечником, а другая - экраном якорной обмотки 8, в которой протекает индуцируемый магнитным полем ротора 1 переменный ток.
Магнитоэлектрическая машина в режиме синхронного двигателя работает следующим образом (фиг.1): под действием напряжения переменного тока в якорной обмотке 8 за время, равное половине периода, будет индуцироваться магнитное поле, которое сконцентрируется по магнитным цепям разноименными полюсами на зубцах 5 и зубцах 7, так как зубцы ротора 1 являются однополюсными, то между ротором 1 и статором возникнет вращательный момент, ротор 1 и вал 9 провернется на одно зубцовое деление, следующую половину периода при смене направления тока в якорной обмотке 8, вал 9 повернется еще на одно зубцовое деление, далее цикл повторится.
Магнитоэлектрическая машина в режиме шагового двигателя работает следующим образом: под действием импульса тока в якорной обмотке 8 будет индуцироваться магнитное поле, которое сконцентрируется по магнитным цепям разноименными полюсами на зубцах 5 и зубцах 7, так как зубцы ротора 1 однополюсные, то между ротором 1 и статором 4 возникнет вращательный момент, ротор 1 и вал 9 провернется на один шаг, равный отношению длины дуги зубца к количеству фаз магнитоэлектрической машины, следующий импульс, поданный на другую фазу якорной обмотке 8, и вал 9 повернется еще на один шаг, и так далее.
Для управления вращением магнитоэлектрической машины в режиме шагового двигателя, необходимо электронное устройство.
Магнитоэлектрической машины с внутренним якорем и внешним индуктором работает аналогичным образом.
Положительным эффектом является увеличение эффективности по сравнению с прототипом, за счет увеличения рабочей площади полюсов якоря, вследствие отсутствия в нем пазов для укладки якорных обмоток. Следует отметить простоту укладки якорной обмотки, что повысит заполняемость и ремонтопригодность магнитоэлектрической машины при повышении технологичности.
Заявленное техническое решение расширяет функциональные возможности магнитоэлектрической машины за счет регулирования в широком диапазоне входных и выходных параметров путем регулирования магнитной индукции ротора, и возможностью параллельно-последовательного переподключения якорных обмоток.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Совокупность признаков заявленного решения позволяют создать магнитоэлектрические машины, которые могут найти применение в автомобилестроении будущего в качестве мотор-генераторов.
В гидроэнергетике вместо возведения плотин можно использовать по течению тихоходную турбину с магнитоэлектрической машиной, для отбора мощности естественного течения рек, выполненной согласно заявляемому изобретению. В ветроэнергетике можно использовать в качестве генератора с прямым приводом.
Заявляемое техническое решение промышленно применимо, обладает новизной и существенно отличается от известных на дату подачи заявки решений аналогичного назначения, позволяет уменьшить массогабаритные характеристики электрических машин, расширить область использования и функциональные возможности электрических машин, повысить надежность и технологичность исполнения.