МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
ELECTROMAGNETIC MACHINE WITH TWO-STAGE EXCITATION

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам. Наиболее близким по конструкции к предложенной машине является магнитоэлектрическая машина, запатентованная 27.08.2009 г. под №RU 2366063 С1. Названная машина наряду с известными ее достоинствами, имеет некоторый недостаток, заключающийся в том, что в ходе вращения ее ротора в момент, когда постоянные магниты индуктора проходят двигательные электромагнитные полюса статора, в их обмотках наводятся токи таких направлений, которые способствуют возникновению в них полярностей, противодействующих движению индуктора.
Техническим результатом заявленного изобретения является устранение названного недостатка.
Технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции магнитоэлектрической машины предусмотрена вторая ступень возбуждения, которая позволяет избежать возникновение паразитирующих ЭДС в обмотках двигательных полюсов основного статора при прохождении их электромагнитными полюсами индуктора.
Предложенная магнитоэлектрическая машина с двухступенчатым возбуждением, содержащая центральный неподвижный, промежуточный подвижный индукторы и неподвижный основной статор с общей осью, разделенная между собой воздушными зазорами, отличающаяся тем, что ее основной неподвижный статор состоит из полого цилиндрического магнитопровода, на внутренней стенке которого поочередно установлены по четыре, отодвинутые друг от друга на 90°, генераторные и двигательные электромагнитные полюса, в пазах первых из которых уложены прямые и обратные активные провода общей обмотки якоря, поочередно и последовательно соединенные с обмотками вторых, а ее подвижный промежуточный индуктор, состоящий из четырех электромагнитных полюсов, крестообразно установленных на внешней поверхности полого цилиндрического магнитопровода промежуточного подвижного статора (якоря), у которых обмотки поочередно и последовательно соединены с прямыми и обратными активными проводами обмотки последнего, установлен подшипниками на неподвижном валу, являющемся одновременно магнитопроводом центрального неподвижного индуктора, на котором крестообразно установлены четыре постоянных магнита.
Поперечный и продельный разрезы предложенной машины показаны на фигурах 1 и 2. На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - постоянный магнит центрального неподвижного индуктора, 2 - центральный магнитопровод неподвижного индуктора, 3 - сердечник электромагнитного полюса подвижного индуктора, 4 - сердечник промежуточного подвижного генераторного полюса, 5 - магнитопровод промежуточного подвижного статора, 6 - обмотка электромагнитного полюса подвижного индуктора, 7 - магнитопровод основного неподвижного статора, 8 - обмотка неподвижного генераторного полюса основного статора, 9 - сердечник неподвижного основного генераторного полюса, 10 - сердечник неподвижного двигательного полюса, 11 - обмотка неподвижного двигательного полюса, 12 - немагнитный подвижный подшипниковый щит, 13 - немагнитный неподвижный щит жесткости, 14 - обмотка промежуточного подвижного генераторного полюса.
На фигурах полярности двигательных полюсов основного статора и электромагнитных полюсов промежуточного индуктора показаны в момент вращения промежуточного индуктора (ротора) по направлению часовой стрелки с угловой скоростью . Все обмотки генераторных 8 и двигательных 10 полюсов основного неподвижного статора включены последовательно, поочередно друг за другом и представляют из себя одно целое. При этом начала активных проводов обмоток 8 генераторных полюсов соединены с обмотками 10 одних соседних двигательных полюсов, а концы их - с обмотками 10 других соседних полюсов. В таком же порядке соединены активные провода обмотки 14 генераторных полюсов подвижного статора с обмотками 6 электромагнитных полюсов подвижного промежуточного индуктора.
Магнитоэлектрическая машина с двухступенчатым возбуждением работает следующим образом. При вращении промежуточного подвижного индуктора (ротора) в активных проводах обмоток 14 промежуточных генераторных полюсов подвижного статора (якоря), вследствие их пронизования магнитными силовыми линиями постоянных магнитов 1 неподвижного индуктора, в них индуцируются ЭДС, которые вызовут токи, протекающие по обмоткам 6 электромагнитных полюсов промежуточного подвижного индуктора, которые при этом намагничиваются и примут соответствующие полярности. Поскольку они в это время двигаются относительно активных проводов обмоток 8 генераторных полюсов основного неподвижного статора, то в них, в силу явления электромагнитной индукции, наводится ЭДС, величины которых зависят от скорости вращения подвижного индуктора и величин магнитных потоков, созданных его полюсами, прямо пропорционально. Вследствие того что эти проводники соединены с обмотками 11 его двигательных полюсов, то эти ЭДС в них вызовут токи, намагничивающие их сердечников 10, которые при этом примут соответствующие полярности. Тогда они начнут взаимодействовать с электромагнитными полюсами подвижного промежуточного индуктора. Тех, которые находятся при этом сзади них по ходу его вращения, они начинают притягивать к себе, т.к. в это время у них полярности противоположные, а тех, которые спереди - начнут отталкивать от себя, т.к. их полярности будут одинаковы.
Конструкции всех неподвижных и подвижных обмоток машины так устроены, что в каждый раз, когда соответствующие одни группы активных проводов обмотки 14 генераторных полюсов неподвижного статора окажутся в зоне южных полюсов постоянных магнитов 1 неподвижного индуктора, а другие их группы - в зоне северных полюсов, в верхних и нижних областях обмоток 8 генераторных полюсов основного неподвижного статора всегда будут двигаться северные электромагнитные полюса подвижного индуктора, а в горизонтальных областях - южные его полюса. В ходе вращения ротора, когда оси всех электромагнитных полюсов подвижного индуктора совпадут с осями двигательных полюсов основного неподвижного статора и постоянных магнитов неподвижного индуктора, полярности всех перечисленных полюсов исчезнут, кроме последних, т.к. в это время ни по одной обмотке не текут токи. Такое совпадение за один оборот ротора происходит четыре раза, что позволяет избежать тормозного электромагнитного момента.
Таким образом, во время вращения промежуточного индуктора (ротора) сзади его электромагнитных магнитных полюсов будут всегда двигательные полюса основного неподвижного статора с одинаковыми с ними полярностями, что заставляет их отталкиваться друг от друга. Спереди их, по ходу вращения, всегда будут при этом полюса статора противоположными им полярностями, что заставляет их притягиваться друг к другу. Вследствие этого на каждый электромагнитный полюс промежуточного подвижного индуктора всегда будут действовать положительные по ходу их движения пара сил. В результате подвижный индуктор (ротор) начнет вращаться самостоятельно с номинальной угловой скоростью , что позволяет отсоединить ее от внешнего двигателя и подключить к шкиву определенную механическую нагрузку. Поскольку относительно одних и тех же активных проводников обмоток генераторных полюсов основного статора будут двигаться электромагнитные полюса подвижного индуктора с одними и теми же полярностями, то в них всегда будут наводиться ЭДС одного направления и соответственно на ее электрическом выводе всегда будет поддерживаться электрическое напряжение одного знака, куда можно будет подключить некоторую электрическую нагрузку. Вследствие этого в дальнейшем магнитоэлектрическая машина с двухступенчатым возбуждением будет работать за счет постепенного превращения энергии постоянных магнитов неподвижного индуктора в электрическую энергию генераторного полюса подвижного статора, а эта электрическая энергия - в магнитную энергию подвижного индуктора, которая превращается при этом в электрическую энергию генераторного полюса основного статора, которая переходит, в свою очередь, в магнитную энергию двигательного его полюса. В результате взаимодействий двигательных полюсов неподвижного основного статора с электромагнитными полюсами промежуточного подвижного индуктора магнитная энергия их результирующего изменяющегося магнитного поля переходит в механическую энергию ротора машины. При этом компенсация утерянной энергии на нагрев проводов и механических трений происходит за счет восполнения ее в магнитных цепях машины, где энергии двигательных полюсов основного неподвижного статора и электромагнитных полюсов подвижного индуктора умножаются за счет их ферромагнитных сердечников µ-кратно и их намагничивания и размагничивания в процессе работы машины благоприятно согласуются и синхронизируются.