МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
MAGNETOELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к двигателям и генераторам, содержащим в конструкции постоянные магниты.
1
1
1
Известна магнитоэлектрическая дисковая машина [патент №116714 от 27.05.2012] состоит из статора и ротора, выполненных в виде дисков и размещенных на валу. Статор состоит как минимум из четырех дисков, а ротор 2 как минимум из двух дисков и выполнен из немагнитного материала. На статоре жестко по диаметру d установлены n - П-образных шихтованных магнитопроводов с катушками, последовательно соединенными между собой и равномерно распределенных по окружности диска статора. П-образные шихтованные магнитопроводы с обмотками n статора размещены по радиусу d. На каждом из роторных дисков выполнены отверстия m в форме прямоугольных прорезей l, l, в которых размещены рабочие органы (магниты), расположенные по окружности ротора на диаметре d, равноудаленные друг от друга и от оси вала, причем количество прорезей m равно количеству n полюсов «П»-образных шихтованных магнитопроводов статора (m=n), а размер прорезей l, l зависит от размера рабочих органов (магнитов). Геометрические размеры полюса - магнитопроводов и полюсов постоянных магнитов совпадают.
В известной конструкции ввиду малого значения воздушного зазора между магнитопроводом и постоянными магнитами неизбежно возникают значительные тяговые усилия в осевом направлении дисковой машины, что приводит к увеличению трения при вращении и возможности деформации ротора, что значительно снижает КПД магнитоэлектрической дисковой машины в целом.
Наиболее близким устройством того же назначения по совокупности признаков является магнитоэлектрическая машина [патент №2264025 от 10.11.2005], характеризующаяся тем, что она имеет корпус, образованный двумя дисками и съемными секциями, с установленными в нем частями машины, представляющими собой коллектор, статор, ротор, образованный двумя дисками, соединенными между собой втулкой, связанной с валом, на внутренних сторонах дисков по окружностям равного радиуса попарно параллельно установлены магниты на расстоянии друг от друга, равном их длине, с направлением одноименными полюсами на одном диске в одну сторону, на другом - в противоположную, с расстоянием между магнитами, установленными на разных дисках, равном длине сердечника катушки с минимальным зазором, статор образован катушками со стальными сердечниками, установленными в съемных секциях, размещающихся в пространстве между и перпендикулярно продольной оси магнитов на расстоянии друг от друга, равном длине магнита, охватывающими раздвоенными концами сердечников поперечное сечение магнитов с минимальным зазором, коллектор образован двумя контактными кольцами и кольцом с чередующимися плюсовыми и минусовыми токовыми ламелями, разделенными нейтральными ламелями и поворотной траверсой с рычагом управления, обеспечивающей изменение положения щеток относительно токовых ламелей.
Недостатками указанной конструкции является наличие щеточно-коллекторного узла, что усложняет конструкцию машины и обуславливает дополнительные электрические потери мощности, что приводит к снижению кпд машины в целом. Использование сегментных постоянных магнитов в конструкции магнитоэлектрической машины определяет сложность технологического исполнения подвижной части магнитоэлектрической машины.
Задачей заявляемого изобретения является повышение кпд магнитоэлектрической машины, за счет уменьшения потерь электрической энергии, обусловливаемое отсутствием коллектора, и как следствие, повышение кпд магнитоэлектрической машины в целом, упрощение конструкции.
Технический результат заключается в усовершенствовании конструкции, позволяющей регулировать выходные параметры магнитоэлектрической машины.
Данный технический результат достигается тем, что в магнитоэлектрической машине, имеющей корпус, образованный двумя дисками и съемными секциями, с установленными в нем частями машины, статор, ротор, образованный двумя дисками, соединенными между собой втулкой, связанной с валом, на роторе установлены магниты, статор образован катушками со стальными сердечниками, установленными в съемных секциях, размещающихся в пространстве между и перпендикулярно продольной оси магнитов, магнитов с минимальным зазором, согласно предложенному техническому решению стальные сердечники статора имеют П-образную форму, на которых закреплены катушки, а ротор, представляющий из себя подвижную часть и имеющий форму цилиндра, выполнен из немагнитного материала. На роторе закреплены полые цилиндры с размещенными в них постоянными магнитами, порядок полюсов постоянных магнитов, обращенный к катушкам, чередующийся: «N», «S», «N», «S» «N», «S», «N», «S».
На фиг.1 и фиг.2 представлена конструкция магнитоэлектрической машины.
На фиг.3 показано распределение магнитного поля внутри магнитной системы магнитоэлектрической машины (расчет выполнен в программе Eclut 5.5), указывающее на компенсацию тягового усилия в осевом направлении намагниченности постоянных магнитов от их положения по отношению к неподвижным магнитопроводам.
Предложенная магнитоэлектрическая машина содержит в своем составе неподвижный статор, включающий в свой состав корпус 1, состоящий не менее чем из двух съемных секций 2, между которыми размещены n образующих каркас пластин 3, на которых посредством держателей П-образной конструкции 4, на болтах 5, установлены n шихтованных стальных магнитопроводов 6. Количество съемных секций 2 n выбирается в зависимости от применяемых магнитов и мощности машины (например, согласно представленной формуле [1] для магнитоэлектрической машины, имеющей мощность 1.5 кВт, n=6).
На П-образных магнитопроводах 6 размещены катушки 7, последовательно соединенные между собой. Магнитоэлектрическая машина содержит ротор, представляющий собой подвижную часть и имеющий форму цилиндра 8 из немагнитного материала, на котором размещены m полых цилиндров 9 из немагнитного материала, количество которых выбирается в зависимости от мощности машины (например, для магнитоэлектрической машины, имеющей мощность 1.3 кВт, m=8).
Мощность машины можно определить по выражению
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>M</mi><mo>⋅</mo><mi>ω</mi><mtext> </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
где М - электромагнитный момент, развиваемый магнитоэлектрической машиной, Н·м;
ω - скорость вращения ротора магнитоэлектрической машины, рад/с [Электротехника: Учеб. для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. - 9-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2005. - 544 с. ISBN 5-7695-2144-9].
Электромагнитный момент машины может быть определен по формуле
M=F·l,
где F - пандеромоторная сила, действующая на ротор магнитоэлектрической машины, Н;
l - радиус, проведенный от оси вращения к точке приложения силы, м.
Согласно расчетам (фиг.3), для рассматриваемой конструкции магнитоэлектрической машины (m=6, n=8) пандеромоторная сила F равна 5900 Н, на расстоянии l, равном 0.04 м.
Таким образом, электромагнитный момент составляет М=F·l=518·0.1=51.8 Н·м.
Тогда мощность магнитоэлектрической машины, при скорости вращения v, равной 240 об/мин, равна:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>M</mi><mo>⋅</mo><mi>ω</mi><mo>=</mo><mi>M</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>v</mi></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>51.8</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mn>240</mn></mrow><mrow><mn>30</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1.3</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow>
.
Корпуса 9 представляют собой полые цилиндры, разделенные на два отсека, в каждом из которых располагается по одному постоянному магниту 10, закрытый основанием цилиндра обращенной к магнитопроводу стороной. В цилиндре выполнено отверстие d, с целью уменьшения магнитного сопротивления. С другой стороны корпус закрыт диском 11 с резьбой снаружи, который размещен в корпусе 9. Второй отсек корпуса 9 предназначен для размещения в нем крепежных винтов 12, связывающих цилиндр 8 и дополнительный диск 13, также размещенный внутри корпуса 9. Размещенные внутри корпуса 9 постоянные магниты 10 обращены к магнитопроводам 6 различными магнитными полюсами. Полюса постоянных магнитов, обращенные к магнитопроводам, чередуются: «N», «S», «N», «S», «N», «S», «N», «S». Ротор магнитоэлектрической машины с двух сторон закрыт крышками 14, в которых выполнены отверстия для размещения в них вала 15 магнитоэлектрической машины, например, при помощи резьбового соединения. Съемные секции 2 также имеют отверстие с размещенными в них подшипниками 16, которые соосны отверстиям в крышках 14, в которых расположен вал 15 магнитоэлектрической машины. К последовательно соединенным катушкам 7 присоединено преобразовательное устройство, включающее в свой состав выпрямитель (например, выпрямитель-преобразователь зарядно-разрядный ВЗА-Р-20-36-4), аккумулятор не менее 100 А∙ч (например, гелевая аккумуляторная батарея GX 12-200 или комплект аккумуляторов, соединенных таким образом, чтобы емкость составляла не менее 100 А∙ч) и инвертор (например, МАП Sin Энергия). Преобразователь на чертеже не показан.
Устройство работает следующим образом.
Магнитоэлектрическая машина работает в генераторном режиме.
Под действием механических усилий извне, ротор машины начинает вращаться, вращаются и магниты 10, установленные на роторе, вследствие этого катушки 7 с магнитопроводами 6 будут подвергаться влиянию периодически меняющегося по величине и направлению магнитного потока магнитов. В результате чего в катушках 7 возникает переменное напряжение. Используя преобразовательное устройство, выходное напряжение магнитоэлектрической машины преобразуется в выходное напряжение преобразователя, удовлетворяющее стандартам качества электрической энергии ГОСТ 13109-97 и ГОСТ Р 54149-2010. Преобразовательное устройство работает следующим образом. Выходное напряжение подается на вход выпрямителя (например, выпрямитель-преобразователь зарядно-разрядный ВЗА-Р-20-36-4), выходное напряжение которого является постоянным. Данное постоянное напряжение подается на клеммы аккумулятора, таким образом, осуществляется заряд аккумулятора. В свою очередь аккумулятор присоединен ко входу инвертора (например, МАП Sin Энергия), который осуществляет преобразование постоянного напряжения в переменное с параметрами промышленной сети (значение напряжения соответствует ГОСТ 13109-97 и ГОСТ Р 54149-2010).
Предложенная конструкция позволяет повысить кпд магнитоэлектрической машины, за счет уменьшения потерь электрической энергии, обусловливаемого отсутствием коллектора, и как следствие, повысить кпд магнитоэлектрической машины в целом, упростить конструкцию подвижного якоря за счет исключения щеточно-коллекторного узла, а также за счет применения цилиндрических постоянных магнитов. Упрощение конструкции подвижного якоря достигается за счет исключения щеточно-коллекторного узла, а также за счет применения цилиндрических постоянных магнитов. Указанные магниты по сравнению с сегментными проще в изготовлении и, как следствие, имеют меньшую стоимость.