Способ изготовления усовершенствованной магнитоэлектрической машины
METHOD OF MANUFACTURING IMPROVED MAGNETO-ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к новому способу изготовления усовершенствованной магнитоэлектрической машины, позволяющей расширить функциональные возможности существующих синхронных магнитоэлектрических, генераторов переменного тока, повышения выходного напряжения генераторов, которые могут быть востребованы в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления магнитоэлектрической обращенной машины, описанный в патенте №2328801, опубл. 10.07.2008, заключающийся в том, что укладку фазных обмоток на наружную цилиндрическую поверхность статора проводят последовательно одну за другой тремя проводами таким образом, что каждый провод от начала до конца не имеет разрывов, при этом намотку начинают с начальной фазной клеммы первой фазы, затем через кольцевое углубление направляющей втулки конечной фазной клеммы провод укладывают на начальную направляющую цилиндрическую втулку в первое углубление от торца ступицы, потом укладывают в среднее между втулками углубление в направляющем кольцевом секторе, затем провод укладывают вдоль статора параллельно продольной оси статора через углубление в противоположном направляющем секторе, и далее через первое кольцевое углубление вокруг ближайшей направляющей втулки с противоположной стороны на соседнюю втулку в одномерное углубление, и затем укладывают на направляющий сектор с углублениями со своей стороны со смещением, равным утроенному числу проводников в одной секции катушки, и далее вдоль статора параллельно продольной оси статора через углубление в направляющем секторе вокруг направляющей цилиндрической втулки через одну от предыдущей по одномерному углублению вокруг соседней по направлению смещения втулки, и далее через углубления в направляющих секторах с тем же смещением на противоположную сторону, повторяя операции до тех пор, пока провод первой фазы не придет к цилиндрической втулке, с которой начинают укладку, с выходом на начальную втулку укладку провода производят в соседние углубления на секторах и втулках, пока не будет достигнуто заданное число проводников в каждой секции катушек, что соответствует заполнению углублений на одну треть, после чего укладывают провод второй фазы, выполняя все операции по аналогии с укладкой обмотки первой фазы, при этом начальной втулкой укладки берут втулку, находящуюся через одну от начальной втулки первой фазы по направлению укладки, после чего укладывают провод третьей фазы, выполняя все операции по аналогии с обмоткой первой фазы, при этом начальной втулкой укладки берут втулку, находящуюся через одну от второй начальной втулки по направлению укладки второй фазы.
В способе изготовления магнитоэлектрической обращенной машины по патенту №2328801 направление индуцированной электродвижущей силы в обмотках статора имеет противоположное направление за счет того, что провода в обмотках намотаны в одну сторону, что значительно понижает выходное напряжение генератора.
Задачей заявляемого способа является расширение функциональных возможностей синхронных магнитоэлектрических генераторов переменного тока за счет повышения выходного напряжения генератора, благодаря чему они могут быть востребованы в любой области науки и техники где требуются автономные источники питания для получения повышенного выходного напряжения бесконтактного синхронного генератора.
Данный технический результат достигается тем, что в предложенном «Способе изготовления усовершенствованной магнитоэлектрической машины»:
- размещают однофазные обмотки выполненные обмоточным проводом, в пазы статора машины, изготовленного шихтованным способом из листов электротехнической стали, например, марки 1211, причем, каждая обмотка, разделена на полуобмотки, количество витков которых одинаково, причем полуобмотки встречно направлены для увеличения результирующего тока в фазе, кроме того, каждую обмотку подключают к выпрямительным блокам, количество которых должно соответствовать числу фаз обмоток статора;
- подключают к каждому выпрямительному блоку обмотку, например, выполненному на диодах, для получения постоянного напряжения;
- последовательно с соблюдением полярности подключают выходы выпрямительных блоков «минус» одного блока с «плюсом» другого, получения суммарного значения выходного напряжения, что позволяет существенно уменьшить амплитуды высших гармонических составляющих прямой и обратной последовательности, оставив в спектре выходного напряжения гармоники только нулевой последовательности;
- параллельно нагрузке подключают емкостной сглаживающий фильтр для уменьшений возможных пульсаций выпрямленного напряжения;
- в пазы ротора устанавливают магниты, выполненные из сплавов, содержащих редкоземельные металлы, например, фенибор (Nd-Fe-B), обладающих высокой коэрцитивной силой, причем ротор изготовлен сборным, состоящим из двух цилиндров, внутренний цилиндр которого изготовлен из немагнитного материала, с целью уменьшения массы конструкции ротора, а внешний цилиндр изготовлен из магнитопроводящего материала, с целью замыкания магнитного потока полюсов ротора для исключения дополнительных воздушных промежутков и уменьшения магнитного сопротивления магнитному потоку;
- отношение числа пазов статора к числу магнитных полюсов ротора и числу фаз машины определяют по формуле:
,
где k - нецелое (дробное) число;
z - число пазов;
2р - число пар полюсов;
р - количество постоянных магнитов;
m - число фаз.
Рассмотрим конкретный пример предложенного способа изготовления усовершенствованного магнитоэлектрического машины. Число пазов статора, например, 72, тогда количество постоянных магнитов р=11. Экспериментально было подтверждено, что наибольший эффект достигается в случае когда указанное отношение представляет собой периодическую дробь.
На Фиг. 1 представлено распределение магнитного поля магнитоэлектрического генератора, магнитное поле несимметрично.
На Фиг. 2 представлена реакция якоря магнитоэлектрического генератора. При подключении к обмотке статора потребителя электрической энергии, в обмотке статора протекает электрический ток, создающий свое магнитное поле реакции, которое направлено против вращения ротора с постоянными магнитами. Это поле препятствует вращению ротора. В соответствии с расчетом поле реакции мало и не оказывает существенного влияния на момент вращения ротора магнитоэлектрического генератора.
На Фиг. 3 представлена схема укладки полуобмоток отдельных фаз обмоток магнитоэлектрической машины.
На Фиг. 4 представлен пример развернутой схемы предлагаемой обмотки магнитоэлектрической машины (число пазов/число полюсов 72/22).
Стрелками на рисунке (Фиг. 4) показаны направления токов в фазах генератора для фиксированного момента времени.
Обмоточным проводом, например, 1211, наматывают первую полуобмотку фазы и размещают в первый паз статора, далее в 4 и т.д.(Фиг. 4).
Провод первой полуобмотки фазы, после того как он уложен в 36 паз отделяется, и далее встречно соединяется со второй полуобмоткой фазы, которая укладывается в 37 паз. Вторая полу обмотка далее укладывается в 40 паз, 44 и т.д. (Фиг. 4). Направление токов во встречно включенных полуобмотках является встречным. Вторая и третья фазы магнитоэлектрической машины укладываются аналогичным образом (Фиг. 3). Далее обмотки могут быть разъединены, могут быть соединены по схеме «треугольник» или «звезда».
На Фиг. 5 приведен пример подключения трех выпрямительных блоков к обмоткам магнитоэлектрической машины. Рассматривается случай, когда обмотки статора разомкнуты и не имеют общей точки. Каждая обмотка подключена к отдельному выпрямительному блоку. Выпрямительный блок представляет собой выпрямитель, собранный на диодах соединенных по мостовой схеме. Для уменьшения пульсаций выходного напряжения параллельно с нагрузкой может быть присоединен емкостной сглаживающий фильтр.
Рассмотрим конкретный пример предложенного способа изготовления усовершенствованного магнитоэлектрического машины. Число пазов статора выбрано равным 72 (Фиг. 4). Синхронную магнитоэлектрическую машину приводят во вращение от стороннего электромеханического преобразователя, например, ветроколеса, дизельной энергетической установки, асинхронного двигателя управляемого преобразователем частоты (на черт, не показано). При вращении постоянные магниты расположенные на роторе магнитоэлектрической машины наводят в обмотке статора электродвижущую силу. (ЭДС). Обмотки статора наматывают в однофазном исполнении и подключают к отдельным выпрямительным блокам. К выходу выпрямителей подключают емкостной сглаживающий фильтр для уменьшения пульсаций выпрямленного напряженного. Выходы выпрямительных блоков подключают последовательно между собой (Фиг. 5). Между выпрямительными блоками и потребителями электрической энергии может быть предусмотрен узел стабилизации напряжения, включающий в свой состав аккумуляторную установку.
Предложенный способ позволяет получить повышенное выходное напряжение с генератора, что позволяет исключить из результирующего напряжения переменные составляющие электродвижущей силы.
Предложенный способ изготовления усовершенствованной магнитоэлектрической машины позволяет повысить рабочий магнитный поток магнитоэлектрической машины и уменьшить момент страгивания, который уменьшается за счет того, что количество пазов статора, число полюсов ротора и число фаз машины связаны дробным отношением, что препятствует созданию устойчивого положения ротора.
За счет изменения способа присоединения фаз обмотки статора к выпрямительным блокам в трехфазной обмотке, и из-за углового сдвига между обмотками, переменные составляющие электродвижущей силы равны и сдвинуты друг относительно друга на 120°, что исключает из результирующего напряжения переменные составляющие электродвижущей силы. Также в отличие от схемы Ларионова (известная схема присоединения диодов в трехфазных выпрямителях), при последовательном соединении выпрямительных блоков можно получить увеличение среднего значения электродвижущей силы в 2.9 раза (у схемы Ларионова в 2.71 раза) [Горбачев Г.Н. «Промышленная электроника» М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 231-235].
Таким образом, за счет изменения способа присоединения фаз обмотки статора к выпрямительным блокам, при отсутствии дополнительных источников питания и узла сравнения, происходит повышение выходного напряжения генератора, что значительно расширяет функциональные возможности существующих синхронных магнитоэлектрических генераторов переменного тока, и они могут быть востребованы в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания для получения повышенного выходного напряжения бесконтактного синхронного генератора.