Електрична машина

Реферат: Електрична машина містить статор з двома шихтованими зубчастими пакетами, взаємно зміщеними в осьовому напрямку і напресованими на магнітопровід, обмотку змінного струму в пазах пакетів, нерухому кільцеву обмотку збудження, закріплену між пакетами, та ротор, розміщений зовні статора, з циліндричним якорем, на внутрішній поверхні якого закріплено поперемінно полюси та постійні магніти. Якір виконано з немагнітного матеріалу, а полюси - у вигляді поздовжніх пакетів з ізольованих пластин феромагнетика; постійні магніти намагнічено в осьовому напрямку, а кожний з пакетів статора постачено обмоткою змінного струму. UA 104763 C2 (12) UA 104763 C2 UA 104763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі електроенергетики і може бути використаний в кінетичних накопичувачах енергії як двигун та генератор електричної енергії. Відома двопакетна індукторна машина [Патент RU№2058656, кл. Н02K 19/20, Двухпакетная индукторная машина/ Вуколов Ю. И.//Бюл. №11, 1996] у складі статора з двома, взаємно зміщеними в осьовому напрямку зубчастими пакетами з пластин електротехнічної сталі, в пази яких вкладено загальну, на два пакети, обмотку якоря, та нерухомої кільцевої обмотки збудження, розміщеної на поверхні магнітопроводу статора під якірною обмоткою. Ротор машини безобмотковий, з двома взаємно зміщеними в осьовому напрямку зубчастими пакетами. Статорні пакети розташовано всередині ротора на поверхні масивного магнітопроводу, а сам ротор, як варіант, використано як маховик. Недоліками вказаного винаходу є складна конструкція та значні витрати активних матеріалів, характерні для індукторних електричних машин. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого винаходу є генератор змінного струму [Патент RU №2244996, кл. Н02K 19/16, 1/06. Генератор переменного тока / Ганджа С.А., Соломин Е.В., Шауфлер А.Д.// Бюл. №2, 2005] в складі статора з двома шихтованими зубчастими пакетами, взаємно зміщеними в осьовому напрямку і напресованими на масивний магнітопровід, багатофазної обмотки в пазах пакетів та нерухомої обмотки збудження, закріпленої у проміжку між пакетами статора. Ротор, розміщений зовні статора, зроблено з циліндричним ярмом, на внутрішній поверхні якого і проти зубчастих пакетів статора закріплено поперемінно, створюючи два кільця, масивні полюси та постійні магніти. Останні мають радіальну намагніченість і розміщені таким чином, що в одному кільці магніти мають "південну" намагніченість на поверхні, в другому - "північну". Недоліками зазначеного винаходу є обмежений діапазон регулювання вихідної напруги та неефективне використання постійних магнітів. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення електричної машини, в якій шляхом зміни конструкції ротора, інших елементів та іншим виконанням обмотки статора забезпечується значне розширення діапазону регулювання вихідної напруги в генераторному режимі роботи та зменшення витрат постійних магнітів при визначеній потужності і за рахунок цього досягається більш ефективна робота електричної машини в кінетичному накопичувачі енергії. Поставлена задача вирішується тим, що у відомій електричній машині, що містить статор з двома шихтованими зубчастими пакетами, взаємно зміщеними в осьовому напрямку і напресованими на масивний циліндричний магнітопровід, обмотку змінного струму в пазах пакетів та закріплену між пакетами кільцеву обмотку збудження, ротор, розміщений зовні статора, з циліндричним якорем, на внутрішній поверхні якого закріплено поперемінно феромагнітні полюси та постійні магніти, згідно з винаходом, якір виконано з немагнітного матеріалу, а полюси - з ізольованих пластин феромагнетика; постійні магніти намагніченого в осьовому напрямку, а кожний з пакетів статора постачено обмоткою змінного струму. Суть винаходу пояснюється рисунком, де на фіг. 1 і 2 зображено осьовий та поперечний перерізи електричної машини, на фіг. 3 - повздовжній пакет ротора, на фіг. 4 - постійний магніт з полюсними наконечниками. Пропонована електрична машина є оберненою за конструкцією, до складу якої входить нерухомий статор з двома поздовжніми зубчастими пакетами 1 і 2 (фіг. 1, 2), взаємно зміщеними в осьовому напрямку і напресованими на циліндричну втулку 3 з феромагнітного матеріалу. Пакети, як варіант, набрано з окремих ізольованих пластин електротехнічної сталі. В пазах пакетів, які в осьовому напрямку співпадають, розміщено котушки 4 і 5 двох обмоток змінного струму, як варіант, зроблених трифазними і з можливістю з'єднання між собою послідовно або паралельно і за схемами "трикутник" або "зірка". Втулка 3 опирається на два диски 6 і 7 з центральними отворами, які по поверхні цих отворів закріплено на порожнистому валу 8. Між пакетами 1 і 2 статора розташовано кільцеву обмотку збудження 9. Вивідні провідники останньої із котушок обмотки статора прокладено через порожнистий вал (на фіг. 1 не показано). Ротор електричної машини розміщено зовні статора. До його складу входить ярмо 10 (фіг. 1, 2) із немагнітного матеріалу, на внутрішній поверхні якого закріплено поперемінно полюси 11 у вигляді поздовжніх пакетів, як варіант, з ізольованих пластин електротехнічної сталі (фіг. 3) та постійні магніти 12, які орієнтовано і намагнічено в осьовому напрямку і, як варіант, постачено полюсними наконечниками 13 (фіг. 4). Ярмо 10 опирається на боковини 14 і 15, а останні - на підшипники 16 і 17, які закріплено на валу 8. Полюсні наконечники зроблено клиновидними, скошеними в бік постійних магнітів. 1 UA 104763 C2 5 10 15 20 25 30 35 Пропонована електрична машина працює таким чином. В режимі роботи двигуном котушки 4 і, окремо, 5 з'єднують за схемами "зірка" або "трикутник", а між собою - паралельно або послідовно і приєднують до джерела живлення змінним струмом з відповідним розміром вихідної напруги. Обмотку збудження 9 приєднують до керованого джерела живлення постійним струмом (на фіг. не показано). При цьому, в магнітопроводі створюється магнітний потік, який проходить по втулці 3 в осьовому напрямку, по пакету 1 у радіальному напрямку, через повітряний проміжок у відповідні поздовжні пакети 11 і знову через повітряний проміжок у пакет 2. Одночасно потік від постійних магнітів 12 проходить по наступному шляху: "північний" полюс магнітів, полюсний наконечник, повітряний проміжок, пакет 1 статора, втулка 3, пакет 2 статора, знову проміжок, полюсний наконечник, "південний" полюс магнітів. Вказаний магнітний потік, як і потік обмотки збудження, пронизує витки котушок 4 і 5 обмоток пакетів, що при наявності змінного струму в останніх, викличе появу обертового моменту. При зміні розміру напруги джерела живлення змінним струмом відповідно з'єднують між собою котушки 4 і 5. Наприклад, при зменшенні напруги для збереження на достатньому рівні обертового моменту переходять послідовно від паралельного з'єднання цих котушок до послідовно-зустрічного, спочатку у схемі "трикутник", а потім у схемі "зірка". При роботі електричної машини як генератор змінного струму обмотку збудження 9 живлять керованим постійним струмом. При обертанні ротора привідним двигуном (на фіг. не показано) магнітні потоки обмотки збудження 9 і постійних магнітів 12 перетинають котушки 4 і 5 обмоток пакетів, що викличе появу в останніх змінної електрорушійної сили (ЕРС). При використанні електричної машини в кінетичному накопичувачі енергії у випадку його розрядження частота обертання ротора машини безперервно зменшується. Для збереження ЕРС на достатньому рівні спочатку збільшують розмір струму збудження, а потім змінюють схеми з'єднання котушок 4 і 5. Так, при максимальній частоті обертання ротора котушки 4 і, окремо, котушки 5 з'єднують за схемою "трикутник", а між собою обидві схеми - паралельно. При зменшенні частоти обертання ротора котушки 4 і, окремо, котушки 5 з'єднують за схемою "зірка", а між собою також паралельно. При подальшому зменшенні частоти обертання котушки 4 і 5 з'єднують між собою послідовно-зустрічно і разом за схемою "трикутник". І, нарешті, при мінімальній частоті обертання котушки 4 і 5 з'єднують між собою послідовно-зустрічно і разом за схемою "зірка". За рахунок такої зміни схем сполучення котушок 4 і 5 розмір ЕРС (при відповідному регулюванні струму збудження) залишається практично незмінним при зменшенні частоти обертання ротора майже у чотири рази відносно початкової. Виконання полюсів у вигляді поздовжніх пакетів з ізольованих пластин феромагнетика дозволить спростити конструкцію ротора та зменшити втрати потужності від вихрових струмів у полюсах. Напруженість магнітного поля магніту для точки відходу на кривій розмагнічування визначається за формулою: ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Електрична машина, що містить статор з двома шихтованими зубчастими пакетами, взаємно зміщеними в осьовому напрямку і напресованими на магнітопровід, обмотку змінного струму в пазах пакетів, нерухому кільцеву обмотку збудження, закріплену між пакетами, та ротор, розміщений зовні статора, з циліндричним якорем, на внутрішній поверхні якого закріплено поперемінно полюси та постійні магніти, яка відрізняється тим, що якір виконано з немагнітного матеріалу, а полюси - у вигляді поздовжніх пакетів з ізольованих пластин феромагнетика; постійні магніти намагнічено в осьовому напрямку, а кожний з пакетів статора постачено обмоткою змінного струму.  F  Fзб HМК  1 ad hM , де: α1=1,1-1,2 - коефіцієнт, що враховує падіння магнітної напруги в магнітопроводi; Fad - магніторушійна сила (МРС) поздовжньої реакції обмоток пакетів; МРС обмотки збудження; hM - товщина магніту у напрямку намагнічування. У прототипі розмір hM обмежений радіальними габаритами машини, що вимагає збільшення HМК, як наслідок, приводить до зменшення розміру магнітної індукції магніту. У пропонованій електричній машині розмір hM при визначеному об'ємі магніту значно більший, близький до її активної довжини, чому сприяє намагнічення магнітів в осьовому напрямку, що забезпечить, порівняно з прототипом, збільшення магнітної індукції у повітряному проміжку і, відповідно, розміру ЕРС машини в режимі генератора і обертового моменту в режимі двигуна. 2 UA 104763 C2 Забезпечення кожного з пакетів статора обмоткою змінного струму дозволить використати кілька різних варіантів ввімкнення котушок обмоток з метою одержання різних за розміром вихідних напруг електричної машини як генератора та приєднання машини в режимі двигуна до різних за розміром напруг живлення. 3 UA 104763 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4