Способ управления магнитным потоком и индукторная электрическая машина для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования в различных электротехнических устройствах с вращательным и линейным движением подвижных органов. Сущность изобретения состоит в следующем. Предлагаемый способ основан на принципе одновременного управления несколькими самостоятельными последовательно расположенными рабочими магнитными потоками от постоянных магнитов (1) с магнитопроводами в виде стержней (2) и (3). Рабочие магнитные потоки замкнуты посредством магнитных шунтов (4), одновременно являющихся магнитопроводами для управляющих магнитных потоков, создаваемых с помощью общей обмотки (6), связывающей все магнитные шунты (4). Поскольку рабочие и управляющие магнитные потоки в магнитных шунтах (4) взаимно перпендикулярны, управление магнитным сопротивлением магнитных шунтов (4) позволяет осуществлять управление одновременно всеми рабочими магнитными потоками от постоянных магнитов (1), оказывающих магнитное влияние на магнитные элементы (5). Способ осуществлен в индукторной электрической машине, имеющей статор (7) и ротор (8). Технический результат - простота осуществления способа и расширение его технологических возможностей путем обеспечения управления магнитным потоком одновременно в более чем одном магнитопроводе, что обеспечивает возможность создания целого класса новых электротехнических устройств и оборудования. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных электротехнических устройствах с управляемыми обмотками, например универсальных электромагнитах, приводных системах всевозможных электрических машин, электродвигателях, генераторах, мотор-колесах, индукторных электрических машинах, устройствах линейного движения, преобразовательных устройствах типа трансформаторов и т.д.

Известен способ управления магнитным потоком (см. Верников А.Я., «Магнитные и электромагнитные приспособления в металлообработке», М.: Машиностроение, 1984 г., стр.5-23), при котором используют постоянный магнит с магнитопроводом, магнитный шунт с рабочим (постоянным) магнитным потоком от постоянного магнита и управляющий магнитный поток, создаваемый (формируемый) с помощью обмотки, причем рабочий и управляющий магнитные потоки параллельны и разнонаправленны. Это так называемый прямой способ регулирования рабочего магнитного потока. При увеличении управляющего магнитного потока постоянный магнит начинает размагничиваться, то есть уменьшается рабочий магнитный поток, а по достижении напряженности управляющего магнитного потока значения, равного коэрцитивной силе постоянного магнита, рабочий магнитный поток становится равным нулю.

Известному способу с прямым регулированием рабочего (постоянного) магнитного потока присущи следующие недостатки: большие энергетические затраты, связанные с преобразованием магнитных сил постоянного магнита в другие виды энергии, например в механическую; размагничивание постоянного магнита; низкий КПД способа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ управления магнитным потоком по патенту РФ 2092922 от 18.04.1996 г., при котором используют постоянный магнит с магнитопроводом и магнитный шунт с рабочим магнитным потоком от постоянного магнита и управляющим магнитным потоком, создаваемым с помощью обмотки, причем направления рабочего и управляющего магнитных потоков взаимно перпендикулярны. В этом случае управление рабочим магнитным потоком осуществляют, например, путем изменения величины управляющего магнитного потока, тем самым регулируя магнитное сопротивление магнитного шунта.

К недостаткам известного способа можно отнести его ограниченные технологические возможности, поскольку управляющий магнитный поток формируется (создается) лишь в одном магнитном шунте. Область практического использования способа сужается и весьма низкая, а универсальность способа соответственно недостаточно широкая.

Известна индукторная электрическая машина, см. патент 2159495 от 23.08.1999 г., содержащая статор, включающий в себя кольцевые обмотки и магнитопровод, состоящий из группы рабочих узлов, расположенных равномерно по окружности статора и образующих кольцевые ряды по числу фаз, и ротор, имеющий магнитопроводы с замкнутой обмоткой.

К недостаткам машины можно отнести большую материалоемкость кольцевых обмоток и соответственно высокие массогабаритные показатели, узкие возможности использования и применения, в жестко ограниченных габаритными размерами условиях монтажа, например, невозможность использования в узких и плоских проемах, ограниченных стенками, и т.д.

В основу изобретений положена задача по устранению указанных недостатков.

Для достижения поставленной задачи в способе управления магнитным потоком, при котором используют постоянный магнит с магнитопроводом и магнитный шунт с рабочим магнитным потоком от постоянного магнита и управляющим магнитным потоком, создаваемым с помощью обмотки, причем направления рабочего и управляющего магнитных потоков взаимно перпендикулярны, в соответствии с изобретением одновременно создают ряд последовательно расположенных самостоятельных и независимых друг от друга рабочих магнитных потоков в нескольких магнитопроводах, а управляющий магнитный поток создают с помощью общей обмотки, связывающей все магнитные шунты. Кроме того, рабочие магнитные потоки могут быть созданы с помощью электромагнитов.

Для достижения поставленной задачи в индукторной электрической машине, содержащей статор, включающий в себя кольцевые обмотки и магнитопровод, состоящий из группы рабочих узлов, расположенных равномерно по окружности статора и образующих кольцевые ряды по числу фаз, и ротор, имеющий магнитопроводы с замкнутой обмоткой, в соответствии с изобретением каждый рабочий узел, представляет собой пару ферромагнитных стержней, направленных к центру машины и снабженных по меньшей мере одним постоянным магнитом и/или обмоткой, расположенных в средней части стержней и связывающих их, между тем наружные концы стержней замкнуты между собой накоротко посредством магнитного шунта, выполненного в виде втулки со сквозной полостью, причем кольцевая обмотка объединяет все магнитные шунты ряда и размещена в полостях шунтов. Кроме того, замкнутая обмотка ротора уложена зигзагообразно, то есть уложена в магнитопровод ротора змейкой. Кроме того, машина снабжена дополнительными источниками силового магнитного поля, например постоянными магнитами и/или обмотками, установленными между рабочими узлами. Кроме того, машина снабжена дополнительными магнитными шунтами, установленными между рабочими узлами.

Достигаемыми техническими результатами изобретений будут: значительное расширение технологических возможностей способа по его практическому использованию, поскольку управляющий магнитный поток можно создавать (формировать) одновременно в нескольких самостоятельных магнитных шунтах, причем всего лишь, например, с помощью одной обмотки, тем самым управлять рабочими магнитными потоками в нескольких независимых друг от друга магнитопроводах; увеличение области применения способа для создания всевозможного электротехнического оборудования, например, устройств вращения и силового преобразования, в том числе мотор-колес для различных транспортных средств, причем простых, эргономичных и с низкой материалоемкостью, а соответственно дешевых и высокоэкономичных; значительное расширение области применения (использования) индукторной электрической машины, в особенности при проектировании специального, компактного по габаритным размерам, например, для космической техники, различного, в том числе технологического, оборудования; увеличение мощности и КПД машины благодаря дополнительным постоянным магнитам и магнитным шунтам, так как обеспечиваются значительные усиления рабочих магнитных потоков, причем при этом рационально используются нерабочие пространства и сохраняется компактность машины. Кроме того, становится возможным обеспечить сверхнадежность подобных машин, так как основная функция кольцевых обмоток не рабочая, как в прототипах, а управления магнитным потоком, в связи с чем они менее материалоемкие, компактные и занимают меньше места в машине. Таким образом, внутри рабочих узлов, можно разместить теперь несколько идентичных управляющих кольцевых обмоток и при выходе из строя одной обмотки, автоматически подключать другую аналогичную обмотку.

Сущность изобретения поясняется графически, где на фиг.1 изображена одна из простых схем осуществления способа в индукторной машине; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1 (фрагмент развертки статора); на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1 (фрагмент развертки ротора); на фиг.5 - электрическая схема соединения обмоток; на фиг.6 - другая конструктивная схема индукторной машины

Способ управления магнитным потоком осуществляется следующим образом.

Сначала в нескольких однотипных рабочих узлах (позицией не показаны, см. фиг.1), каждый рабочий (постоянный) магнитный поток от постоянных магнитов 1 через стержни 2 и 3 магнитопроводов накоротко замыкается (или весь, или часть, тогда оставшаяся часть рассеивается) с помощью одного из участков магнитных шунтов 4, выполненных, например, в виде втулок прямоугольного сечения со сквозными полостями. Магнитные силы от постоянных магнитов 1 между свободными концами стержней 2 и 3 магнитопроводов и элементами 5 из ферромагнитного материала отсутствуют. Далее пропускают электрический ток по общей обмотке 6 (например, выполнена в виде кольца), проходящей через сквозные полости магнитных шунтов 4 каждого рабочего узла и связывающей их. Благодаря этому в каждом магнитном шунте 4 создается (формируется) управляющий магнитный поток, причем направления рабочего и управляющего магнитных потоков будут взаимно перпендикулярны. Поскольку управляющие магнитные потоки вытесняют рабочие магнитные потоки из магнитных шунтов 4, то рабочие магнитные потоки от постоянных магнитов 1 перераспределяются и замыкаются с помощью свободных концов стержней 2 и 3 магнитопроводов через элементы 5. Магнитные силы притягивают элементы 5 одновременно во всех рабочих узлах. Таким образом, происходит управление рабочими магнитными потоками каждого узла. Отключив ток в кольцевой обмотке 6, рабочие магнитные потоки от постоянных магнитов 1 вновь замыкаются накоротко через магнитные шунты 4, а элементы 5 освобождаются от магнитных сил и не притягиваются к стержням 2 и 3 магнитопроводов.

Для создания условий по более широкому использования способа постоянные магниты 1, формирующие рабочие магнитные потоки, могут быть заменены электромагнитами. Функциональные возможности способа не изменятся, а технические параметры могут быть получены различные, универсальность способа увеличивается, например, создание бегущего магнитного поля.

Индукторная электрическая машина в которой реализован предложенный способ, помимо вышеуказанных постоянных магнитов 1, стержней 2 и 3, магнитных шунтов 4, ферромагнитных элементов 5 и общей кольцевой обмотки 6, содержит статор 7 со смонтированными равномерно по окружности несколькими (группой) рабочими узлами (отдельно позицией не выделены), образующими кольцевые ряды, охватывающие ротор 8. Количество рядов равно количеству фаз (представлено три фазы). Каждый отдельный рабочий узел состоит из источника силового (рабочего) магнитного поля, например, постоянного магнита 1 и/или обмотки (или электромагнита) с парой ферромагнитных стержней 2 и 3, являющихся магнитопроводом статора 7, причем магнит 1 расположен между средними участками стержней 2 и 3. Концы стержней 2 и 3 накоротко замкнуты магнитным шунтом 4, например, в виде втулки со сквозной полостью. Магнитные шунты 4 каждого кольцевого ряда (из трех по числу фаз) объединены кольцевой (якорной) обмоткой 6, проходящей сквозь полости шунтов 4. Кольцевые обмотки 6 выполняют только функцию управления силовыми (рабочими) магнитными полями с магнитными потоками от постоянных магнитов 1 и питаются от источников переменного или постоянного тока (на чертежах не показаны). Рабочие узлы каждого кольцевого ряда статора 7 снабжены генераторными обмотками 9, проходящими зигзагообразно между стержнями 2 и 3 (см. фиг.3). Наличие этих обмоток позволяет машине работать в генераторном режиме. Для снижения массы и стоимости машины перечисленные обмотки могут быть выполнены из алюминия. На роторе 8 закреплены элементы 5, выполненные из ферромагнитного материала и являющиеся магнитопроводом ротора. Элементы 5 также расположены равномерно по окружности ротора и образуют несколько (по числу фаз) кольцевых рядов. В магнитопроводе ротора 8 зигзагообразно уложена замкнутая обмотка 10 так, что связывает все три фазы (см. фиг.4). Кроме того, стержни 2 и 3 магнитопровода статора 7 и элементы 5 магнитопровода ротора 8 установлены с минимальным радиальным зазором между собой, а рабочие узлы статора 7 смещены друг относительно друга на часть их длины по окружности статора. Индукторная машина может быть снабжена дополнительными постоянными магнитами 11 и дополнительными магнитными шунтами 12. Они монтируются в свободных промежутках между рабочими узлами (см. фиг.6).

Управление включением обмоток осуществляется от блока системы управления - СУ (см. фиг.5).

Индукторная электрическая машина может работать в двигательном и генераторном режимах.

Индукторная электрическая машина работает следующим образом.

В исходном положении магнитные силовые (рабочие) потоки от постоянных магнитов 1 накоротко замыкаются через магнитные шунты 4 в каждом рабочем узле, в каждом ряду, во всей группе узлов. Из блока СУ поступает сигнал на последовательное включение и отключение кольцевых обмоток 6 статора 7. В момент включения любой кольцевой обмотки 6 в магнитных шунтах 4 соответствующего кольцевого ряда из рабочих узлов создается управляющий магнитный поток. Силовые потоки от постоянных магнитов 1 перенаправляются и замыкаются через магнитные элементы 5, являющиеся магнитопроводом ротора 8. Поскольку фазные ряды рабочих узлов смещены друг относительно друга, образуется крутящий момент. Таким образом, малым электрическим сигналом, подаваемым на кольцевые обмотки 6 статора 7, можно получить необходимые крутящие моменты на валу ротора 8. Для увеличения мощности машины она может быть снабжена дополнительными постоянными магнитами 11 и магнитными шунтами 12. Принцип работы машины сохраняется.

Для работы машины в генераторном режиме она приводится во вращение от стороннего двигателя. С генераторных обмоток 9 снимается переменное напряжение.

Предложенный способ управления магнитным потоком прост в осуществлении, а благодаря расширению технологических возможностей за счет обеспечения управления магнитными потоками одновременно более чем в одном магнитопроводе, он позволит создать целый класс новых электротехнических устройств, оборудования, например, с вращающимися рабочими узлами (электродвигатель, генератор, мотор-колесо и т.д.), линейные двигатели с бегущим магнитным полем и т.д.

1. Способ управления магнитным потоком, при котором используют постоянный магнит с магнитопроводом и магнитный шунт с рабочим магнитным потоком от постоянного магнита и управляющим магнитным потоком, создаваемым с помощью обмотки, причем направления рабочего и управляющего магнитных потоков взаимно перпендикулярны, отличающийся тем, что одновременно создают ряд последовательно расположенных, самостоятельных и независимых друг от друга рабочих магнитных потоков в нескольких магнитопроводах, а управляющий магнитный поток создают с помощью общей обмотки, связывающей все магнитные шунты.

2. Способ управления магнитным потоком по п.1, отличающийся тем, что рабочие магнитные потоки создают с помощью электромагнитов.

3. Индукторная электрическая машина, содержащая статор, включающий в себя кольцевые обмотки и магнитопровод, состоящий из группы рабочих узлов, расположенных равномерно по окружности статора и образующих кольцевые ряды по числу фаз, и ротор, имеющий магнитопроводы с замкнутой обмоткой, отличающаяся тем, что каждый рабочий узел представляет собой пару ферромагнитных стержней, снабженных, по меньшей мере, одним постоянным магнитом и/или обмоткой, расположенных в средней части стержней и связывающих их, между тем, наружные концы стержней, замкнуты между собой накоротко посредством магнитного шунта, выполненного в виде втулки со сквозной полостью, причем, кольцевая обмотка объединяет все магнитные шунты ряда и размещена в полостях шунтов.

4. Индукторная электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что замкнутая обмотка ротора уложена зигзагообразно.

5. Индукторная электрическая машина по п.3 или 4, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными источниками силового магнитного поля, например, постоянными магнитами и/или обмотками, установленными между рабочими узлами.

6. Индукторная электрическая машина по п.5, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными магнитными шунтами, установленными между рабочими узлами.