Электрическая машина
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, в частности, для генерации электрической и механической энергии. Задачей изобретения является расширение области применения, снижение затрат, увеличение мощности и КПД электрической машины. Электрическая машина содержит бесколлекторный ротор и статор с катушками обмотки и управляющим устройством. Катушки обмотки статора представляют собой систему радиальных и/или тангенциальных катушек, последовательно и/или встречно соединенных, каждая из которых имеет электрические выводы. Управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами соответствующих катушек с обеспечением управления подачей электрического тока в соответствующие катушки обмотки статора и реализации во времени заданного магнитного поля статора, в том числе вращающегося или перемещающегося возвратно-поступательно в зависимости от пространственного положения ротора, совершающего вращательное или возвратно-поступательное движение. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области электродвигателестроения, электрогенераторостроения и может быть использовано для генерации электрической и/или механической энергии, для превращения электрической энергии в механическую и наоборот и т.д. Электрическая машина экологически чиста и может найти применение в энергетике, транспорте, машиностроении, строительной индустрии, космонавтике и других областях техники.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время поставленная задача частично решается с помощью коллекторных и бесколлекторных электрических машин (Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам. М.: Издательский центр «Академия», 2005, 480 с., ISBN №5-7695-1686-0; с. 9). К коллекторным относятся универсальные электрические машины и машины постоянного электрического тока, например, с постоянными магнитами и с обмоткой возбуждения. К бесколлекторным относятся синхронные и асинхронные электрические машины, например, с короткозамкнутым и фазным ротором, однофазные, трехфазные, конденсаторные, реактивные, гистерезисные, линейные, вентильные.
Из этого списка наиболее близким к предложенной машине является вентильный двигатель (см. там же, с. 313-317), включающий ротор и статор, с фазными обмотками и с тиристорной (управляемой) схемой подачи электрического тока на фазные катушки обмотки статора (фазы). Аналогичный вентильный двигатель (известный из SU 1327242 (опубл. 30.07.1987) включает магнитомягкий зубчатый ротор и зубчатый статор, состоящий из чередующихся по окружности сегментов и тангенциально намагниченных постоянных магнитов. Каждый сегмент включает три полюса, соединенных перемычками, на которых размещены катушки m-фазной якорной обмотки. Пары катушек, расположенные на сегментах, отстоящих друг от друга через m-1 сегмент, соединены последовательно, образуя фазу якоря, имеющую два вывода. При периодической коммутации фаз якорной обмотки к источнику питания с полупроводниковым коммутатором по сигналам углового положения ротора в фазах якорной обмотки поочередно протекает ток.
Принцип работы фазных (в том числе вентильных) машин идейно прост: сначала закачивается максимальный электрический ток в первую фазную обмотку, вследствие чего ротор поворачивается на некоторый угол. Затем аналогично закачивается максимальный электрический ток во вторую фазную обмотку. Ротор снова поворачивается на некоторый угол и т.д. Разумеется, электрический ток в предыдущих (предыдущей) фазных обмотках - катушках обязательно должен измениться, например уменьшиться, иначе ротор перестанет поворачиваться. Таким образом, такая конструкция работоспособна, но не оптимальна: не все катушки обмотки в рассматриваемый момент работают на полную мощность.
Поэтому задача заключается в том, чтобы уйти от всех таких несовершенных электрических машин и использовать только двухпроводный (однофазный, в основном постоянный) электрический ток, с достаточно полной загрузкой практически всех катушек обмотки (у переменного электрического тока имеется большая противоиндукция и в корень из двух раз меньшая мощность). В электрической машине катушки обмотки статора представляют собой систему радиальных и/или тангенциальных катушек, последовательно и/или встречно соединенных. Ни о каких фазах, многофазном электрическом токе, соединении звездой или треугольником в заявке не говорится и не подразумевается. Во всех катушках течет однофазный электрический ток. Слово «однофазный» в таких случаях обычно опускается.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описываемое изобретение направлено на создание высокоэффективного, удобного в эксплуатации, экологически чистого, с высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и удельной мощностью устройства для генерации электрической и/или механической энергии, для превращения электрической энергии в механическую и наоборот и т.д. Таким образом, технической задачей изобретения является расширение области применения, снижение затрат, увеличение удельной мощности и КПД электрической машины. В зависимости от назначения электрическая машина может работать в качестве электрического двигателя, электрического генератора, электрического двигателя-генератора, в частности электрического трансформатора постоянного электрического тока, в котором электрический двигатель, питаясь переменным электрическим током, вращает электрический генератор, который выдает в сеть постоянный электрический ток (или наоборот).
Указанная задача решается с помощью электрической машины, содержащей ротор и статор с катушками обмотки статора и управляющим устройством и характеризующейся тем, что катушки обмотки статора представляют собой систему радиальных и/или тангенциальных катушек, последовательно и/или встречно соединенных, каждая из которых имеет электрические выводы, а управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами соответствующих катушек с обеспечением управления прохождением электрического тока через соответствующие катушки обмотки статора и реализации во времени заданного магнитного поля статора в электрической машине, в том числе вращающегося или перемещающегося возвратно-поступательно в зависимости от пространственного положения ротора, совершающего вращательное или возвратно-поступательное движение.
Предложенная электрическая машина, выполненная в виде электрического двигателя, отличается от вентильных двигателей тем, что является однофазной, все катушки соединены друг с другом, и каждая катушка подключена к выводам, так что при подаче электрического тока в любые выводы электрический ток протекает одновременно по всем катушкам. Такая конструкция позволяет получить более мощное магнитное поле статора, воздействующее на ротор, большую удельную мощность и КПД электрического двигателя по сравнению с вентильным двигателем (см., например, Фиг. 1).
Действительно, в данном случае имеем: 1) при вращении ТОЛЬКО магнитного поля статора в ПОЛОВИНЕ правой части обмотки статора (по отношению к контактам) при постоянном токе наводится ЭДС со знаком плюс, а в ДРУГОЙ половине - со знаком минус. 2) Аналогично и в левой части обмотки статора. 3) Поэтому суммарная противоЭДС определяется только двумя, переключаемыми в данный момент катушками статора, а НЕ ВСЕМИ катушками статора. К тому же направление магнитного поля здесь почти перпендикулярно к оси тангенциальной катушки, что существенно уменьшает противоиндукцию в ней. 4) Таким образом, на вращение поля статора энергии тратится мало. Поэтому, чем больше по сути бесплатного магнитного поля статора идет на ротор, тем больше КПД машины! 5) Итак, если в среднем в несколько раз увеличить магнитную проницаемость статорного железа, значит, в несколько раз увеличится КПД электродвигателя. Ибо в несколько раз увеличится магнитное поле статора в роторе (при том же токе и напряжении в статорных обмотках), и значит, в несколько раз увеличится механический момент ротора (например, при той же самой угловой скорости его вращения и противоиндукции в статорных обмотках) и, следовательно, и РАБОТА И КПД. 6) Воздействие статорного магнитного поля на ротор является квантовым (если на роторе расположены постоянные магниты) и не приводит к противоиндукции в роторе. 7) Воздействие магнитного поля ротора на статор практически не изменится при смене железа и приводит к противоиндукции в обмотке статора согласно уравнениям Максвелла. Таким образом, в рассматриваемой электрической машине имеется существенная асимметрия при магнитном взаимодействии ротора и статора. Очевидно, эти очень важные семь пунктов при конкретных расчетах (специалистами) могут быть приведены в строгую математическую форму.
Очевидно, две катушки можно соединить последовательно (с одинаковой ориентацией намотки их витков), встречно (со встречной ориентацией намотки их витков) и аналогично параллельно и антипараллельно.
Определение 1. Цепью будем называть некоторое множество некоторым образом соединенных между собою катушек обмотки статора, в том числе посредством управляющего устройства.
Определение 2. Здесь будут даны необходимые пояснения о характере работы управляющего устройства. Во многих существующих электрических машинах управление подачей электрического тока в катушки с помощью управляющего устройства фактически фазное и потому не оптимальное, ибо некоторые фазы либо отключены в рассматриваемый момент времени от
электрического тока, либо работают не в полную мощность. В настоящем устройстве соответствующее управление является более эффективным. В отличие от фазного его условно можно назвать цепным. При цепном управлении (однофазный) электрический ток с помощью управляющего устройства одновременно закачивается во все или почти во все катушки обмотки статора, составляющие одну или несколько цепей (катушек) с заданными в каждой из них в каждый момент времени направлениями электрического тока. Причем каждая цепь с заданным электрическим током с помощью управляющего устройства может изменяться за счет присоединения и/или отсоединения катушек обмотки статора, например, вращаться для создания вращающегося магнитного поля статора. За счет большого количества катушек с электрическим током магнитное поле статора усиливается, а противоиндукция в статорных катушках, например, при постоянном электрическом токе уменьшается (изменится направление этого тока может лишь в присоединяемых или в отсоединяемых катушках). Следовательно, мощность и КПД устройства увеличиваются. Итак, цепное управление предполагает: 1) наличие сформированной к текущему моменту хотя бы одной цепи, имеющей в своем составе более одной тангенциальных и/или радиальных, последовательно и/или встречно соединенных катушек обмотки статора с заданным (однофазным) электрическим током; 2) с помощью управляющего устройства, при необходимости, изменение этой цепи за счет присоединения и/или отсоединения катушек обмотки статора; 3) после выполнения управляющим устройством п. 2 сформированная таким образом цепь должна удовлетворять п. 1. При этом каждая такая катушка, связанная с управляющим устройством (возможно, в данный момент посредством других катушек обмотки статора), должна иметь электрические выводы (электрические контакты), необходимые для подключения или отключения ее с помощью управляющего устройства, от указанной выше цепи.
Итак, если сказать кратко, просто и понятно, то мы имеем систему катушек (тангенциальных и/или радиальных), последовательно (и/или встречно) соединенных, с их выводами, и в зависимости от времени в соответствующие выводы управляющим устройством подается (однофазный) электрический ток.
Вышеназванное определение цепного управления относится к одному из свойств управляющего устройства, которое здесь не рассматривается и которое может быть сделано в рамках уже достигнутого среднего уровня техники.
О новизне устройства. С помощью управляющего устройства при достаточном числе катушек обмотки статора можно осуществлять заданное изменение магнитного поля статора (например, вращение магнитного поля статора) и принуждать намагниченный сердечник ротора совершать заданное движение (например, вращение вокруг своей оси). В частности, вращение магнитного поля статора может осуществляться в зависимости от пространственного положения ротора, совершающего вращательное движение (см. там же, с. 313-314). В системах управления с помощью реализации во времени заданного (соответствующего) магнитного поля статора в электрической машине (принуждающего ротор совершать заданное движение) можно управлять работой станков, механизмов, транспортных средств и т.д. (см. там же, с. 5-6, 369-370, 389). Таким образом, цепное управление допускает весьма широкий спектр возможностей управления движением ротора в электрической машине: вращательное (в том числе с переменной частотой), возвратно-поступательное (в том числе с переменной частотой), в условиях частых пусков и остановов, скачками, с вращением туда и обратно, с удержанием ротора в заданном угловом направлении и т.д. Таким образом, рассматриваемая электрическая машина многофункциональна и может быть выполнена в различных вариантах.
В рассматриваемом устройстве, используемом в качестве электрического двигателя, в частности, осуществляется, во-первых, усиленная концентрация магнитного потока сердечника статора (за счет радиальной ширины последнего) в роторе электрической машины, во-вторых, пониженная трата энергии на осуществление изменения, например вращения магнитного поля статора (из-за относительной малости переключаемых в текущий момент катушек обмотки статора), и, в-третьих, существенное относительное уменьшение противоиндукции в обмотке статора, например, за счет того, что длина статорной магнитной линии (возбужденной ротором в сердечнике статора) больше длины роторной магнитной линии (возбужденной статором в сердечнике ротора). При использовании устройства в качестве электрического генератора осуществляется существенное относительное увеличение индукции в обмотке статора, например, за счет использования двухполюсного ротора с поверхностным расположением постоянных магнитов, уменьшающего затраты энергии на вращение ротора. Например, в тех местах ротора, где магнитные силовые линии ротора и статора приблизительно параллельны, не возникает существенного торможения ротора при его вращении, осуществляемом, например, с помощью электрического двигателя (важную систему, состоящую из двух взаимодействующих электрических двигателя и генератора, назовем электромотором-генератором). Таким образом, в рассматриваемой электрической машине имеется асимметрия при магнитном взаимодействии ротора и статора.
При достаточном числе управляемых катушек обмотки статора в номинальном состоянии в важных примерах устройства на ротор действует практически постоянный механический момент, так как при вращении ротора и магнитного поля статора относительная ориентация их магнитных силовых линий с достаточной точностью сохраняется.
В случае подачи электрического тока одновременно во все катушки обмотки статора в роторе формируется более сильное, достаточно однородное и протяженное магнитное поле статора по сравнению с магнитным полем статора, например коллекторной, бесколлекторной и вентильной машин, что увеличивает мощность устройства.
Указанная новизна устройства способствует существенному увеличению удельной мощности и КПД электрической машины, ее широкому применению в народном хозяйстве.
В конкретных частных случаях (которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстративными материалами частных случаев выполнения) электрическая машина может быть выполнена, например, в виде:
1) электрического двигателя или электрического генератора постоянного электрического тока, ротор которого содержит двухполюсный, или короткозамкнутый, или магнитомягкий, с параллельно отсеченными двумя сегментами сердечник, а статор содержит магнитомягкий сердечник и тангенциальные и/или радиальные, последовательно соединенные между собой катушки обмотки статора, их электрические контакты, при этом управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами катушек статора с
обеспечением реализации во времени вращающегося магнитного поля статора в зависимости от пространственного положения ротора;
2) электрического генератора постоянного электрического тока, ротор которого представляет собой двухполюсный ротор с немагнитным материалом в полости цилиндра, на котором расположены магниты, а статор содержит тангенциальные и/или радиальные, последовательно соединенные между собой катушки обмотки статора, их электрические контакты (выводы), при этом управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами катушек статора с обеспечением реализации во времени вращающегося магнитного поля статора в зависимости от пространственного положения ротора;
3) электрического генератора переменного электрического тока, ротор которого представляет собой двухполюсный ротор, а статор имеет магнитомягкий сердечник и две равновеликие тангенциальные катушки обмотки статора, последовательно или встречно соединенные, а также их электрические выводы, при этом в случае последовательного соединения двух указанных катушек эти два электрических вывода расположены в противоположных частях статора обмотки статора, а в случае встречного соединения двух указанных катушек обмотки статора они расположены рядом.
Примеры электрических машин, описанных в пунктах 1-2, являются электромашинами постоянного электрического тока. Однако в соответствующих устройствах они будут работать и при переменном электрическом токе, если его одновременно подавать как в обмотки статора, так и в обмотки ротора.
Под управляющим устройством будем понимать специальное устройство, осуществляющее управление подачей электрического тока в обмотки статора и/или обмотки ротора с целью реализации заданного, в том числе вращающегося, магнитного поля статора. Обычно управляющее устройство осуществляют как в механическом (коллекторном), так и в электронном исполнении.
Таким образом, в простейшем случае с помощью управляющего устройства внешняя электрическая двухпроводная сеть (подсоединенная к двум электрическим контактам управляющего устройства) в каждый момент времени оказывается соединенной, например, в двух диаметрально расположенных местах обмотки статора (с последовательно соединенными между собой катушками обмотки статора). Эти два места электрического контакта с помощью управляющего устройства со временем последовательно перемещаются по электрическим выводам (контактам) катушек обмотки статора, содействуя вращению магнитного поля статора, а вместе с ним вращению намагниченного сердечника ротора вокруг своей оси.
В зависимости от назначения устройства изменение магнитного поля статора может: 1) зависеть от пространственного положения ротора; 2) не зависеть от него; 3) быть смешанным, то есть в зависимости от времени быть или первым или вторым.
Итак, с помощью управляющего устройства можно последовательно осуществлять электрический контакт внешней двухпроводной электрической сети с соответствующими электрическими выводами (контактами) катушек обмотки статора и/или ротора.
Аналогично, с помощью более сложно устроенного управляющего устройства число таких одновременно действующих электрических выводов, формирующих в обмотках статора более сложное, в том числе многополюсное вращающееся магнитное поле статора, можно увеличить. Оно, взаимодействуя с ротором, осуществит его движение.
В электрической машине сердечник ротора может быть постоянным магнитом, электромагнитом, многополюсным, с поверхностным расположением постоянных магнитов, а также выполненным с несколькими короткозамкнутыми витками (короткозамкнутый ротор) или из магнитомягкой стали с отсеченными двумя сегментами или из магнитомягкой стали, в расточки которой вложены постоянные магниты таким образом, чтобы сердечник ротора в целом представлял собою постоянный магнит и т.д.
Поскольку вращающееся магнитное поле статора не может удовлетворительно работать с коллекторно-щеточным узлом коллекторного двигателя, то в случае расположения катушек на роторе известное из описания коллекторного электрического двигателя коллекторно-щеточное управление ими в настоящей электрической машине отсутствует - не применяется. В этом смысле в устройстве используется бесколлекторный ротор.
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР
Конкретные частные примеры магнитных систем электрической машины, описываемых в пунктах 2-4 формулы изобретения, с торца в статике изображены на Фиг. 1-4 соответственно.
ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1. На Фиг. 1 с торца изображена магнитная система электрического двигателя или электрического генератора постоянного электрического тока, состоящая из магнитомягкого сердечника статора 1 с тангенциальными, последовательно соединенными между собою, катушками 2 обмотки статора, их электрическими выводами 3 (контактами), а также управляющего устройства (не показанного), которое в каждый момент времени соединяет внешнюю двухпроводную сеть с помощью электрических контактов 4 и 5 с указанными последовательно соединенными тангенциальными катушками 2 обмотки статора. В этом случае силовые линии 6 и 7 магнитного поля соответственно статора 1 и ротора 8, пронизывающие сердечник двухполюсного ротора 8, при вращении ротора 8 будут иметь практически стабильную относительную ориентацию (приблизительно взаимно перпендикулярны), что вызовет при стабильной нагрузке стабильность механического момента ротора 8.
В данной электрической машине сердечник ротора 8 может быть постоянным магнитом, электромагнитом, с поверхностным расположением постоянных магнитов, а также выполненным с несколькими короткозамкнутыми витками (короткозамкнутый ротор) или из магнитомягкой стали с отсеченными двумя сегментами или из магнитомягкой стали, в расточки которой вложены постоянные магниты таким образом, чтобы сердечник ротора 8 в целом представлял собою постоянный магнит и т.д. Здесь ротор 8 относительно статора 1 установлен таким образом, чтобы в номинальном состоянии ротор 8 обладал бы максимальным механическим моментом. Поскольку тангенциальные катушки 2 обмотки статора 1, расположенные вблизи электрических контактов 4 и 5, оказывают малый вклад в магнитное поле статора 1 (взаимодействующего с ротором 8), то с помощью управляющего устройства их можно не использовать в формировании этого поля. Впрочем, если эти катушки незначительные по величине, то такого усложнения можно не делать.
Определение 3. Любую катушку 2, намотанную вокруг сердечника статора 1 с тангенциальным расположением ее оси, будем называть тангенциальной катушкой или тангенциальной катушкой обмотки статора.
Пример 2. На Фиг. 2 с торца изображена магнитная система электрического двигателя или электрического генератора постоянного электрического тока, состоящая из магнитомягкого сердечника статора 9 с радиальными, последовательно соединенными между собою катушками 10 обмотки статора, их электрическими выводами - контактами 11, а также управляющего устройства (не показанного), которое в каждый момент времени соединяет внешнюю двухпроводную сеть с помощью электрических контактов 12 и 13 с указанными последовательно соединенными радиальными катушками 10 обмотки статора. В этом случае силовые линии 14 и 15 магнитного поля соответственно статора 9 и ротора 16, пронизывающие сердечник двухполюсного ротора 16, при вращении ротора 16 будут иметь практически стабильную относительную ориентацию (приблизительно взаимно перпендикулярны), что вызовет при стабильной нагрузке стабильность механического момента ротора 16.
В данной электрической машине сердечник ротора 16 может быть постоянным магнитом, электромагнитом, с поверхностным расположением постоянных магнитов, а также выполненным с несколькими короткозамкнутыми витками (короткозамкнутый ротор) или из магнитомягкой стали с отсеченными двумя сегментами или из магнитомягкой стали, в расточки которой вложены постоянные магниты таким образом, чтобы сердечник ротора 16 в целом представлял собою постоянный магнит и т.д. Здесь ротор 16 относительно статора 9 установлен таким образом, чтобы в рабочем состоянии ротор 16 обладал бы максимальным механическим моментом.
Определение 4. Любую катушку 10 обмотки статора, намотанную на сердечник статора 9 с радиальным расположением ее оси, будем называть радиальной катушкой или радиальной катушкой обмотки статора.
Пример 3. На Фиг. 3 с торца изображена магнитная система электрического генератора постоянного электрического тока, состоящая из двухполюсного ротора 17 с немагнитным материалом в полости цилиндра и с поверхностным расположением на нем постоянных магнитов, и магнитомягкого сердечника статора 18 с тангенциальными, последовательно соединенными между собой катушками 19 обмотки статора, их электрическими выводами - контактами 20, которые соединяются с соответствующими электрическими контактами 21 и 22 управляющего устройства (не показанного), которое, в свою очередь, в каждый момент времени направляет индукционный электрический ток, возникающий в статорных катушках, на электрические контакты внешней сети. Внутренняя часть ротора 23 выполнена из немагнитного материала. Линии 24 и 25 являются магнитными силовыми линиями соответственно статора 18 и ротора 17.
Пример 4. На Фиг. 4 с торца изображена магнитная система электрического генератора переменного электрического тока, состоящая из двухполюсного ротора 26 и магнитомягкого сердечника статора 27 с двумя тангенциальными, последовательно или встречно соединенными между собой катушками 28 и 29 обмотки статора, двумя их стационарными электрическими выводами - контактами 30 и 31 (или 32 и 33), соответственно расположенными либо в противоположных частях обмотки статора 27 (в случае последовательного соединения двух катушек 28 и 29 обмотки статора), либо рядом (в случае встречного соединения двух катушек 28 и 29 обмотки статора в отсутствие пунктирного соединения этих катушек).
В этом примере силовые линии 34 магнитного поля статора 27 не вращаются; вращаются вместе с ротором 26 силовые линии 35 магнитного поля двухполюсного ротора, индуктивно наводящие в двух катушках 28 и 29 обмотки статора 27 переменный электрический ток, который с помощью управляющего устройства направляется во внешнюю сеть.
Аналогично, возможны варианты выполнения электрической машины с возвратно-поступательным перемещением ротора и с соответствующим движением магнитного поля статора (на чертежах не показано). Как известно, двухполюсный магнит (ротора) может втягиваться (или выталкиваться) в катушку или систему катушек (обмотки статора) с электрическим током. При возвратно-поступательном движении двухполюсного ротора с помощью управляющего устройства можно осуществлять соответствующее движение магнитного поля статора, управляя вводом электрического тока в соответствующие катушки обмотки статора. Конечно, таких двухполюсных магнитов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль статора и составляющих магнитную систему ротора, может быть и более одного.
Конкретные частные примеры 1-4 (см. Фиг. 1-4) различных электрических машин работают следующим образом.
В примере 1 электрическая машина постоянного электрического тока, которая изображена на Фиг. 1, может работать как в режиме электрического двигателя, так и в режиме электрического генератора (если ротор 8 намагничен). Если она используется в качестве электрического двигателя, то из внешней двухпроводной электрической сети она должна получать (посредством управляющего устройства) постоянный электрический ток. Если же электрическая машина используется в качестве электрического генератора, то во внешнюю электрическую сеть она будет выдавать
постоянный электрический ток. В рассматриваемом устройстве электрические контакты катушек 2 обмотки статора 1 с целью реализации вращающегося магнитного поля статора 1 в зависимости от положения ротора 8 соединяются с соответствующими электрическими контактами 3 и 4 управляющего устройства. Конечно, скорость вращения магнитного поля статора 1 может подчиняться и другому заданному закону. При этом вращение ротора 8, если нагрузка на него не чрезмерная, будет следовать за вращением магнитного поля статора 1. Если использовать устройство в качестве электрического двигателя, то возможна одновременная запитка катушек статора 1 и ротора 8 не только постоянным, но и переменным электрическим током.
В примере 2 электрическая машина постоянного электрического тока, которая изображена на Фиг. 2, может работать как в режиме электрического двигателя, так и в режиме электрического генератора. Если она используется в качестве электрического двигателя, то из внешней двухпроводной электрической сети она должна получать (посредством управляющего устройства) постоянный электрический ток. Если же электрическая машина используется в качестве электрического генератора, то во внешнюю двухпроводную электрическую сеть она будет выдавать постоянный электрический ток. В рассматриваемом устройстве электрические контакты 11 катушек 10 обмотки статора с целью реализации вращающегося магнитного поля статора 9 в зависимости от пространственного положения ротора 16 соединяются с соответствующими электрическими контактами 12 и 13 управляющего устройства.
В примере 3 (см. Фиг. 3) электрическая машина является генератором постоянного электрического тока. Как только ротор 17 этой электрической машины будет приведен во вращение внешним устройством, то на
электрических контактах 21 и 22 появится электрическое напряжение, которое можно использовать для получения постоянного электрического тока во внешней сети. Подчеркнем, что двухполюсный ротор с поверхностным расположением постоянных магнитов используется здесь для уменьшения энергии на вращение ротора и, следовательно, для существенного увеличения КПД рассматриваемого здесь генератора постоянного электрического тока.
В примере 4 (см. Фиг. 4) электрическая машина является электрическим генератором переменного электрического тока. Если ротор 26 этой машины будет приведен во вращение внешним устройством, то на двух стационарных электрических контактах 30 и 31 (или 32 и 33) обмоток статора 27, соединенных с внешней электрической сетью посредством управляющего устройства, появится переменное электрическое напряжение, которое можно использовать для получения переменного электрического тока во внешней электрической сети. Последнее является следствием индуктивно наведенного электрического тока с заданным направлением электрического тока в указанных двух катушках обмотки статора, обеспечивающим получение технического результата - электрического тока во внешней двухпроводной сети.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
К настоящему моменту изготовлен экспериментальный образец электрической машины, который можно использовать в качестве либо электрического двигателя, либо электрического генератора постоянного электрического тока. Современный технологический уровень позволяет создать серийное производство электрических машин нового уровня малой, средней и большой мощности.
1. Электрическая машина, содержащая бесколлекторный ротор и статор с катушками обмотки статора и управляющим устройством, характеризующаяся тем, что катушки обмотки статора представляют собой систему радиальных и/или тангенциальных катушек, соединенных последовательно и/или встречно, каждая из которых имеет электрические выводы, а управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами соответствующих катушек обмотки статора с обеспечением управления подачей электрического тока в соответствующие выводы обмотки статора и реализации во времени заданного магнитного поля статора в электрической машине, в том числе вращающегося или перемещающегося возвратно-поступательно в зависимости от пространственного положения ротора, совершающего вращательное или возвратно-поступательное движение.
2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что она является электрическим двигателем или электрическим генератором постоянного электрического тока, в которой ротор содержит двухполюсный, или короткозамкнутый, или магнитомягкий, с параллельно отсеченными двумя сегментами сердечник, а статор содержит магнитомягкий сердечник и тангенциальные и/или радиальные, последовательно соединенные между собой катушки обмотки статора с их электрическими выводами, при этом управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами катушек обмотки статора с обеспечением реализации во времени вращающегося магнитного поля статора в зависимости от пространственного положения ротора.
3. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что она является электрическим генератором постоянного электрического тока, в которой ротор представляет собой двухполюсный ротор с немагнитным материалом в полости цилиндра, на котором расположены магниты, а статор содержит магнитомягкий сердечник и тангенциальные и/или радиальные, последовательно соединенные между собой катушки обмотки статора с их электрическими выводами, при этом управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами катушек обмотки статора с обеспечением реализации во времени вращающегося магнитного поля статора в зависимости от пространственного положения ротора.
4. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что она является электрическим генератором переменного электрического тока, в которой ротор представляет собой двухполюсный ротор, а статор имеет магнитомягкий сердечник и две равновеликие тангенциальные катушки обмотки статора, соединенные последовательно или встречно, с их двумя электрическими выводами, при этом в случае последовательного соединения двух указанных катушек эти два электрических вывода расположены в противоположных частях статора обмотки статора, а в случае встречного соединения двух указанных катушек они расположены рядом.
