Электрическая машина
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, в частности, для генерации электрической энергии. Технический результат - увеличение КПД электрического генератора. Электрическая машина содержит двухполюсный ротор с внутренним или внешним расположением по отношению к статору. Статор имеет магнитомягкий сердечник и дополнительно соответственно с внешним, окружающим статор, или внутренним, находящимся в расточке статора, сердечником в виде перемычки. Перемычка выполнена либо с зазорами в двух противоположных частях сердечника статора, отделяющими ее от сердечника статора, для осуществления вращения этой перемычки в зависимости от вращения ротора, либо без зазора в двух противоположных частях сердечника статора и без ее вращения. Катушки обмотки статора представляют собой систему с не менее чем двумя тангенциальными катушками, последовательно и/или встречно соединенными, каждая из которых имеет электрические выводы, с которыми соединено управляющее устройство. 4 ил., 2 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для генерации электрической энергии. Эта электрическая машина, выполненная в виде электрического генератора, 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, а также электрическая машина автора (патент РФ на изобретение №2600311. Электрическая машина).
Из этого списка наиболее близким к изобретению является электрический генератор постоянного или переменного тока с тангенциальной обмоткой из указанного выше патента.
Отличие заключается в наличии в настоящем электрическом генераторе дополнительно: в первом варианте внешнего сердечника в виде перемычки, отдельно окружающей сердечник статора (с двумя зазорами на его противоположных частях, отделяющими ее от сердечника статора, для осуществления вращения этой перемычки в зависимости от вращения ротора или без зазора и без ее вращения), предназначенной для отвода в эту перемычку, минуя ротор, части или всего магнитного поля сердечника статора, создаваемого в сердечнике статора тангенциальной обмоткой, и, во-втором варианте, аналогично, внутреннего сердечника в виде перемычки, находящейся в расточке сердечника статора и соединяющей противоположные его части с зазором или без зазора, при этом вместо внутреннего ротора используется внешний ротор, который представляет собою двухполюсный ротор, с внешней стороны которого находится сердечник внешнего ротора, окружающего сердечник статора, с прикрепленными внутри к нему постоянными магнитами и/или электромагнитами. Конечно, не исключается тот тривиальный случай, когда противоположные части перемычки смыкаются и эта перемычка внутренняя или внешняя соединяется с сердечником статора во всех соответственно внутренних или внешних точках.
Указанные отличия существенно уменьшают тормозной момент на роторе и, следовательно, существенно увеличивается КПД настоящего электрического генератора. В существующем уровне технике таких двух видов перемычек не имеется. При необходимости на сердечнике в виде перемычки (сердечнике-перемычке) можно поместить дополнительную обмотку.
К примеру, данное устройство отличается от устройства, изображенного на Фиг. 1, или Фиг. 3, или Фиг. 4 (см. там же), наличием внешнего сердечника-перемычки (см. здесь Фиг. 1 и Фиг. 2).
В электрическом генераторе катушки обмотки статора представляют собой систему из двух или более двух последовательно или встречно соединенных тангенциальных катушек. Не о каких фазах, многофазном электрическом токе, соединении звездой или треугольником в заявке не говорится и не подразумевается. Во всех катушках течет однофазный переменный 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 энергии. Таким образом, технической задачей изобретения является расширение области применения, снижение затрат, увеличение удельной мощности и КПД электрического генератора (электрической машины). В зависимости от назначения электрическая машина может работать в качестве электрического генератора, электрического двигателя-генератора, в котором, в частности, электрический двигатель, питаясь постоянным электрическим током, вращает электрический генератор, который выдает в сеть переменный электрический ток, выполняя роль преобразователя постоянного тока в переменный с высоким КПД.
Указанная задача решается с помощью генератора постоянного или переменного электрического тока, содержащего ротор и статор с не менее чем двумя тангенциальными катушками обмотки статора и управляющим устройством и характеризуется тем, что ротор представляет собой двухполюсный ротор с внутренним или внешним расположением по отношению к статору, а статор имеет магнитомягкий сердечник соответственно с внешним, окружающим статор, или внутренним, находящимся в расточке статора, сердечником в виде перемычки; катушки обмотки магнитомягкого сердечника статора представляют собой систему 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 подачи электрического тока в соответствующие катушки обмотки статора и реализации во времени заданного магнитного поля статора в электрической машине, в том числе вращающегося в зависимости от пространственного положения ротора, совершающего вращательное движение.
О новизне устройства. Предложенный электрический генератор отличается от электрического генератора из указанного выше патента тем, что содержит сердечник-перемычку, отводящую, по крайней мере, часть магнитного поля статора от ротора, что уменьшает тормозной момент на роторе. Таким образом, в рассматриваемом электрическом генераторе имеется асимметрия при магнитном взаимодействии ротора и статора. 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) электрический генератор может быть выполнен, например, в виде:
1) электрического генератора постоянного электрического тока, ротор которого содержит двухполюсный сердечник, а статор содержит магнитомягкий сердечник с двумя или более чем двумя тангенциальными, последовательно соединенными между собой, катушками обмотки статора, их электрическими контактами (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; при этом рассматриваемый генератор дополнительно содержит внешний сердечник в виде перемычки (сердечник-перемычку), окружающей сердечник статора, с двумя зазорами на его противоположных частях, отделяющими ее от магнитомягкого сердечника статора, для осуществления вращения этой перемычки в зависимости от вращения ротора, предназначенной для отвода в эту перемычку, минуя ротор, части или всего магнитного поля сердечника статора, создаваемого в сердечнике статора тангенциальной обмоткой;
2) электрического генератора переменного электрического тока, содержащего ротор, статор с двумя равновеликими тангенциальными катушками обмотки магнитомягкого сердечника статора и сердечник-перемычку, в котором ротор представляет собой двухполюсный ротор, а статор имеет магнитомягкий сердечник, дополнительно внешний сердечник-перемычку, окружающую сердечник статора и соединенную с ним на его противоположных частях, и две равновеликие тангенциальные катушки обмотки магнитомягкого сердечника 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, причем внешний сердечник-перемычка находится вне магнитомягкого сердечника статора и, соединяясь с ним без зазоров (в районе выводов 16 и 17), отделяет одну катушку от другой; при необходимости на внешнем сердечнике-перемычке можно поместить дополнительную обмотку.
В электрическом генераторе сердечник ротора может быть постоянным магнитом или электромагнитом и т.д. В предложенном электрическом генераторе при вращении ротора его магнитное поле (ротора) будет проходить по магнитомягкому сердечнику статора, индуцируя электрический ток в статорных катушках. В результате торможение вращения ротора (мизерным статорным магнитным полем, ибо существенная его часть пройдет через внешний сердечник-перемычку) резко уменьшится, а КПД этого генератора резко возрастет! В этом случае данный уникальный сердечник статора в целом состоит из собственно сердечника статора и дополнительно внешней (в сердечнике-перемычке) части. При необходимости на внешнем сердечнике-перемычке можно разместить дополнительную обмотку. Таким образом, данное устройство отличается от ранее запатентованного устройства (см. там же) наличием внешнего сердечника-перемычки и, при необходимости, катушек на этом сердечнике-перемычке.
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР
Конкретные частные примеры магнитной системы электрического генератора, описываемого в пункте 1 формулы изобретения, с торца в статике изображены на Фиг. 1 и Фиг. 2.
ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1. На Фиг. 1 с торца изображена магнитная система электрического генератора постоянного электрического тока, состоящая из магнитомягкого сердечника статора 1 с двумя или более чем двумя 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. При этом рассматриваемый генератор дополнительно содержит внешний сердечник 6 в виде перемычки (сердечника-перемычки) с двумя зазорами 7 и 8 на ее противоположных концах, отделяющими ее от магнитомягкого сердечника статора 1, для осуществления вращения этой перемычки в зависимости от вращения ротора, предназначенной для отвода в эту перемычку, минуя ротор, части или практически всего магнитного поля сердечника статора, создаваемого в сердечнике статора тангенциальной обмоткой 2. Линии 9 и 10 являются силовыми линиями соответственно сердечников ротора 11 и статора 1. В этом случае силовые линии 10 магнитного поля сердечника статора 1 при малых зазорах 7 и 8 между сердечниками перемычки и статора практически не будут пронизывать сердечник двухполюсного ротора 11 и потому при его вращении не будут оказывать существенного тормозного влияния на ротор.
Пример 2. На Фиг. 2 с торца изображена магнитная система электрического генератора переменного электрического тока, состоящая из магнитомягкого сердечника статора 12 с внешним сердечником-перемычкой 13, окружающей сердечник статора и соединяющейся с ним на его противоположных частях, и тангенциальными, последовательно соединенными между собой, двумя равновеликими катушками 14 и 15 обмотки статора, их электрическими выводами 16 и 17 (контактами) для соединения посредством управляющего устройства (не показанного) с внешней двухпроводной сетью. В этом случае силовые линии 18 магнитного поля сердечника статора 12 из-за наличия зазора между сердечниками ротора и статора практически не будут пронизывать сердечник двухполюсного ротора 19 и потому при его вращении не будут оказывать существенного тормозного влияния на ротор. Данная схема допускает также и встречное соединение тангенциальных катушек 14 и 15 аналогично п. 4 (Фиг. 4) формулы изобретения указанного выше патента.
В данной электрической машине сердечник ротора может быть постоянным магнитом, или электромагнитом, или с поверхностным расположением постоянных магнитов (прикрепленных к немагнитной основе ротора), или из магнитомягкой стали, в расточки которой вложены постоянные магниты таким образом, чтобы сердечник ротора в целом представлял собой постоянный магнит и т.д.
Конкретные частные примеры работают следующим образом.
В примере 1 (Фиг. 1) электрическая машина является электрическим генератором постоянного электрического тока. Если ротор 11 этой электрической машины будет приведен во вращение внешним устройством, то на двух стационарных электрических контактах 4 и 5 обмоток статора 2, соединенных с внешней электрической сетью посредством управляющего устройства, появится переменное электрическое напряжение, которое можно использовать для получения постоянного электрического тока во внешней электрической сети. Последнее является следствием индуктивно наведенного ротором электрического тока в указанных катушках обмотки статора, обеспечивающим получение технического результата - электрического тока во внешней двухпроводной сети.
В примере 2 (см. Фиг. 2) рассматриваемая электрическая машина является электрическим генератором переменного электрического тока. Если ротор 19 этой электрической машины будет приведен во вращение внешним устройством, то на двух стационарных электрических контактах 16 и 17 обмоток статора 14 и 15 появится переменное электрическое напряжение, которое (посредством управляющего устройства) можно использовать для получения переменного электрического тока во внешней электрической сети. Последнее является следствием индуктивно наведенного переменного электрического тока (при вращении ротора) в указанных двух катушках обмотки статора, обеспечивающим получение технического результата - переменного электрического тока во внешней двухпроводной сети.
Итак, в рассмотренных двух примерах указаны два вида сердечника в виде перемычки (находящейся во внешней части сердечника статора): вращающейся вместе с ротором или невращающейся; в первом случае необходим зазор в двух противоположных частях сердечника статора между сердечником статора и этой перемычкой, окружающей сердечник статора; во втором случае соответственно зазор может отсутствовать. Таким образом, введенная здесь новая конструктивная часть электрической машины в виде сердечника-перемычки открывает дорогу к созданию высокоэффективных электрических генераторов постоянного и переменного электрического тока.
Аналогично, электрический генератор переменного электрического тока с выводами 30 и 31 или 32 и 33 (там же Фиг. 4) можно изменить, добавив внутренний сердечник-перемычку, находящуюся в расточке сердечника статора, соединяющуюся с ним в районе выводов 30 и 31 и отделяющую одну катушку от другой. В этом случае сердечник статора вместе с сердечником-перемычкой будет тэта-образным, а внешне - круглым. Это устройство вместо внутреннего ротора имеет внешний ротор, который может представлять собой двухполюсный ротор, с внешней стороны которого находится сердечник внешнего ротора (окружающего сердечник статора) с прикрепленными внутри к нему постоянными магнитами или электромагнитами. При вращении внешнего ротора его магнитное поле будет проходить по сердечнику статора, индуцируя электрический ток в статорных катушках. В результате торможение вращения внешнего ротора (мизерным внешним статорным магнитным полем - оно практически все проходит через внутренний сердечник-перемычку) резко уменьшится, а КПД этого генератора резко возрастет. Таким образом, данное устройство отличается от устройства, изображенного на Фиг. 4 (там же), внешним двухполюсным ротором, внутренним сердечником-перемычкой и, при необходимости, катушек на этом сердечнике-перемычке.
Аналогично, электрический генератор постоянного электрического тока с выводами 4 и 5 (там же Фиг. 1) можно изменить, добавив, во-первых, внутренний сердечник-перемычку (находящуюся в расточке сердечника статора) с зазором между ней и сердечником статора (вращающуюся вместе с внешним ротором) и, во-вторых, внешний ротор, описанный в предыдущем абзаце.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
К настоящему моменту изготовлен экспериментальный образец электрической машины, который можно использовать в качестве электрического генератора. Современный технологический уровень позволяет создать серийное производство электрических машин нового уровня малой, средней и большой мощности.
Электрическая машина в виде электрического генератора постоянного или переменного электрического тока, содержащая ротор, статор с катушками обмотки статора и управляющее устройство, отличающаяся тем, что содержит двухполюсный ротор с внутренним или внешним расположением по отношению к статору, а статор имеет магнитомягкий сердечник и дополнительно соответственно с внешним, окружающим статор, или внутренним, находящимся в расточке статора, сердечником в виде перемычки; эта перемычка выполнена либо с зазорами в двух противоположных частях сердечника статора, отделяющими ее от сердечника статора, для осуществления вращения этой перемычки в зависимости от вращения ротора либо без зазора и без ее вращения; она предназначена для отвода в эту перемычку, минуя ротор, части или всего магнитного поля сердечника статора, создаваемого в этом сердечнике катушками обмотки статора; катушки обмотки статора представляют собой систему с не менее чем двумя тангенциальными катушками, последовательно и/или встречно соединенными, каждая из которых имеет электрические выводы, причем управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами соответствующих катушек с обеспечением управления подачи электрического тока в соответствующие катушки обмотки статора и реализации во времени заданного магнитного поля статора в электрической машине, в том числе вращающегося в зависимости от пространственного положения ротора, совершающего вращательное движение; ротор с внешним расположением по отношению к статору представляет собой двухполюсный ротор, сердечник которого окружает сердечник статора, с прикрепленными внутри к сердечнику ротора постоянными магнитами и/или электромагнитами.
