Электрическая машина

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, трёхфазные, кондесаторные, 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 параллельно соединенными катушками (фазами) и с тиристорной (управляемой) схемой подачи тока на катушки обмотки статора.

Принцип работы фазных (в том числе, вентильных) машин идейно прост: сначала закачивается максимальный электрический ток в первую фазу (катушку или систему катушек), вследствие чего ротор поворачивается на некоторый угол. Затем, аналогично, закачивается максимальный электрический ток во вторую фазу (катушку или систему катушек). Ротор снова поворачивается на некоторый угол и т.д. Разумеется, электрический ток в предыдущих (предыдущей) фазах - катушках обязательно должен измениться, например, уменьшиться, иначе ротор перестанет поворачиваться. Таким образом, такая конструкция работоспособна, но не оптимальна: не все катушки 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).

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описываемое изобретение направлено на создание высокоэффективного, удобного в эксплуатации, экологически чистого, с высокими 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, 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 выдаёт 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, последовательно и/или встречно соединённых радиальных и/или тангенциальных катушек, каждая из которых имеет электрические выводы, а управляющее устройство выполнено с возможностью соединения своими электрическими контактами с электрическими выводами соответствующих катушек с обеспечением цепного управления подачи электрического тока в соответствующие катушки обмотки статора и реализации во времени заданного магнитного поля статора в электрической машине, в том числе вращающегося или возвратно - поступательного в зависимости от пространственного положения и магнитного состояния ротора, совершающего вращательное или возвратно – поступательное движения.

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 соединённых между собою катушек обмотки статора, в том числе посредством управляющего устройства.

Определение 2. Цепным управлением будем называть такое управление с помощью управляющего устройства, при котором к сформированной к текущему моменту некоторой цепи, имеющей в своём составе более одной последовательно и/или встречно соединённых между собой катушек обмотки статора с электрическим током заданного направления, подключается: 1) одна или несколько радиальных катушек обмотки статора, или 2) при необходимости, одна или несколько тангенциальных катушек обмотки статора, или 3) при необходимости, две или несколько тангенциальных и радиальных катушек обмотки статора, 4) с возможным отключением от этой цепи другой или других катушек обмотки статора. 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 её с помощью управляющего устройства, от указанной выше цепи. Вышеназванное определение цепного управления относится к свойствам управляющего устройства, которое здесь не рассматривается и которое может быть сделано с этим свойством 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 и магнитного состояния ротора, совершающего вращательное (см. там же, с. 313 - 314) или возвратно – поступательное движения. 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. 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 счёт 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 за счёт того, что длина статорной магнитной линии (возбуждённой ротором в сердечнике статора) больше длины роторной магнитной линии (возбуждённой статором в сердечнике ротора). При использовании устройства в качестве электрического генератора осуществляется существенное относительное увеличение индукции в обмотке статора, например, за счёт использования косого двухполюсного ротора, 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, назовём электромотор – 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 протяжённое магнитное поле статора по сравнению с магнитным полем статора, например, коллекторной, бесколлекторной и вентильной машин.

Указанная новизна устройства способствует существенному увеличению удельной мощности и КПД электрической машины, её широкому применению в народном хозяйстве.

В конкретных частных случаях (которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объём 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 отсечёнными двумя сегментами, сердечник, а статор содержит магнитомягкий сердечник и тангенциальные и/или радиальные, последовательно соединённые 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 косой двухполюсный ротор, а статор содержит тангенциальные и/или радиальные, последовательно соединённые 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, последовательно или встречно соединённые, равновеликие тангенциальные катушки обмотки статора, а также их электрические выводы для соединения с внешней электрической двухпроводной сетью, 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 подачи электрического тока в обмотки статора и/или обмотки ротора с целью реализации заданного, в том числе вращающегося, магнитного поля статора и/или заданного магнитного состояния ротора.

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 (подсоединённая к двум электрическим контактам управляющего устройства) в каждый момент времени оказывается соединённой, например, в двух диаметрально расположенных местах обмотки статора (с последовательно соединёнными 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, многополюсником, в частности косым двухполюсником, а также выполненным: с несколькими короткозамкнутыми витками (короткозамкнутый ротор) или из магнитомягкой стали с отсечёнными 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.

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 соединёнными 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 соединёнными 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, косым двухполюсником, а также выполненным: с несколькими короткозамкнутыми витками (короткозамкнутый ротор) или из магнитомягкой стали с отсечёнными 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 её 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 соединёнными 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 соединёнными 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, косым двухполюсником, а также выполненным: с несколькими короткозамкнутыми витками (короткозамкнутый ротор) или из магнитомягкой стали с отсечёнными 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 её 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 косого двухполюсного ротора 17 и магнитомягкого сердечника статора 18 с тангенциальными, последовательно соединёнными 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.

Определение 5. Изображённый на Фиг. 3 двухполюсник, состоящий из полого цилиндра с расположенными в нём двумя равновеликими магнитами с косым, например радиальным, направлением магнитного поля, будем называть косым двухполюсником. Таким образом, ротор 17 с немагнитным материалом в полости цилиндра, на котором располагаются указанные выше косые магниты, назовём косым двухполюсным ротором или кратко косым двухполюсником.

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 соединёнными между собой катушками 28 и 29 обмотки статора, двумя их стационарными электрическими выводами – контактами 30 и 31 (или 32 и 33) в электрическую сеть, 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 для внешней цепи.

Также возможны варианты выполнения электрической машины с возвратно-поступательным перемещением ротора и, соответственно, 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 цепного управления 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.