Новая электрическая машина

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.

РЕШАЕМАЯ ИЗОБРЕТЕНИЕМ ЗАДАЧА

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, целью и 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 выдаёт в сеть постоянный электрический ток (или наоборот).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА

Указанная цель достигается с помощью системы тангенциально и/или радиально расположенных катушек обмотки статора и управляющего устройства, с помощью которого осуществляется цепное управление подачи электрического тока в соответствующие катушки этой системы с целью реализации во времени заданного магнитного поля в электрической машине, в том числе вращающегося или возвратно - поступательного магнитного поля статора в зависимости от пространственного положения ротора, совершающего соответственно 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. Под 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 обмоток 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.

О новизне устройства. С помощью управляющего устройства при достаточном числе катушек обмотки статора можно осуществлять заданное изменение магнитного поля статора, в том числе вращение магнитного поля статора, и принудить намагниченный сердечник ротора совершать заданное движение, например, вращение вокруг своей оси. В частности, вращение магнитного поля статора может осуществляться в зависимости от вращения ротора.

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 не симметрия 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.

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, состоящая из двухполюсного или короткозамкнутого или магнитомягкого (с параллельно отсечёнными двумя сегментами) сердечника ротора, а также магнитомягкого сердечника статора с тангенциальными и/или радиальными, последовательно соединёнными между собой, катушками обмотки статора, их электрическими контактами, которые с целью реализации во времени заданного магнитного поля статора, в том числе вращающегося в зависимости от положения ротора, соединяются с соответствующими электрическими контактами управляющего устройства;

2. электрического генератора постоянного электрического тока, состоящая из косого двухполюсного ротора и магнитомягкого сердечника статора с тангенциальными и/или радиальными, последовательно соединёнными между собой, катушками обмотки статора, их электрическими контактами, которые, с целью реализации вращающегося магнитного поля статора в зависимости от положения ротора, соединяются с соответствующими электрическими контактами управляющего устройства;

3. электрического генератора переменного электрического тока, состоящая из двухполюсного ротора и магнитомягкого сердечника статора с двумя тангенциальными, последовательно или встречно соединёнными между собой, катушками обмотки статора, их электрическими контактами (в электрическую сеть), расположенными в противоположных частях обмотки статора (в случае указанного последовательного соединения) или рядом (в случае указанного встречного соединения).

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 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 контактами катушек обмотки статора и/или ротора.

Аналогично, с помощью более сложно устроенного управляющего устройства число таких одновременно действующих электрических контактов, 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 на 1-4 страницах новой, дополнительной к настоящей, серии, причём каждая Фигура располагается на отдельном листе. Подробнее они описаны в следующем материале.

ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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 контактами 3, 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.

Замечание 1. В данной электрической машине сердечник ротора 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 в целом представлял собою постоянный магнит и т. д. Здесь ротор относительно статора установлен таким образом, чтобы в номинальном состоянии ротор обладал бы максимальным механическим моментом. Поскольку тангенциальные катушки обмотки статора, расположенные вблизи электрических контактов 4 и 5, оказывают малый вклад в магнитное поле статора (взаимодействующего с ротором), 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.

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 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.

Замечание 2. В данной электрической машине сердечник ротора 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 в целом представлял собою постоянный магнит и т. д. Здесь ротор относительно статора установлен таким образом, чтобы в рабочем состоянии ротор 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.

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 контактами 20, которые соединяются с соответствующими электрическими контактами управляющего устройства (не показанного), которое, в свою очередь, в каждый момент времени направляет индукционный электрический ток, возникающий в статорных катушках, на электрические контакты 21 и 22 внешней сети. Внутренняя часть ротора 23 выполнена из немагнитного материала. Линии 24 и 25 являются магнитными силовыми линиями соответственно статора и ротора.

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, а ротор с не магнитным материалом в полости цилиндра, на котором этот двухполюсник располагается, назовём косым двухполюсным ротором.

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 контактами 30 и 31 (или 32 и 33) в электрическую сеть, соответственно расположенными либо в противоположных частях обмотки статора (в случае последовательного соединения двух катушек обмотки статора), либо рядом (в случае встречного соединения двух катушек обмотки статора в отсутствие пунктирного соединения этих катушек). В этом примере силовые линии 34 магнитного поля статора не вращаются; вращаются вместе с ротором 26 силовые линии 35 магнитного поля двухполюсного ротора, индуктивно наводящие в двух катушках обмотки статора переменный электрический ток для внешней цепи.

Date: 2015-07-24; view: 377; Нарушение авторских прав