Устройство синхронного двигателя-генератора
Изобретение относится к области использования трехфазных синхронных машин для выработки электроэнергии. Устройство состоит из расположенных на одном валу трехфазного синхронного двигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены с возбуждением от постоянных магнитов. Ротор и статор двигателя и генератора имеют явно выраженные полюса. Обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора. В двигателе и генераторе размеры полюсов статора вдоль внутренней окружности статора составляют 60 электрических градусов, а размеры полюсов ротора вдоль наружной окружности ротора - 120 электрических градусов. Постоянные магниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора между его полюсами. В центре полюсов ротора генератора находятся плоские компенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих через ось генератора. Технический результат изобретения заключается в повышении экономичности выработки электроэнергии. 4 ил.
Изобретение связано с использованием трехфазных синхронных машин специальной конструкции с возбуждением от постоянных магнитов НО 2 К 21/27.
В настоящее время широко известны конструкции трехфазных синхронных машин (двигателей и генераторов), в том числе и с возбуждением от постоянных магнитов.
Конструкции таких синхронных машин описаны, например, в книге М.М.Кацмана “Электрические машины и трансформаторы”, часть II, Москва, издательство “Высшая школа”, 1976 г.
Описание конструкции синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов могут быть приняты за прототип синхронных машин, предлагаемых в настоящем изобретении.
Недостатком существующих синхронных машин является то, что магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами полюсов ротора, пересекает проводники обмотки статора, располагаемые в пазах внутренней поверхности статора. При этом генерируемая электрическая мощность в генераторе равна требуемой механической мощности, подводимой к ротору генератора (без учета потерь энергии в статоре и механических потерь энергии в роторе).
Точно также механическая мощность, развиваемая двигателем, равна мощности, потребляемой двигателем от источника питания (без учета потерь энергии).
В связи с изложенным эффективность существующих синхронных машин, принятых за прототипы, всегда меньше единицы.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, состоит в создании трехфазных электрических машин (двигателя и генератора) с эффективностью, большей единицы, объединяемых на одном валу в агрегат, позволяющий обеспечить выработку электроэнергии без затрат каких-либо энергоносителей.
Устройство синхронного двигателя-генератора (СДГ) состоит из трехфазного синхронного двигателя (ТСД) и трехфазного синхронного генератора (ТСГ), находящихся на одном валу, помещенных в общий корпус.
Двигатель и генератор выполнены с явно выраженными полюсами статора и ротора, с обмотками статора (ОС), намотанными “вокруг” полюсов статора.
Статор, состоящий из полюсов статора (ПС) и “спинки” статора (СС), выполнен из листовой электротехнической стали.
Ротор, состоящий из полюсов ротора (ПР) и спинки ротора (СР), выполнен из монолитной электротехнической стали.
В спинке ротора размещены постоянные магниты возбуждения (ПМВ).
В центре полюсов ротора генератора дополнительно размещены плоские небольшой толщины компенсационные постоянные магниты (ПМК), располагаемые в плоскости, содержащей ось генератора.
Особенностью конструкции двигателей ТСД является малая толщина постоянных магнитов возбуждения (2hПМП).
Длина полюсов статора вдоль внутренней поверхности статора (lПС) составляет 60 “электрических” градусов; длина полюсов ротора вдоль наружной поверхности ротора (lПР) составляет 120 “электрических” градусов.
Число полюсов статора (mC) кратно трем и равно mC=3Р, где Р - число пар полюсов в машине. Число полюсов ротора (mP) равно: mP=2P.
Все части магнитопроводов двигателя и генератора являются “ненасыщенными”, что позволяет учитывать магнитное сопротивление только постоянных магнитов и воздушных зазоров.
Схематические поперечные сечения ТСД и ТСГ приведены на фиг.1 и 2 соответственно.
При подаче на обмотки статора синхронного двигателя трехфазного напряжения в двигателе при вращении ротора с синхронной скоростью образуется вращающееся магнитное поле статора. Величина магнитного потока статора ФC определяется намагничивающей силой обмоток статора iWOC и величиной магнитного сопротивления воздушного зазора (RMδ ) и постоянного магнита возбуждения (RМПМВ)
где i - эффективное значение тока в ОС [А],
WOC - число витков ОС
hПМВ - толщина постоянного магнита возбуждения, приходящаяся на один полюс [м],
SПС - поперечное сечение полюса статора [м2],
δ - толщина воздушного зазора [м].
Постоянные магниты возбуждения (ПМВ) полюсов ротора создают в полюсах статора магнитный поток ротора ФР, равный
где 
В0 - остаточная величина индукции ПМВ [Тл].
Суммарный поток в полюсах статора равен геометрической сумме потоков 
.
Развиваемый двигателем крутящий момент равен:
где θ - угол между осями потоков 
в электрических градусах,
k - коэффициент, зависящий от параметров двигателя.
Благодаря низкому значению величины RМΣ величина 
достаточна велика при незначительной величине тока в обмотке статора и, следовательно, при малой величине мощности, потребляемой от источника питания.
Этим обеспечивается повышенная эффективность ТСД.
Мощность, генерируемая в генераторе WГ, равна:
где mC - число полюсов статора,
- напряжение на обмотке статора,
- эффективное значение ЭДС, генерируемой в ОС,
ФC=Вδ РОТ·SПС [Вб] - величина магнитного потока ротора в полюсе статора,
- индукция, создаваемая ПМВ в воздушном зазоре.
Благодаря компенсации намагничивающих сил, создаваемых токами обмоток статора с помощью компенсационных постоянных магнитов, величина магнитного потока статора ФС мала, а следовательно, тормозной момент в генераторе определяется, главным образом, потерями холостого хода, что обеспечивает повышенную эффективность генератора. Компенсация НМС, создаваемых токами в ОС, проиллюстрирована на фиг.3, где показаны на линейных “развертках” полюсов ротора и статора пути магнитных потоков от постоянных магнитов возбуждения (ПМВ) и от действия НМС токов статора (iОС) при отсутствии компенсационных постоянных магнитов (ПМК) при различных положениях полюсов ротора относительно полюсов статора.
Пути магнитных потоков ротора показаны сплошными линиями; пути магнитных потоков “статора” - пунктирными линиями. Стрелками V показано направление движения полюсов ротора. Стрелками “е” показаны направления действия НМС в полюсах статора, создаваемых токами в обмотках статора.
На фиг.1 представлено схематическое поперечное сечение ТСД с числом пар полюсов Р=4.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - “спинка” статора (СС)
2 - полюса статора (ПС)
3 - обмотки статора (ОС)
4 - полюса ротора (ПР)
5 - “спинка” ротора (СР)
6 - постоянные магниты возбуждения (ПМВ)
Стрелками показаны направления НМС ПМВ.
На фиг.2 представлено схематическое поперечное сечение ТСГ с числом пар полюсов Р=4.
На фиг.2 приняты следующие обозначения:
1 - “спинка” статора (СС)
2 - полюса статора (ПС)
3 - обмотки статора (ОС)
4 - полюса ротора (ПР)
5 - “спинка” ротора (СР)
6 - постоянные магниты возбуждения (ПМВ)
7 - постоянные магниты компенсационные (ПМК)
Стрелками показаны направления НМС ПМВ и ПМК.
На фиг.3 представлена линейная “развертка” полюсов ротора и статора и пути магнитных потоков ротора и статора при различных положениях полюсов ротора относительно полюсов статора.
Стрелками показаны направления магнитных потоков и НМС ПМВ и ПМК.
На фиг.4 показана структурная схема автономной электростанции (АЭС).
На фиг.4 приняты следующие обозначения:
Д - двигатель
Г - генератор
АИ - автономный инвертор
АБ - аккумуляторная батарея
МПР-У - микропроцессор управления
ЗУ - зарядное устройство
Синхронный двигатель генератор (СДГ) предназначен для использования в составе автономной электростанции (АЭС) для питания потребителей трехфазного или однофазного переменного тока или для питания потребителей постоянного тока (после выпрямления).
Структурная схема АЭС приведена на фиг.4. Первоначальный пуск двигателя (Д) и поддержание необходимой скорости производится при питании его от аккумуляторной батареи (АБ) с помощью трехфазного автономного инвертора (АИ) при соответствующем регулировании частоты и напряжения трехфазного напряжения, подаваемого на обмотки двигателя.
В процессе работы СДГ аккумуляторная батарея поддерживается в полностью заряженном состоянии с помощью зарядного устройства (ЗУ).
Процесс изготовления СДГ практически ничем не отличается по технологии и применяемым материалам от изготовления серийных синхронных машин с постоянными магнитами и может быть реализован на обычных электромашиностроительных предприятиях.
В СДГ могут быть использованы широко применяемые в электромашиностроении постоянные магниты из NdFeB с остаточной индукцией В0=1,2 Тл, коэрцитивной силой НС=12 кЭ и намагниченностью J=955000 A/M.
Устройство синхронного двигателя-генератора, состоящее из расположенных на одном валу трехфазного синхронного двигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены с возбуждением от постоянных магнитов, отличающееся тем, что ротор и статор двигателя и генератора имеют явно выраженные полюса, обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора, в двигателе и генераторе размеры полюсов статора вдоль внутренней окружности статора составляют 60 электрических градусов, а размеры полюсов ротора вдоль наружной окружности ротора составляют 120 электрических градусов, постоянные магниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора между его полюсами, в центре полюсов ротора генератора находятся плоские компенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих через ось генератора.
