Электрическая машина (варианты)
Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, которые могут быть использованы в качестве двигателей и/или генераторов переменного или постоянного тока в промышленности и быту. Технический результат состоит в повышении экономии и/или повышении производства электро- и механической энергии при одновременном использовании электрической машины в качестве электродвигателя и генератора. Электрическая машина содержит корпус, источник питания, якорь, закрепленный на валу и имеющий коллектор и электрические щетки, два магнитных индуктора с коллекторами, закрепленные на своих валах, причем магнитные индукторы расположены со стороны торцов якоря оппозитно друг другу. Машина по второму варианту содержит корпус, источник питания, расположенный на валу внутренний магнитный индуктор с коллектором, закрепленный на валу якорь, имеющий коллектор и электрические щетки и окружающий внутренний магнитный индуктор, а также дополнительный внешний магнитный индуктор с коллектором, расположенный с внешней стороны якоря коаксиально с якорем и внутренним магнитным индуктором. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, которые могут быть использованы в качестве двигателей и/или генераторов переменного или постоянного тока в промышленности и быту.
Известны генераторы электрического тока, дающие возможность производить электроэнергию при определенных условиях, а именно, генератор должен содержать статор, ротор, в пазах которых производится намотка и укладка соответствующего числа и определенной формы роторных и статорных обмоточных витков провода соответствующего сечения (RU 2112308).
Недостатком таких генераторов являются низкие физико-технические и механические показатели.
Известен электропривод, содержащий корпус с крышкой, электромотор, содержащий магнитопроводящий ротор, редуктор, закрепленный на валу электромотора и через высокоскоростные подшипники редуктора передающий вращение на выходной вал, выполнен планетарно-циклоидным, магнитопроводящий ротор выполнен в виде пружины, сваренной в общую конструкцию, образующую тор, магнитопривод электромотора имеет по всей боковой периферии круговые пазы, повторяющие круговой профиль витков пружины, и выполняет функцию неподвижного колеса ПЦР, функцию подвижного колеса которого выполняет постоянный магнит с круговыми пазами, повторяющими круговой профиль витков пружины, рабочий магнитный поток передается от статора на постоянный магнит выходного вала через контакт магнитопроводящего зацепления статора и ротора (RU 2206805 С2, 20.06.2003).
Недостатком данной конструкции является сложность изготовления.
Известен электромагнитный преобразователь, содержащий источник питания, якорь с коллектором и электрическими щетками, закрепленный на валу, окружающий его магнитный индуктор с коллектором, расположенный на валу (RU 2083051 С1, 27.06.1997).
Недостатками этой конструкции являются малые выходные параметры машины при громоздкости и сложности конструкции.
Технический результат, достигаемый в заявленных изобретениях, заключается в максимальной экономии и/или в максимальном производстве электроэнергии и/или механической энергии в процессе работы электрооборудования при одновременном использования электрической машины как генератора и как электродвигателя, а также простота и доступность изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая машина по первому варианту содержит корпус, источник питания, якорь, закрепленный на валу и имеющий коллектор и электрические щетки, два магнитных индуктора с коллекторами, закрепленные на своих валах, причем магнитные индукторы расположены со стороны торцов якоря оппозитно друг другу.
Электрическая машина может содержать дифференциал с механизмом блокировки, расположенный внутри якоря, где шестерни закреплены на валах магнитных индукторов, а сателлиты закреплены на валу корпуса дифференциала.
В электрической машине якорь может являться статором, а два магнитных индуктора - роторами.
Кроме того, в электрической машине два магнитных индуктора могут быть статорами, а якорь - ротором.
Кроме того, в электрической машине один из магнитных индукторов может быть статором, а второй магнитный индуктор и якорь - роторами.
Кроме того, в электрической машине якорь и магнитные индукторы могут быть роторами, а корпус - статором.
В электрической машине магнитные индукторы могут быть выполнены подковообразной формы, причем так, что противоположные якорю полюса одного из магнитных индукторов направлены к противоположным якорю полюсам другого магнитного индуктора.
Электрическая машина может содержать два дополнительных якоря с коллекторами, расположенных с торцов магнитных индукторов и являющихся статорами или роторами.
Электрическая машина может содержать дополнительный магнитный индуктор или дополнительный якорь, являющиеся статором или ротором и расположенные между противоположными основному якорю полюсами подковообразных магнитных индукторов.
В электрической машине магнитные индукторы могут также представлять собой одну и более пар разнополюсных электромагнитов, каждый из которых состоит из сердечника, имеющего две и более индукционные катушки, подключаемые к источнику и/или потребителю электрического тока независимо друг от друга.
Электрическая машина дополнительно содержит потребители механической энергии, подключаемые к валам якорей и/или магнитных индукторов.
В электрической машине якоря могут быть выполнены как из проводников электрического тока, так и из постоянных магнитов.
По второму варианту электрическая машина содержит корпус, источник питания, расположенный на валу внутренний магнитный индуктор с коллектором, закрепленный на валу якорь, имеющий коллектор и электрические щетки и окружающий внутренний магнитный индуктор, а также дополнительный внешний магнитный индуктор с коллектором, расположенный с внешней стороны якоря коаксиально с якорем и внутренним магнитным индуктором.
Электрическая машина может содержать планетарную передачу, где центральная шестерня закреплена на валу внутреннего магнитного индуктора, сателлиты закреплены на валу якоря, а внешняя шестерня закреплена на внешнем магнитном индукторе.
В электрической машине один из магнитных индукторов является статором, а второй магнитный индуктор и якорь - роторами.
Кроме того, в электрической машине внутренний и внешний магнитные индукторы могут являться роторами, а якорь - статором.
Кроме того, в электрической машине внутренний и внешний магнитные индукторы могут быть статорами, а якорь - ротором.
Кроме того, в электрической машине якорь и магнитные индукторы могут являться роторами, а корпус - статором.
Электрическая машина может содержать один или два дополнительных якоря с коллекторами, расположенные коаксиально внутри и/или снаружи магнитных индукторов, причем дополнительные якоря являются роторами или статорами. В данном случае один из дополнительных якорей окружает внешний магнитный индуктор, а второй дополнительный якорь располагается внутри внутреннего магнитного индуктора.
В электрической машине магнитные индукторы представляют собой одну и более пар разнополюсных электромагнитов, каждый из которых состоит из сердечника, имеющего две и более индукционные катушки, подключаемые к источнику и/или потребителю электрического тока независимо друг от друга.
В электрической машине магнитные индукторы могут быть выполнены подковообразной формы, причем таким образом, что противоположные от якоря полюса одного из магнитных индукторов направлены к противоположным от якоря полюсам другого магнитного индуктора.
Электрическая машина может содержать дополнительный магнитный индуктор или дополнительный якорь, являющиеся статором или ротором и расположенные между противоположными от якоря полюсами подковообразных магнитных индукторов.
В электрической машине якоря могут быть выполнены как из проводников электрического тока, так и из постоянных магнитов.
В электрической машине по второму варианту выводы якорей в коллекторы выполнены разной длины, а машина содержит дополнительные электрические щетки, подключаемые к источнику питания независимо друг от друга, скользящие по выводам, при этом щетки расположены на расстоянии, соответствующем длине выводов и радиально под соответствующим углом относительно якорей.
Электрическая машина дополнительно содержит потребители механической энергии, подключаемые к валам якорей и/или магнитных индукторов.
Электрическая машина имеет блок управления электрическим током на якорях и магнитных индукторах.
Индуктор и якоря могут иметь возможность вращения друг относительно друга с обеспечением прохождения электрической энергии через проводники для обеспечения высокого выхода электрической и/или механической энергии.
Дополнение электрической машины вторым магнитным индуктором позволяет в несколько раз увеличить ее производительность.
Дополнение электрической машины дополнительными якорями позволяет увеличить крутящий момент по сравнению с обычным электродвигателем.
Физический принцип действия любой электрической машины основан на явлении возникновения ЭДС индукции в рамке из проводника (или якоре) при вращении ее в электромагнитном поле, которое создается с помощью магнитного индуктора (разнополюсный магнит). При подключении к щеткам постоянного напряжения возникает электрический ток в обмотке якоря и на провода обмотки со стороны магнитного поля действует сила Ампера. В проводах обмотки, расположенных на противоположных сторонах якоря, направления сил Ампера противоположны друг другу, и под действием этих сил якорь приходит во вращение. Так как электрическое поле образуется вокруг якоря, то включение в конструкцию электрической машины дополнительного магнитного индуктора, окружающего наружную (свободную) поверхность якоря, позволяет задействовать электрическое поле, образующееся на свободной поверхности якоря. В то время, как в известных электрических машинах (электродвигателях, генераторах) энергия электромагнитного поля наружной стороны якоря выделяется в окружающую среду в виде тепла (при работе происходит нагрев корпуса известных электродвигателей), то в заявленной электрической машине данная энергия преобразуется в полезную. Таким образом, при работе заявленной электрической машины задействована полностью возникающая ЭДС индукции и не происходит бесполезного выделения энергии в окружающую среду. На вращение дополнительного магнитного индуктора дополнительной энергии не затрачивается, а используется та энергия, которая в известных электрических машинах тратится, как говорилось выше, на бесполезный нагрев их корпуса.
Включение в конструкцию электрической машины дополнительного магнитного индуктора вовсе не усложняет устройство, так как для его изготовления не требуется дополнительных мощностей, а используется уже имеющееся оборудование, и достигаемый при работе получаемого устройства технический результат во много раз превосходит те малые затраты, которые идут на его изготовление, а именно, малая себестоимость заявленных устройств и получаемые высокие выходные параметры машины.
При включении в работу заявленные варианты электрической машины потребляют мощность, такую же, как и известные электрические машины, но выходная мощность в заявленной электромашине будет примерно в два раза больше, чем в известных, так как задействованы два электромагнитных поля, то есть сумма энергий, получаемых с помощью электромагнитного поля между первым индуктором и якорем и с помощью электромагнитного поля между вторым индуктором и якорем. Данное явление позволяет увеличить (или достичь максимума) выходную энергию, механическую (при использовании электрической машины в качестве электродвигателя) или электрическую (при использовании в качестве генератора) в зависимости от назначения машины.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена схема электрической машины по первому варианту с магнитными индукторами в виде нескольких пар сердечников, на фиг.2 - вариант машины по первому варианту с дифференциалом, на фиг.3 - схематичное изображение электрической машины по первому варианту с подковообразными магнитными индукторами и дополнительным магнитным индуктором, на фиг.4 - вариант электрической машины по первому варианту с двумя дополнительными якорями, на фиг.5 - схема электрической машины по второму варианту с планетарной передачей (вид сверху), на фиг.6 - электрическая схема машины по второму варианту с подковообразными магнитными индукторами и дополнительным магнитным индуктором (вид сверху), на фиг.7 - вариант выполнения сердечника магнитного индуктора, на фиг.8 показано расположение электрических щеток относительно выводов якорей в коллектор для второго варианта машины - вид сбоку.
На чертежах устройство показано со снятым корпусом.
Устройство содержит источник питания, якорь 1, закрепленный на своем валу, магнитные индукторы 2 и 3, с помощью которых создается магнитное поле. По первому варианту магнитные индукторы расположены со стороны торцов якоря 1. Каждый магнитный индуктор представляет собой одну и более пар сердечников 4 в виде разнополюсного электромагнита с индукционными катушками 5 (фиг.2 и 7). Каждый индуктор закреплен на своем валу. Индуктор может содержать разное количество индукционных катушек 5 (см. фиг.2) различной формы и конфигурации, разного размера, обмотка катушек индуктивности может иметь различное количество витков и может быть выполнена из проводника разного диаметра и материала. Данные параметры индуктора варьируются в зависимости от получения желаемых выходных параметров электрической машины (выходная мощность, сопротивление, сила тока и т.п.). Обмотки индукционных катушек подключены к источникам питания и/или к источникам потребления энергии.
Электрическая машина может использоваться как двигатель (постоянного или переменного тока) и/или генератор переменного или постоянного тока.
На фиг.2 электрическая машина содержит дифференциал с механизмом блокировки, в корпусе 6 которого расположены шестерни 7, закрепленные на валах магнитных индукторов 2 и 3, и сателлиты 8, закрепленные на валу корпуса дифференциала.
Включение в конструкцию электрической машины дифференциала позволяет установить необходимое соотношение скоростей вращения якоря и магнитных индукторов.
Механизм блокировки дифференциала позволяет плавно блокировать или затормаживать вращение выходного вала относительно корпуса дифференциала либо вращение корпуса дифференциала относительно корпуса якоря или корпуса электрической машины, что позволяет вращение выходных валов осуществлять в различных направлениях.
На фиг.3 показана электрическая машина по первому варианту с магнитными индукторами 2 и 3 подковообразной формы. Между противоположными от якоря 1 полюсами разных подковообразных магнитных индукторов расположен дополнительный магнитный индуктор 9. В данной конструкции может использоваться дополнительный якорь вместо дополнительного магнитного индуктора.
Магнитный индуктор имеет сердечник 4 в виде разнополюсного электромагнита, на котором расположены индукционные катушки 5, имеющие выводы 10 (см. фиг.7) на кольца коллектора (на чертеже не показано) магнитного индуктора, соединенные с источниками питания и/или источниками потребления. Количество индукционных катушек может быть разным (две и более), количество витков катушек и толщина проводника могут быть как одинаковыми у всех катушек, так и разными в любой комбинации.
Такая конструкция электрической машины, как на фиг.3, позволяет задействовать магнитное поле, образующееся на внешних полюсах магнитных индукторов 2 и 3.
На фиг.4 показана схема машины по первому варианту с двумя дополнительными якорями 10 и 11. В данном случае электрическая машина также может содержать свой дифференциал с механизмом блокировки (на чертеже не показан), который располагается внутри якоря, его шестерни закреплены на валах магнитных индукторов, а сателлиты - на корпусе дифференциала.
Блок управления электрической машины позволяет регулировать параметры электрического тока на якорях и катушках магнитных индукторов.
Якорь или якоря в любых вариантах конструкции электрической машины, раскрытой в формуле изобретения, могут быть выполнены, например, в виде набора пластин, в пазах которых имеется намотка и укладка соответствующего числа и определенной формы обмоточных витков электрического проводника соответствующего сечения, или могут быть выполнены в виде постоянных магнитов.
На фиг.5 в электрической машине по второму варианту магнитный индуктор 2 является внутренним, а магнитный индуктор 3, окружающий якорь 1, является внешним. Якорь и магнитные индукторы в данной конструкции расположены коаксиально друг другу. Поз.12 - вал магнитного индуктора 2, поз.13 - вал магнитного индуктора 3. В планетарной передаче центральное колесо 14 расположено на валу внутреннего магнитного индуктора 2, сателлиты 15 расположены на валу якоря 1, а внешнее колесо 16 закреплено на внешнем магнитном индукторе 3.
Включение в конструкцию электрической машины планетарной передачи позволяет установить необходимое соотношение скоростей вращения внутреннего, внешнего магнитных индукторов и якоря.
В данную конструкцию электрической машины по второму варианту исполнения может быть включен один дополнительный якорь, окружающий внешний магнитный индуктор, расположенный коаксиально с ним, а также может быть включен второй якорь, располагающийся внутри внутреннего магнитного индуктора коаксиально с ним. В данном случае задействуются магнитные поля, образующиеся на свободных сторонах магнитных индукторов 2 и 3.
На фиг.6 показана электрическая машина по второму варианту, где магнитные индукторы 2 и 3 имеют подковообразную форму. Причем в данную конструкцию включен дополнительный магнитный индуктор 17 в виде пар разнополюсного электромагнита, расположенный между противоположными от якоря 1 полюсами разных магнитных индукторов. Поз.18 - вал якоря. Также в данной конструкции вместо дополнительного магнитного индуктора 17 может стоять якорь.
На фиг.7 показан сердечник 4 магнитного индуктора в виде разнополюсного магнита, на котором расположены индукционные катушки 5, имеющие выводы 19 на кольца коллектора магнитного индуктора, соединенные с источниками питания и/или источниками потребления. Количество индукционных катушек может быть разным (две и более), количество витков катушек и толщина проводника могут быть как одинаковыми у всех катушек, так и разными в любой комбинации.
На фиг.8 электрические щетки 20 могут иметь выход к своему источнику питания и/или потребителю энергии. Под позицией 21 показаны выводы якоря в коллектор, выполненные разной длины, электрические щетки 20, подключаемые к источнику питания независимо друг от друга, скользят по выводам 21, при этом щетки расположены на расстоянии, соответствующем длине выводов и радиально под соответствующим углом относительно якоря.
Блок управления электрической машины позволяет регулировать параметры электрического тока на якорях и катушках магнитного индуктора.
Пример использования машины по первому варианту в качестве электродвигателя.
При использовании заявленной электрической машины в качестве электродвигателя к выходным валам машины (валам якоря и/или магнитных индукторов) подключаются любые потребители механической энергии. При подключении электрической машины к источнику тока или к источнику напряжения в обмотках якоря и магнитных индукторов возникает электрический ток, создается магнитное поле между индукторами и якорем. Под воздействием создаваемых магнитных полей приводятся в движение валы, соединенные с потребителями, то есть электрическая энергия преобразуется в механическую.
То есть при одном источнике электроэнергии можно подключить несколько потребителей механической энергии, причем количество потребляемой ими электроэнергии будет равно количеству потребляемой энергии одним потребителем, подключенным к обычному электродвигателю (с якорем и одним магнитным индуктором).
Использование данной электрической машины в качестве электродвигателя позволяет значительно снизить потери электричества.
Заявленная электрическая машина может также одновременно использоваться в качестве генератора электрической энергии: при использовании одной стороны магнитных индукторов как электродвигатель, то с противоположной стороны этих же магнитных индукторов есть возможность использовать выработанную ими электроэнергию.
Наличие дифференциала или планетарной передачи позволяет один магнитный индуктор и соответствующую ему сторону якоря использовать как электродвигатель, а другой магнитный индуктор и соответствующую ему другую сторону якоря использовать как генератор электрической энергии.
Пример использования машины по второму варианту в качестве электродвигателя.
При использовании заявленной электрической машины в качестве электродвигателя к выходным валам машины подключаются любые потребители механической энергии или несколько. При подключении электрической машины к источнику тока или к источнику напряжения в обмотках якоря и магнитных индукторов возникает электрический ток, создается магнитное поле между якорем и внутренним магнитным индуктором и между якорем и внешним магнитным индуктором. Под воздействием создаваемых магнитных полей приводятся в движение валы, соединенные с потребителями, то есть электрическая энергия преобразуется в механическую.
Заявленная электрическая машина по второму варианту может также одновременно использоваться в качестве генератора электрической энергии, если внутреннюю сторону якоря и внутренний индуктор использовать как электродвигатель, а внешнюю сторону якоря и внешний индуктор соответственно как генератор для выработки электроэнергии.
Заявленные изобретения позволяют подключать несколько потребителей механической энергии при одновременной выработке электроэнергии либо вырабатывать электроэнергию без механических потребителей, что позволяет значительно уменьшить затраты электроэнергии.
1. Электрическая машина, содержащая корпус, источник питания, якорь, закрепленный на валу и имеющий коллектор и электрические щетки, два магнитных индуктора с коллекторами, закрепленные на своих валах, причем магнитные индукторы расположены со стороны торцов якоря оппозитно друг другу, причем, магнитные индукторы представляют собой одну и более пар разнополюсных электромагнитов, каждый из которых состоит из сердечника, имеющего две и более индукционные катушки, подключаемые к источнику и/или потребителю электрического тока независимо друг от друга.
2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что содержит дифференциал с механизмом блокировки, расположенный внутри якоря, где шестерни закреплены на валах магнитных индукторов, а сателлиты закреплены на валу корпуса дифференциала.
3. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что якорь является статором, а два магнитных индуктора - роторами.
4. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что два магнитных индуктора являются статорами, а якорь - ротором.
5. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что один из магнитных индукторов является статором, а второй магнитный индуктор и якорь - роторами.
6. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что якорь и магнитные индукторы являются роторами, а корпус - статором.
7. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что магнитные индукторы выполнены подковообразной формы, причем так, что противоположные якорю полюса одного из магнитных индукторов направлены к противоположным якорю полюсам другого магнитного индуктора.
8. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что содержит два дополнительных якоря с коллекторами, расположенных с торцов магнитных индукторов и являющихся статорами или роторами.
9. Электрическая машина по п.7, отличающаяся тем, что содержит дополнительный магнитный индуктор или дополнительный якорь, являющиеся статором или ротором и расположенные между противоположными основному якорю полюсами подковообразных магнитных индукторов.
10. Электрическая машина по одному из пп.1, 2, 8 или 9, отличающаяся тем, что дополнительно содержит потребители механической энергии, подключаемые к валам якорей и/или магнитных индукторов.
11. Электрическая машина по одному из пп.1, 2 или 8, отличающаяся тем, что якоря выполнены как из проводников электрического тока, так и из постоянных магнитов.
12. Электрическая машина, содержащая корпус, источник питания, расположенный на валу внутренний магнитный индуктор с коллектором, закрепленный на валу якорь, имеющий коллектор и электрические щетки и окружающий внутренний магнитный индуктор, а также дополнительный внешний магнитный индуктор с коллектором, расположенный с внешней стороны якоря коаксиально с якорем и внутренним магнитным индуктором, причем магнитные индукторы представляют собой одну и более пар электромагнитов, каждый из которых состоит их сердечника, имеющего две и более индукционные катушки, подключаемые к источнику и/или потребителю электрического тока независимо друг от друга.
13. Электрическая машина по п.12, отличающаяся тем, что содержит планетарную передачу, где центральная шестерня закреплена на валу внутреннего магнитного индуктора, сателлиты закреплены на валу якоря, а внешняя шестерня закреплена на внешнем магнитном индукторе.
14. Электрическая машина по п.12 или 13, отличающаяся тем, что один из магнитных индукторов является статором, а второй магнитный индуктор и якорь - роторами.
15. Электрическая машина по п.12 или 13, в которой внутренний и внешний магнитные индукторы являются роторами, а якорь - статором.
16. Электрическая машина по п.12, отличающаяся тем, что внутренний и внешний магнитные индукторы являются статорами, а якорь - ротором.
17. Электрическая машина по п.12 или 13, отличающаяся тем, что якорь и магнитные индукторы являются роторами, а корпус - статором.
18. Электрическая машина по п.13, отличающаяся тем, что содержит один или два дополнительные якоря с коллекторами, расположенные коаксиально внутри и/или снаружи магнитных индукторов, причем дополнительные якоря являются роторами или статорами.
19. Электрическая машина по п.12 или 13, отличающаяся тем, что магнитные индукторы выполнены подковообразной формы, причем таким образом, что противоположные от якоря полюса одного из магнитных индукторов направлены к противоположным от якоря полюсам другого магнитного индуктора.
20. Электрическая машина по п.19, отличающаяся тем, что содержит дополнительный магнитный индуктор или дополнительный якорь, являющиеся статором или ротором и расположенные между противоположными от якоря полюсами подковообразных магнитных индукторов.
21. Электрическая машина по п.12 или 18, отличающаяся тем, что якоря выполнены как из проводников электрического тока, так и из постоянных магнитов.
22. Электрическая машина по п.12 или 18, отличающаяся тем, что выводы якорей в коллекторы выполнены разной длины, а машина содержит дополнительные электрические щетки, подключаемые к источнику питания независимо друг от друга, скользящие по выводам, при этом щетки расположены на расстоянии, соответствующем длине выводов и радиально под соответствующим углом относительно якорей.
23. Электрическая машина по п.12 или 18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит потребители механической энергии, подключаемые к валам якорей и/или магнитных индукторов.
