Линейный вентильно-индукторный электродвигатель-генератор
Настоящее изобретение относится к области электротехники и представляет собой машину - линейный вентильно-индукторный электродвигатель-генератор, который в равной степени может работать как генератор и как двигатель и обладает при этом рядом характеристик, позволяющих оптимизировать отношение массы к мощности и производственные затраты. Данная машина имеет несколько воздушных зазоров, пересекающихся одним магнитным потоком, в котором формируется намагничивающая сила. Данный поток создается рядом катушек (6), которые размещаются на активных частях. Эти активные части представляют собой две станины (4) и (5), на которые замыкается магнитный поток. При этом в вышеупомянутой магнитной цепи могут существовать и другие активные части, через которые магнитный поток не замыкается. Ряд пассивных элементов - обычно это преобразователи (1) и (2) - при своем движении относительно активных частей вызывает изменение магнитного сопротивления цепи по отношению к положению, которое вызывает магнитную силу. Самое уникальное свойство настоящего изобретения состоит в том, что магнитный поток возвращается через только две торцевые активные части (4) и (5), что обеспечивает достижение технического результата, состоящего в уменьшении потока рассеяния на полюсах предлагаемого электродвигателя-генератора, и тем самым - требуемое уменьшение его массы, веса и стоимости. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно линейным вентильно-индукторным электродвигателям-генераторам (обратимым реактивным электрическим машинам) с высокой удельной мощностью, которые могут использоваться в качестве генератора или двигателя, оставаясь в обоих случаях линейными. Подобные машины обладают характеристиками, которые делают их производство весьма экономичным, и могут применяться повсюду, где нужен электропривод или требуется поступление электроэнергии от внешнего механического источника. При этом такие машины особенно подходят для тех случаев, когда необходимо минимизировать соотношение отдаваемой или вырабатываемой энергии и веса или стоимости. Предпочтительной областью применения данного изобретения является выработка электроэнергии путем использования энергии океана, возникающей за счет колебаний уровней моря, создаваемых волнами. Изобретение может применяться также и в других случаях, где требуются аналогичные характеристики.
Уровень техники
В той предпочтительной области применения настоящего изобретения, которая была рассмотрена выше, т.е. для выработки электричества путем использования энергии океана, возникающей за счет колебаний уровней моря, создаваемых волнами, существуют системы, основанные на использовании бакенов, состоящих из двух частей, одна из которых свободно плавает по морской поверхности, а другая имеет по отношению к первой уменьшенную амплитуду колебаний. Это приводит к возникновению между ними возвратно-поступательных движений, что и позволяет получать энергию от этой системы морских бакенов.
Основной особенностью такого движения является наличие больших сил при малых скоростях, что создает большие препятствия в работе устройства, предназначенного для продуктивного получения энергии. Хорошо известно, что волны возникают за счет ветра, непрерывно действующего на большой поверхности океана. Они могут распространяться на тысячи километров, практически без потери энергии. Энергия волн является более концентрированной и предсказуемой, чем энергия ветра, благодаря чему волны представляют собой важный мировой источник энергии. По оценкам глобальный запас энергии волн составляет 2 ТВт, что соответствует среднему мировому потреблению электроэнергии.
Традиционное решение задачи получения энергии от системы, которая характеризуется большим отношением силы к скорости, представляет собой использование комбинированных гидравлических, механических и электрических систем. Подобные системы являются достаточно сложными и их обслуживание при неблагоприятных условиях может оказаться весьма дорогостоящим. Коэффициент готовности таких сложных систем, содержащих большое число механических частей, неизбежно оказывается низким, в первую очередь вследствие упомянутого выше возвратно-поступательного движения.
С другой стороны, в вентильно-индукторной электрической машине обычной конструкции магнитный поток, создаваемый катушками, замыкается после пересечения только одного воздушного зазора между преобразователем и статором, что приводит к необходимости использовать для этих элементов ферромагнитный материал большой массы.
Более конкретно, в вентильно-индукторных электрических машинах обычной конструкции каждая катушка создает магнитный поток лишь в одном воздушном зазоре, что позволяет отказаться от использования большого количества ферромагнитного материала, обеспечивая нужное соотношение стоимости и веса.
Мы можем также упомянуть о существовании других электрических машин, предназначенных для прямой выработки энергии за счет колебаний волн, которые используют в преобразователе постоянные магниты на редкоземельных элементах, что приводит к существенному возрастанию стоимости и веса.
Даже при отсутствии внешней сети подобные машины во время работы оперируют с напряжением холостого хода, что повышает опасность их обслуживания и приводит к возможности частичного отключения одной из фаз в случае возникновения неисправности. Другая конструкция линейной машины, предложенная Университетом Уппсала (Швеция), которая использует постоянные магниты, размещаемые на восьмиугольном сечении, и распределенные обмотки на статоре, реально представляет собой более дорогое и более сложное в обслуживании решение.
В качестве известного устройства, наиболее близкого к настоящему изобретению, следует рассматривать Европейскую патентную заявку ЕР 0527593. В этой заявке описывается электрический исполнительный двигатель, который включает в себя корпус, а также ряд статорных частей, размещенных внутри этого корпуса, в котором каждая из упомянутых статорных частей включает в себя ряд статорных полюсов; ряд роторов, которые движутся между упомянутыми статорными частями, а также электромагнитные средства для обеспечения движения упомянутых роторов между упомянутыми статорными частями. При этом в заявке не рассматривается возможность включения катушек в центральный статор.
Вследствие отсутствия катушек на промежуточных статорах топология данной машины фактически не является неограниченно наращиваемой, поскольку при отсутствии катушек на центральных полюсах имеет место поле рассеяния. Поэтому отношение выровненных индуктивностей к невыровненным возрастает значительно медленнее, чем количество преобразователей. Использование катушек на центральных статорах, которое мы впервые предлагаем в данной заявке, создает периодическую структуру, которая свободна от проблем, связанных с полями рассеяния центральных статоров. В то же время возможность применения мультипреобразовательной вентильно-индукторной электрической машины (машины с большим числом преобразователей) ограничена одним центральным статором, не снабженным катушками. Именно введение центральных катушек открывает поле для применений, требующих усилий величиной в сотни кН в структурах ограниченной длины. Иными словами, данное усовершенствование касается не только дополнительной магнитодвижущей силы, вводимой в центральные статоры, но также и магнитной цепи. Мы проверяли это утверждение с помощью моделирования методом конечных элементов и получили существенные улучшения по сравнению с решением, которое не использует катушки на центральных статорах.
Таким образом, технической задачей, которую решает данное изобретение, является уменьшение потока рассеяния на полюсах с целью повышения возможности неограниченного наращивания структуры двигателя и увеличения отношения силы к весу.
Раскрытие изобретения
Для достижения заявленного технического результата в известный линейный вентильно-индукторный электродвигатель-генератор, включающий группу катушек, группу преобразователей, группу статоров и группу воздушных зазоров соответствующих преобразователей и статоров, расположенную с возможностью обеспечения пересечения магнитным потоком соответствующих преобразователей и статоров, при этом магнитный поток указанных катушек сформирован с возможностью обеспечения пересечения им преобразователя и статора с замыканием его на себя, включены станины, при этом преобразователи и статоры являются ферромагнитными элементами, при этом группа преобразователей и включает крайние и промежуточные преобразователи, при этом группа статоров включает крайние и промежуточные статоры, при этом группа катушек закреплена на станинах и включает группу промежуточных катушек, установленных с возможностью направления магнитного потока по их внутреннему пространству для формирования магнитодвижущей силы, дополнительной по отношению к магнитодвижущей силе, создаваемой указанными катушками, при этом магнитный поток сформирован с возможностью его замыкания исключительно через станины и преимущественно перпендикулярно к воздушному зазору промежуточных статоров и преобразователей, при этом станины ограничены двумя крайними статорами из группы статоров либо двумя крайними преобразователями из группы преобразователей. Преобразователи могут быть механически соединены для их согласованного движения, при этом указанные преобразователи установлены с возможностью пересечения их одним и тем же магнитным потоком, для суммирования действующих на них сил.
Поясним подробнее предлагаемое нами изобретение. Предлагаемый настоящим изобретением генератор (двигатель), а именно линейный вентильно-индукторный электродвигатель-генератор представляет собой чисто электромеханическое решение задачи выработки электроэнергии в условиях, аналогичных описанным выше и обладающее рядом преимуществ, благодаря которым обеспечивается высокий коэффициент готовности и относительно низкие эксплуатационные затраты по сравнению с известными системами.
Общий принцип действия машины, предлагаемой настоящим изобретением аналогичен принципу действия вентильно-индукторной электрической машины, т.е. ряд катушек получает энергию синхронно с перемещением движущихся частей, поэтому соответствующие фазы получают энергию, когда магнитное сопротивление увеличивается, в случае работы в режиме генератора, или уменьшается, при работе в режиме двигателя.
Изменения, произведенные по отношению к вентильно-индукторным электрическим машинам обычной конструкции, дают существенные улучшения, касающиеся функциональных возможностей этих машин, когда необходимо получить большое отношение силы к весу, что имеет место в случае рассмотренного выше использования энергии моря. Путем исключения тех компонентов машины, которые непосредственно не связаны с формированием силы в воздушном зазоре, обеспечивается существенная экономия материала и большое увеличение достигаемой плотности энергии. С другой стороны, собственно машина в соответствии с данным изобретением позволяет использовать структуру преобразователя большей длины и соответственно более экономичную. Увеличение в машине полезного пробега приводит лишь к незначительным дополнительным затратам.
С этой целью, в соответствии с конкретной конструкцией, предложенной в настоящем изобретении, один и тот же магнитный поток пересекает несколько воздушных зазоров, связывая одно семейство преобразователей с другим семейством статоров и замыкаясь только на двух статорах или на крайнем преобразователе, которые в дальнейшем определяют "станины". В каждом воздушном зазоре можно получить силу, переключая соответствующие фазы, в результате чего отношение достигаемой силы к весу машины оказывается очень высоким.
Катушки могут устанавливаться на статоре или преобразователе. В случае, когда катушки устанавливаются на преобразователе, необходимо использовать скользящие кольца или гибкие соединения. Как это видно из соответствующих рисунков, речь о которых пойдет ниже, несколько воздушных зазоров и катушек в соответствии с данным изобретением, соединены последовательно.
Изобретение может быть использовано при любом количестве полюсов статора или преобразователя, совместимых с работой вентильно-индукторной электрической машины, а также с любым количеством преобразователей и статоров. Оно также может применяться как с листовыми, так и массивными ферромагнитными структурами.
Неотъемлемым преимуществом данного изобретения является его пассивная структура, которая оказывается предельно дешевой и легкой при изготовлении как из монолитного (массивного), так и из листового ферромагнитного материала. Благодаря подобному усовершенствованию машина оказывается весьма экономичной при длительной работе. Кроме того, пассивные части машины (в данном случае преобразователь) имеют малую инерцию, что делает ее весьма привлекательной для использования в исполнительных механизмах, когда требуется продолжительная работа и значительное ускорение.
Как активные, так и пассивные элементы могут быть механически усилены без изменения их магнитных свойств.
Для того, чтобы уменьшить потери в сердечнике, материал, используемый для преобразователей и статоров, должен иметь определенные ограничения в отношении магнитных характеристик, хотя при работе на очень низких скоростях может применяться твердое магнитное железо. Для обеспечения изоляции при вращении катушки должны изготавливаться из медного провода в эмалевой изоляции. Что касается внешней стороны катушек, то здесь для обеспечения изоляции от земли должен применяться стеклопластик с эпоксидной пропиткой. Для того, чтобы сократить количество выводов, все катушки соединяются последовательно. Направление скольжения между преобразователями и статорами обозначается при помощи рельсов и скользящих элементов, аналогично тому, что имеет место в подъемниках.
Управление машиной должно производиться при помощи мощного электронного оборудования, которое обеспечивает замыкание или размыкание каждой фазы на соответствующем этапе (в соответствующий момент), когда имеет место надлежащее изменение магнитного сопротивления - увеличение в режиме двигателя и уменьшение в режиме генератора. Для обеспечения синхронизации движения машины с работой мощного электронного привода используется ряд датчиков присутствия, которые определяют относительное положение преобразователя и статора.
Как можно понять из приводимых выше доводов, настоящее изобретение может применяться в различных областях, как в качестве генератора, так и исполнительного двигателя. Характеристики, которые имеет представленная конструкция, делают ее очень удобной для массового производства с использованием стандартных технологий изготовления электрических машин.
Конструкция машины, предложенная в соответствии с настоящим изобретением, позволяет легко наращивать ее мощность за счет увеличения любого из трех ее параметров: количества полюсов в активной части, ширины машины и количества промежуточных преобразователей и статоров. Таким образом, мощность, которую может генерировать данная машина, пропорциональна объему ее активной части. Повышение мощности, о котором идет речь, может быть достигнуто исключительно за счет увеличения количества идентичных частей.
Краткое описание чертежей
В дополнение к описанию и в целях лучшего понимания характеристик данного изобретения, касающихся приводимого ниже примера предпочтительного варианта исполнения, для этого варианта исполнения даются соответствующие чертежи. Данный вариант исполнения приводится лишь в качестве пояснения и не ограничивает сферу притязаний настоящего изобретения.
На Фиг.1 дано схематическое представление линейной вентильно-индукторной машины в соответствии с настоящим изобретением, т.е. машины, содержащей два преобразователя и промежуточный статор.
На Фиг.2 схематически показано прохождение магнитного потока через машину, представленную на предыдущем чертеже.
Осуществление изобретения
Как указывалось выше, на Фиг.1 представлена машина, содержащая два преобразователя (1) и (2), которые двигаются согласно благодаря наличию между ними механической связи (на чертеже не показана). Расположенный между ними промежуточный статор (3), а также две станины (4) и (5), которые также являются статическими, оказывают силовое воздействие одновременно на оба преобразователя. Позиционным номером (6) обозначены соответствующие катушки.
С другой стороны, на Фиг.2 стрелкой обозначен магнитный поток, циркулирующий в данной электрической машине. Этот поток создается электрическим током, протекающим по фазе (a), катушки (6) которой показаны как блоки с позиционными обозначениями (a) и (a'), которые соответствуют двум сторонам одной катушки. Как видно из фигуры 2, один и тот же поток, создаваемый магнитодвижущей силой катушек, установленных на станинах (4) и (5) и промежуточном статоре (3), возвращается только через станины (4) и (5). Как можно заметить, обратный путь на фигуре 2 не представлен, показан лишь поток, пересекающий справа налево. Очевидно, что этот поток замыкается слева направо на другом ряде катушек.
Из рассмотрения вышеупомянутой Фиг.2 можно заметить, что топология представленной машины позволяет получить высокую плотность мощности, поскольку в ней исключено большое количество материалов, требующихся в устройствах обычной конструкции для возврата магнитного потока и не порождающих при этом никаких намагничивающих сил. Таким образом, электрическая машина, предложенная в соответствии с настоящим изобретением, демонстрирует важное экономическое преимущество, так как позволяет исключить огромное количество ненужных материалов.
Это не противоречит уравнениям Максвелла, поскольку линии поля, в конце концов, замыкаются на себе, образуя замкнутый контур, а не повсюду. Закон разностной дивергенции лишь утверждает, что тот поток, который вошел в дифференциальный элемент объема, должен из него и выйти. Задачей разработчика магнитной системы является создание наиболее эффективного пути для магнитного потока. Цель конструкций, представленных на Фиг.1 и Фиг.2, состоит в получении весьма эффективной магнитной цепи, в которой для создания требуемого эффекта используется максимальное количество воздушных зазоров. Фактическая траектория линий магнитного поля будет определяться конфигурацией ферромагнитных материалов, катушек и воздушных зазоров, описанных выше.
В соответствии с примером практической реализации настоящего изобретения линейная вентильно-индукторная электрическая машина должна быть трехфазной и иметь шесть полюсов на статоре, которые соответствуют четырем полюсам преобразователя. Данная конструкция представляет собой наиболее распространенный тип электрических машин, применяемый для центрифуг и идеально подходящий для использования в линейных вентильно-индукторных электрических машинах. Конструкция, которая соответствует вышеупомянутым чертежам, основана на использовании двух крайних (торцевых статоров), станин (4) и (5), а также центрального статора (3). Все они имеют полюса, к которым прикреплены сосредоточенные катушки (6). Между каждой парой статоров располагается преобразователь (1-2). Все преобразователи механически соединены между собой и соответственно двигаются согласованно.
1. Линейный вентильно-индукторный электродвигатель-генератор, включающий группу катушек (6), группу преобразователей (1) и (2), группу статоров (3) и группу воздушных зазоров соответствующих преобразователей и статоров, расположенную с возможностью обеспечения пересечения магнитным потоком соответствующих преобразователей (1) и (2) и статоров (3), при этом магнитный поток указанных катушек сформирован с возможностью обеспечения пересечения им преобразователя и статора с замыканием его на себя, отличающийся тем, что он содержит станины (4) и (5), при этом преобразователи (1) и (2) и статоры (3) являются ферромагнитными элементами, а группа преобразователей (1) и (2) включает в себя крайние и промежуточные преобразователи, при этом группа статоров (3) включает в себя крайние и промежуточные статоры, а группа катушек (6) закреплена на станинах (4) и (5) и включает в себя группу промежуточных катушек, установленных с возможностью направления магнитного потока по их внутреннему пространству для формирования магнитодвижущей силы, дополнительной по отношению к магнитодвижущей силе, создаваемой указанными катушками, причем магнитный поток сформирован с возможностью его замыкания исключительно через станины (4) и (5) и преимущественно перпендикулярно к воздушному зазору промежуточных статоров и преобразователей, а станины (4) и (5) ограничены двумя крайними статорами из группы статоров либо двумя крайними преобразователями из группы преобразователей.
2. Электродвигатель-генератор по п.1, отличающийся тем, что преобразователи (1) и (2) механически соединены для их согласованного движения и установлены с возможностью пересечения их одним и тем же магнитным потоком для суммирования действующих на них сил.
