Магнитоэлектрическая машина

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам с постоянными магнитами. Технический результат состоит в повышении к.п.д. Магнитоэлектрическая машина содержит статор, выполненный по крайней мере из двух «П»-образных шихтованных магнитопроводов, образующих внутреннюю прямоугольную полость, на которых размещены обмотки, выходы которых закреплены на одном из магнитопроводов и направлены к выпрямителю. На другом магнитопроводе выполнен зазор для размещения в ней системы управления. Система управления представляет собой замкнутый шихтованный магнитопровод, расположенный перпендикулярно статору в прорези «П»-образного магнитопровода, на котором расположены по крайней мере две обмотки, одна из которых подключена к стандартному источнику постоянного тока, а другая - к источнику переменного тока. 4 ил.

 

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к двигателям и генераторам, содержащим в конструкции постоянные магниты, а именно к магнитоэлектрическим генераторам электроэнергии с наличием в них постоянных магнитов.

Известна магнитоэлектрическая дисковая машина, имеющая в своем составе статор и ротор, размещенные на валу. Корпус неподвижного статора состоит как минимум из 4 дисков, выполненных из прочного изоляционного немагнитного материала, на которых по внутреннему диаметру d установлены n «П»-образных шихтованных магнитопроводов с обмотками, соединенными параллельно между собой, и равномерно распределенных по окружности диска статора. Ротор выполнен из немагнитного материала, как минимум из 2 дисков, один из которых смещен относительно другого на угол 45°. На роторном диске выполнены отверстия в форме прорезей размерами I и I₁, в которых размещены рабочие органы (магниты), расположенные по окружности ротора на диаметре d, и равноудалены от оси вала и друг от друга. Количество и размер прорезей I, I₁ зависят от количества и размера магнитов, используемых в каждом конкретном случае. Магниты могут быть выполнены, например, из магнитных сплавов редкоземельных элементов на основе сплавов Nd, Fe, В, Cm, Co. [Патент RU №116714, H02K 21/24, дата публикации 27.05.2012].

Недостатком указанной конструкции является наличие подвижного ротора, что обуславливает дополнительный механический износ и повышенные потери мощности.

Наиболее близким устройством того же назначения по совокупности признаков является электромагнитная машина [Патент US №6362718 B1, Mar.26, 2002], электромагнитный генератор которой выполнен без подвижных частей и состоит из стационарного магнита, а также двух «П»-образных магнитопроводов. Первая входная обмотка и первая выходная обмотка расположены на одном магнитопроводе, а вторая входная обмотка и вторая выходная обмотка расположены на другом магнитопроводе. Входные обмотки представляют собой систему управления и создают попеременный пульсирующий магнитный поток, чтобы обеспечить импульсы тока в выходных катушках. Движение магнитного потока через каждую из входных катушек уменьшает уровень потока от постоянного магнита в магнитопроводе.

Недостатком указанных конструкции является размещение входных и выходных обмоток на одном магнитопроводе, что обуславливает ослабление рабочего магнитного потока в магнитопроводе и, как следствие, уменьшение наведенной ЭДС на выходных обмотках генератора.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение ЭДС на выходе генератора за счет усовершенствования конструкции.

Данный технический результат достигается тем, что магнитоэлектрическая машина, имеющая в своем составе две неподвижные части: статор, выполненный по крайней мере из двух «П»-образных шихтованных магнитопроводов, на одном из которых закреплены две обмотки, выходы которых направлены к выпрямителю, а на другом выполнен зазор, предназначенный для размещения в ней системы управления. Система управления представляет собой замкнутый шихтованный магнитопровод, выполненный из аморфного железа (например, сплав MM-3Co или MM-5Co, индукция насыщения 0,4-0,5 Тл, магнитная проницаемость 40000-160000), расположенный перпендикулярно статору и расположенный в зазоре П-образного шихтованного магнитопровода. На замкнутом шихтованном магнитопроводе расположены по крайней мере две обмотки, одна из которых подключена к стандартному источнику постоянного тока (например, источники серии Sorensen XFR), а другая присоединена к источнику переменного тока (например, регулируемый источник переменного напряжения EA-ACP).

Внутри П-образного шихтованного магнитопровода расположен по крайней мере один постоянный магнит, выполненный на основе сплава редкоземельных металлов, например фенибора.

На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого магнитоэлектрического генератора.

На фиг.2 представлена зависимость магнитной проницаемости µ от напряженности магнитного поля H. На фиг.2 µ_м - магнитная проницаемость замкнутого шихтованного магнитопровода 5 системы управления, а µ_n - магнитная проницаемость шихтованного замкнутого магнитопровода 3 в точке n.

На фиг.3 представлены пути замыкания рабочего магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом 8, магнитоэлектрического генератора P₁ и P₂ в двух различных режимах работы в зависимости от значения магнитной проницаемости участка замкнутого шихтованного магнитопровода 5 системы управления Фиг.3 (б, г), а также представлен результирующий магнитный поток Ф в замкнутом шихтованном магнитопроводе при различных направлениях магнитного потока, создаваемого обмоткой 7 Φ_msin(ωt) Фиг.3 (а, в).

На Фиг.3б изображено направление P₁ магнитного потока магнитоэлектрического генератора при µ_м>µ_n;

на фиг.3г изображено направление P₂ магнитного потока магнитоэлектрического генератора при µ_м<µ_n.

На фиг.4 представлена общая функциональная схема магнитоэлектрического генератора.

Магнитоэлектрическая машина содержит статор, выполненный по крайней мере из двух «П»-образных шихтованных магнитопроводов 1 и 2, на одном из которых закреплены две обмотки 3 и 4, выводы которых подключены к выпрямителю, а на другом выполнен зазор, предназначенный для размещения в ней системы управления. Система управления, расположенная в зазоре «П»-образного шихтованного магнитопровода, представляет собой замкнутый шихтованный магнитопровод 5 с обмотками 6 и 7, одна из которых присоединена к источнику постоянного тока, а другая - к источнику переменного тока. Внутри области, образованной «П»-образными шихтованными магнитопроводами 1 и 2, расположен по крайней мере один постоянный магнит 8, выполненный на основе сплава редкоземельных металлов, например фенибора.

Устройство работает следующим образом.

К источнику питания постоянного тока присоединяют одну из обмоток системы управления, например, 6. Замкнутый шихтованный магнитопровод 5 насыщается создаваемым магнитным потоком Φ₀. При увеличении тока в обмотке 6 возрастает магнитный поток Φ₀, замыкающийся через замкнутый шихтованный магнитопровод 5. Ввиду малого значения насыщения аморфного железа, из которого изготовлен замкнутый шихтованный магнитопровод 5 (менее 0,6 Тл), происходит насыщение замкнутого шихтованного магнитопровода 5 магнитным потоком Φ₀. Другую обмотку системы управления, например, 7 подключают к источнику переменного тока, результирующий магнитный поток «Ф» внутри замкнутого шихтованного магнитопровода изменяется по заданному синусоидальному закону:

$$\Phi ={\Phi }_0\pm {\Phi }_m\sin \left(\omega t\right),где\left(1\right)$$

Φ - результирующий магнитный поток;

Φ₀ - постоянная составляющая магнитного потока;

Φ_m - амплитудное значение переменной составляющей магнитного потока.

Магнитная проницаемость участка замкнутого шихтованного магнитопровода 5 системы управления, расположеного в зазоре «П»-образного шихтованного магнитопровода 1, изменяется, например, от 10 до 50. При положительном значении sin(ωt) за счет суммирования потоков Φ₀ и Φ_msin(ωt), создаваемых обмотками 6 и 7, результирующий магнитный поток Φ в замкнутом шихтованном магнитопроводе 5 увеличивается и магнитная проницаемость внутри зазора уменьшается. При отрицательном значении sin(ωt) магнитный поток, создаваемый обмоткой 7, Φ_msin(ωt) вычитается из магнитного потока Φ₀, создаваемого обмоткой 6, поэтому результирующий поток в замкнутый шихтованный магнитопровод 5 уменьшается, что приводит к увеличению магнитной проницаемости в зазоре «П»-образного шихтованного магнитопровода 1.

Магнитная проницаемость замкнутого шихтованного магнитопровода 3 в точке n равна µ_n. При увеличении потока в замкнутом шихтованном магнитопроводе 5 магнитная проницаемость участка замкнутого шихтованного магнитопровода µ_м, расположенного в зазоре, уменьшается, а при уменьшении результирующего потока Φ - магнитная проницаемость участка замкнутого шихтованного магнитопровода увеличивается.

Таким образом, если µ_м>µ_n, то большая часть магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом 8, размещенным внутри прямоугольной области, образованного П-образными шихтованными магнитопроводами 1 и 2, замыкается через участок замкнутого шихтованного магнитопровода 5 системы управления, который расположен в зазоре П-образного магнитопровода по пути P1 (фиг.3, а, б).

В случае если µ_м<µ_n, то большая часть магнитного потока замыкается через магнитопровод 2, на котором расположены обмотки 3 и 4 по пути P2 (фиг.3, б, г).

При изменении магнитного потока, пронизывающего витки обмоток 3 и 4, в соответствии с законом электромагнитной индукции, в обмотках 3 и 4 появляется ЭДС.

При подключении потребителя к магнитоэлектрическому генератору (не показано) необходимо получить переменное выходное напряжение с заданными параметрами, для этой цели в функциональной системе используется преобразовательное устройство ПУ 9, включающее фильтр напряжения и выпрямитель, а также автономный инвертор напряжения АИН 10, для получения переменного выходного напряжения с заданными параметрами (Фиг.4). Выводы обмоток 3 и 4 присоединены к преобразовательному устройству ПУ 9 с фильтром и выпрямителем, а выход преобразовательного устройства ПУ 9 подключен ко входу автономного инвертора напряжения АИН 10, на выходе которого формируется напряжение с заданными параметрами, например напряжение с параметрами промышленной сети (частота 50 Гц, номинальное напряжение 220 В).

Преимуществом указанной конструкции является возможность присоединения дополнительных статоров, поток в которых может меняться одной системой управления. Конструкция дополнительных статоров идентична рассмотренной. Дополнительные статоры располагаются с разных сторон одной системы управления замкнутого магнитопровода.

Кроме того, магнитоэлектрический генератор не содержит вращающихся частей, что позволяет повысить КПД магнитоэлектрической дисковой машины в целом и обеспечить максимальное значение коэффициента мощности, а размещение обмоток системы управления на отдельном магнитопроводе позволяет существенно увеличить рабочий магнитный поток и, как следствие, увеличить ЭДС.

Магнитоэлектрическая машина, содержащая статор, выполненный по крайней мере из двух «П»-образных шихтованных магнитопроводов, образующих внутреннюю прямоугольную полость, на которых расположены обмотки, отличающаяся тем, что на одном из «П»-образных шихтованных магнитопроводов закреплены две обмотки, выходы которых направлены к выпрямителю, а на другом из магнитопроводов выполнен зазор, предназначенный для размещения в ней системы управления, представляющей собой замкнутый шихтованный магнитопровод с обмотками, одна из которых присоединена к источнику постоянного тока, а другая - к источнику переменного тока, причем во внутренней прямоугольной полости, образованной «П»-образными шихтованными магнитопроводами, расположен, по крайней мере, один постоянный магнит.