Гибридная аксиальная электрическая машина-генератор

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в увеличении количества и равномерности поступления электрической энергии m-фазного переменного тока, а также повышении надежности и стабильности работы энергосистемы. В гибридной аксиальной электрической машине-генераторе, содержащей щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод с расположенной в нем генераторной обмоткой переменного тока, аксиальные якорь с обмоткой и ротор, корпус статора выполнен в форме полого цилиндра, к торцовым поверхностям которого неподвижно прикреплены подшипниковые щиты, корпус статора и подшипниковые щиты изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, причем на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита со стороны ветротурбины установлен магнитопровод с генераторной обмоткой переменного тока, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, а на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита с противоположной стороны установлен якорь с обмоткой, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, вместе с тем ротор расположен между магнитопроводом с генераторной обмоткой переменного тока и якорем с возможностью вращения относительно них и имеет аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов, зафиксированные неподвижно относительно вала при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу ротора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, одновременно с этим на валу расположена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины к валу ротора, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно.

Известна конструкция двухмерной электрической машины-генератора (патент РФ №2332775, 2008 г.). Двухмерная электрическая машина-генератор содержит якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных двигателей, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, при этом в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью потребителей переменного тока.

Принцип работы основан на суммировании и преобразовании механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.

Однако данная конструкция электромеханического преобразователя энергии может работать только тогда, когда имеется сразу два возобновляемых источника энергии (ВИЭ) (например, Солнца и ветра с присущими им особенностями - неравномерным, стохастическим и в основе своей несовпадающим характером поступления энергии), что увеличивает неравномерность поступления энергии и, тем самым, уменьшает эффективность использования ВИЭ, резко ограничивает область применения данной машины и понижает надежность и стабильность работы энергосистемы. Кроме этого технология изготовления данной конструкции сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора и необходимости выполнения обмоточных работ внутри цилиндрического статора. Также велика себестоимость изготовления данного электромеханического преобразователя цилиндрической конструкции из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами за прототип является двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор (патент РФ №2349014, 2009 г.).

Двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор, содержащая якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу беличьей клетки, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, при этом ротор и якорь выполнены аксиальными, а в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью трех контактных колец и трех щеток соединен с сетью переменного тока.

Принцип работы основан на суммировании и преобразовании механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.

Положительными качествами данной конструкции являются: низкий расход электротехнической стали, который уменьшает себестоимость изготовления; упрощение технологии изготовления из-за упрощения выполнения обмоточных работ в аксиальном магнитопроводе.

Однако данная конструкция электромеханического преобразователя энергии может работать только тогда, когда имеется сразу два возобновляемых источника энергии (ВИЭ) (например, Солнца и ветра с присущими им особенностями - неравномерным, стохастическим и в основе своей несовпадающим характером поступления энергии), что увеличивает неравномерность поступления энергии и, тем самым, уменьшает эффективность использования ВИЭ, резко ограничивает область применения данной машины и понижает надежность и стабильность работы энергосистемы.

Заявляемое изобретение решает задачу расширения области применения, получения энергии как отдельно от каждого возобновляемого источника, так и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию m-фазного переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе при использовании в устройстве серийно изготавливаемых деталей и узлов.

Технический результат заключается в увеличении количества, равномерности поступления электрической энергии m-фазного переменного тока, повышении надежности и стабильности работы энергосистемы.

Технический результат достигается тем, что в гибридной аксиальной электрической машине-генераторе, содержащей щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод с расположенной в нем генераторной обмоткой переменного тока, аксиальные якорь с обмоткой и ротор, при этом корпус статора выполнен в форме полого цилиндра, к торцовым поверхностям которого неподвижно прикреплены подшипниковые щиты, корпус статора и подшипниковые щиты изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, причем на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита со стороны ветротурбины установлен магнитопровод с генераторной обмоткой переменного тока, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, а на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита с противоположной стороны установлен якорь с обмоткой, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, вместе с тем ротор расположен между магнитопроводом с генераторной обмоткой переменного тока и якорем с возможностью вращения относительно них и имеет аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов, зафиксированные неподвижно относительно вала при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу ротора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки, и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, одновременно с этим на валу расположена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины к валу ротора, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению.

В качестве устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока.

Возможность использования одного возобновляемого источника энергии, например, только энергии ветра или только энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей или от энергии аккумуляторных батарей, отдельно и/или совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию m-фазного переменного тока ведет к расширению области применения электромеханического преобразователя, увеличению количества и равномерности поступления энергии m-фазного переменного тока, повышению надежности и стабильности работы энергосистемы. Это осуществляется за счет конструктивных особенностей гибридной аксиальной электрической машины-генератора, которая согласуется с работой ветротурбины и обгонной муфты.

Особенность конструкции гибридной электрической машины-генератора позволяет энергии поступать как совместно, так и раздельно с двух сторон: со стороны ветротурбины и/или со стороны источника постоянного тока в виде вращающего момента на ротор машины. Причем главные полюса изготовлены из постоянных магнитов и создают основной магнитный поток, который замыкается через аксиальные воздушные зазоры, аксиальный якорь и магнитопровод с m-фазнной генераторной обмоткой переменного тока (в радиальном направлении распространение основного магнитного потока в роторе не происходит из-за высокого магнитного сопротивления материала, с помощью которого аксиально расположенные главные полюса зафиксированы неподвижно относительно вала). При этом вращающейся момент приводит в движение главные полюса относительно магнитопровода с обмотками и их магнитный поток пересекает эту m-фазную обмотку, наводя в ней ЭДС. При подключении нагрузки к обмотке статора электрическая цепь будет замкнута, и по ней будет протекать электрический ток, то есть будет происходить преобразование энергии от нетрадиционных источников в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Согласование работы гибридной электрической машины-генератора с работой ветротурбины происходит за счет работы обгонной муфты, передающей вращающий момент от ветротурбины к ротору, при этом полярность подключения источника постоянного тока такова, что вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки аксиального якоря, совпадают по направлению. Обгонная муфта служит для передачи вращающего момента только в одном направлении и позволяет ведомому звену вращаться (например, по инерции) при остановленном ведущем звене (Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. - М.: Машиностроение, 1988. - 368 с., с. 281). В данной конструкции ведущим звеном является ветротурбина, а ведомым звеном - вал с неподвижно закрепленным на нем ротором, вращающийся на подшипниках.

При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта соединяет ветротурбину с валом ротора и передает ей энергию в виде вращающего момента для преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока. В этом случае дополнительное согласование работы гибридной электрической машины-генератора с работой ветротурбины происходит за счет подключенного устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. В качестве устройства в данном случае используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока. В этом случае при вращении главных полюсов от вращающего момента, создаваемого ветротурбиной в обмотке аксиального якоря, индуктируется ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока появится ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, противоположный при этом к источнику постоянного тока. Диод ограничит ток, противоположный по направлению к току источника постоянного тока, и соответственно уменьшит тормозной момент, действующий на главные полюса в этом режиме работы (что дает дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока).

При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта отсоединяет гибридную аксиальную электрическую машину-генератор от ветротурбины для того, чтобы не затрачивать дополнительную энергию на раскручивание лопастей ветротурбины в обратном направлении, а протекающий ток по обмотке аксиального якоря создает вращающий момент, действующий на главные полюса для дальнейшего преобразования энергии постоянного тока в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Важно отметить, что наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЭ в гибридной аксиальной электрической машине-генераторе в этом режиме работы происходит за счет того, что щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу ротора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, что позволит компенсировать поперечную реакцию аксиального якоря и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата, характеристики машины с возможностью получения максимального крутящего момента для приведения в движение главных полюсов и соответственно получения максимального количества энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования.

При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока обгонная муфта соединяет ветротурбину с валом ротора и передает вращающий момент на главные полюса, и ток, протекающий по обмотке аксиального якоря, создает дополнительный вращающий момент, который дополнительно воздействует на них, суммируя энергию ВИЭ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Параллельное освоение как отдельно энергии Солнца и ветра, так и совместно в рамках электромеханического преобразователя энергии позволяет получить большее количество электрической энергии m-фазного переменного тока и выровнять ее естественные колебания и, тем самым, повысить надежность и стабильность работы энергосистемы.

Сущность устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен в разрезе главный вид гибридной аксиальной электрической машины-генератора (ГАЭМ-Г).

На фиг. 2 изображен в разрезе вид сверху ГАЭМ-Г (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1).

На фиг. 3 показан поперечный разрез А-А ротора ГАЭМ-Г.

На фиг. 4 показан поперечный разрез В-В щеткодержателей вместе с щетками ГАЭМ-Г.

ГАЭМ-Г содержит аксиальный якорь 1 машины постоянного тока с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6. Коллектор 4 совместно с щеткодержателями 5 и щетками 6 образуют щеточно-коллекторный аппарат машины (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4). Коллектор 4 связывает обмотку 2 с щетками 6, к которым подключены провода 7, соединенные с контактными кольцами 8 (контактные кольца 8 изолированы от вала 9). В свою очередь контактные кольца 8 соединены с щетками 10, которые посредством проводов 11 через диод, находящийся под прямым напряжением (т.е. анод имеет положительный потенциал относительно катода и он не указан на чертеже), подключены к источнику постоянного тока (фиг. 1, фиг. 2). В данном случае диод выполняет функцию устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока.

Вал 9 позиционируется в подшипниковых щитах 12, 13 при помощи подшипников 14, 15. К торцовым поверхностям корпуса статора 16, который выполнен в форме полого цилиндра, неподвижно прикреплены подшипниковые щиты 12, 13. При этом корпус статора 16 и подшипниковые щиты 12, 13 изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением. Это сделано для того, чтобы магнитный поток Ф замыкался только внутри магнитной системы машины (это позволяет уменьшить потоки рассеивания и дает возможность получить максимальные энергетические характеристики машины).

Между ветротурбиной и валом 9 расположена обгонная муфта 17. Вращающий момент передается только в одном направлении от ветротурбины к обгонной муфте 17, а затем через вал 9 - к ротору машины. Ротор состоит из аксиально расположенных главных полюсов 18, 19, которые изготовлены из постоянных магнитов. Главные полюса 18, 19 позиционируются радиально друг относительно друга и зафиксированы неподвижно относительно вала 9 при помощи материала 20 с высоким магнитным сопротивлением (фиг. 1, фиг. 2, фиг 3). На внутренней торцовой поверхности подшипникового щита 12, который расположен со стороны ветротурбины, неподвижно установлен магнитопровод 21 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22. Активная поверхность магнитопровода 21 расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора. На внутренней торцовой поверхности подшипникового щита 13 неподвижно установлен аксиальный якорь 1 с обмоткой 2, при этом его торцовая поверхность расположена аксиально к соответствующей прилегающей аксиальной активной поверхности ротора.

Между активной поверхностью магнитопровода 21 и аксиально прилегающей активной торцовой поверхности ротора имеется рабочий воздушный зазор 23. Между торцовой поверхностью аксиального якоря 1 и прилегающей аксиальной активной поверхности ротора имеется рабочий воздушный зазор 24. Наличие рабочих воздушных зазоров 23, 24 позволяет свободно вращаться совместно валу 9 ротора с закрепленными на нем при помощи материала 20 с высоким магнитным сопротивлением главными полюсами 18, 19, при этом вращение осуществляется при помощи подшипников 14, 15 относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода 21 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22.

Щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу 9 ротора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 18, 19 (ось геометрической нейтрали) и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов 18, 19 (фиг. 3, фиг. 4).

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 18, 19, проходит от главного полюса 18 через рабочий воздушный зазор 24, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 24 к главному полюсу 19 и от него через рабочий воздушный зазор 23, магнитопровод 21, рабочий воздушный зазор 23 замыкается на главном полюсе 18 (фиг. 1, фиг. 2).

Необходимо отметить, что в данном случае приведен простейший случай машины с парой главных полюсов 18, 19 и двумя щеткодержателями 5 с щетками 6. Конструкция гибридной аксиальной электрической машины-генератора позволяет кратно увеличить количество главных полюсов 18, 19 (при чередующейся полярности полюсов) и щеткодержателей 5 с щетками 6. Это дает дополнительные возможности по уменьшению массы (веса) машины и длины коллектора, повышению надежности работы щеточного узла (Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Изд. 2-е - Л., «Энергия», 1973 - 70 с. 14).

Аксиальная электрическая машина-генератор является гибридной: сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов. С одной стороны вал 9 аксиального якоря 1 с обмоткой 2, щеточно-коллекторный аппарат (коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6) и главные полюса 18, 19 в совокупности являются основой машины постоянного тока, особенность которой заключается в том, что щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины и главные полюса 18, 19 неподвижно закреплены на валу 9 ротора и имеют возможность совместного вращения относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2. При этом магнитопровод 21 проводит основной магнитный поток Ф, создаваемый главными полюсами 18, 19, и выполняет такую же функцию, что и ярмо в классических цилиндрических машинах постоянного тока. С другой стороны главные полюса 18, 19 имеют возможность вращения вокруг аксиального якоря 1, при этом аксиальный якорь 1 является проводником основного магнитного потока Ф, создаваемого главными полюсами 18, 19, и совместно с ним выполняют такую же функцию, что и явнополюсный ротор в синхронных генераторах.

Гибридная аксиальная электрическая машина-генератор работает следующим образом.

При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 17 отсоединяет вал 9 ротора от ветротурбины. Это позволяет свободно вращаться совместно валу 9 ротора с закрепленными на нем при помощи материала 20 с высоким магнитным сопротивлением главными полюсами 18, 19, при этом вращение осуществляется при помощи подшипников 14, 15 относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода 21 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22.

Постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторной батареи через провода 11, устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, (в данном случае используется диод подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока), щетки 10, контактные кольца 8, провода 7, щетки 6, коллектор 4 подается на обмотку 2 аксиального якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод открыт, по ней потечет постоянный ток.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 18, 19, проходит от главного полюса 18 через рабочий воздушный зазор 24, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 24 к главному полюсу 19 и от него через рабочий воздушный зазор 23, магнитопровод 21, рабочий воздушный зазор 23 замыкается на главном полюсе 18.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 аксиального якоря 1, будут действовать электромагнитные силы Fпр, величина которых находится из соотношения (Вольдек А.И. Электрические машины. - Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.: «Энергия», 1974. - 840 с., стр. 30):

где В - величина магнитной индукции;

Iа - ток, протекающий по проводнику обмотки якоря;

- активная длина магнитопровода якоря.

Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 18, 19. Так как аксиальный якорь 1 неподвижно закреплен в подшипниковом щите 13, а полюса 18, 19 вместе с валом 9 могут свободно вращаться на подшипниках 14, 15, то полюса 18, 19 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами Fпр, на подшипниках 14, 15, относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2, и магнитопровода 21 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22.

Так как магнитный поток Ф пересекает магнитопровод 21 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС:

где - скорость изменения магнитного потока;

wp - число витков m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22.

Если подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.

Наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока в этом режиме работы происходит за счет того, что щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу 9 ротора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 18, 19 и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов 18, 19. Это необходимо из-за того, что аксиальный якорь 1 заторможен, а вокруг него вращаются главные полюса 18, 19 (в электрических машинах постоянного тока классической цилиндрической конструкции при неподвижных главных полюсах и вращающемся якоре для компенсации поперечной реакции якоря в двигательном режиме работы ось щеткодержателей щеточно-коллекторного аппарата сдвигают от положения геометрической нейтрали на величину угла физической нейтрали против направления вращения якоря). Это позволит компенсировать поперечную реакцию аксиального якоря 1 и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата, характеристики машины с возможностью получения максимального крутящего момента для приведения в движение главных полюсов 18, 19 и соответственно получить максимальное количество энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования.

При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 17 соединяет вал 9 машины с ветротурбиной, которая вращает совместно вал 9 ротора с закрепленными на нем при помощи материала 20 с высоким магнитным сопротивлением главными полюсами 18, 19, при этом вращение осуществляется при помощи подшипников 14, 15 относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода 21 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 18, 19, проходит от главного полюса 18 через рабочий воздушный зазор 24, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 24 к главному полюсу 19 и от него через рабочий воздушный зазор 23, магнитопровод 21, рабочий воздушный зазор 23 и замыкается на главном полюсе 18.

Основной магнитный поток Ф, пересекая обмотку 2 аксиального якоря 1, индуктирует в ней ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока должен появиться ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, но противоположный направлению тока источника электрической энергии постоянного тока (генераторный режим машин постоянного тока). В этом режиме устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, отключит обмотку 2 аксиального якоря 1 от источника электрической энергии постоянного тока. В данном случае подача обратного напряжения на диод приведет к его запиранию и ограничению протекания обратного тока, направленного противоположно движению тока источника электрической энергии постоянного тока. Это дает возможность уменьшить тормозной момент, который будет действовать на главные полюса 18, 19 в этом режиме работы, а также предоставляет дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока) и улучшения коммутации щеточно-коллекторного аппарата (если не ограничить обратный ток в данном случае, то при его протекании для компенсации поперечной реакции аксиального якоря 1 в генераторном режиме работы необходимо ось щеткодержателей щеточно-коллекторного аппарата сдвинуть противоположно от положения геометрической нейтрали на величину угла физической нейтрали против направления вращения главных полюсов).

Кроме этого магнитный поток Ф пересекает магнитопровод 21 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 22, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.

При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторной батареи через провода 11, диод, подключенный под прямое напряжение, щетки 10, контактные кольца 8, провода 7 подается на обмотку 2 аксиального якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод открыт, по ней потечет постоянный ток.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 18, 19, проходит от главного полюса 18 через рабочий воздушный зазор 24, аксиальный якорь 1, рабочий воздушный зазор 24 к главному полюсу 19 и от него через рабочий воздушный зазор 23, магнитопровод 21, рабочий воздушный зазор 23 замыкается на главном полюсе 18.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 аксиального якоря 1, будут действовать электромагнитные силы согласно формуле 1. Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 18, 19. Так как аксиальный якорь 1 неподвижно закреплен в подшипниковом щите 13, а полюса 18, 19 вместе с валом 9 могут свободно вращаться на подшипниках 14, 15, то полюса 18, 19 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами Fпр, на подшипниках 14, 15, относительно аксиального якоря 1 с обмоткой 2, и магнитопровода 21 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22.

Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами 18, 19 от обмотки 2 аксиального якоря 1 совпадали по направлению. При этом обгонная муфта 17 соединяет ветротурбину с валом 9 ротора с расположенными на нем главными полюсами 18, 19, и передает ей энергию от ветротурбины в виде вращающего момента, дополнительно воздействуя на них, суммируя энергию ВИЭ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Магнитный поток Ф пересекает магнитопровод 21 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 22 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 22, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.

1. Гибридная аксиальная электрическая машина-генератор, содержащая щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод с расположенной в нем генераторной обмоткой переменного тока, аксиальные якорь с обмоткой и ротор, отличающаяся тем, что корпус статора выполнен в форме полого цилиндра, к торцовым поверхностям которого неподвижно прикреплены подшипниковые щиты, корпус статора и подшипниковые щиты изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, причем на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита со стороны ветротурбины установлен магнитопровод с генераторной обмоткой переменного тока, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, а на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита с противоположной стороны установлен якорь с обмоткой, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, вместе с тем ротор расположен между магнитопроводом с генераторной обмоткой переменного тока и якорем с возможностью вращения относительно них и имеет аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов, зафиксированные неподвижно относительно вала при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу ротора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, одновременно с этим на валу расположена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины к валу ротора, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению.

2. Гибридная электрическая машина-генератор по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрической трансмиссии со сверхпроводящими обмотками. Сверхпроводниковая трансмиссия включает: входной вал и входной электромеханический преобразователь, содержащий статор с многофазными обмотками и ротор, установленный на входном валу, по меньшей мере один выходной вал и по меньшей мере один выходной электромеханический преобразователь, содержащий статор с многофазными обмотками и ротор, установленный на выходном валу; термоизолированный контейнер, обеспечивающий температурный режим сверхпроводящего состояния размещенных в нем обмоток статоров входного и выходного электромеханических преобразователей и кабеля, выполненных из сверхпроводящего материала и соединенных в единый электрический контур.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления генератором. Техническим результатом является увеличивается частоты вращения вала до определенного предела без использования дополнительных энергоресурсов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к бесконтактным электромагнитным редукторам. Электромагнитный редуктор содержит корпус с установленными в нем статором с многофазной обмоткой, подключенной к источнику напряжения регулируемой частоты, с первым и вторым роторами, жестко установленными на входном и выходном валах, соответственно.

Изобретение относится к электромагнитным механизмам, а именно к бесконтактным магнитным редукторам, и может быть использовано в качестве передаточного устройства в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроэнергетических системах распределения генерируемой электроэнергии. Техническим результатом является обеспечение эксплуатационной надежности электроэнергетической системы за счет трансформации отношения между тихоходным и быстроходным валами для исключения режима аварийного перехода генераторов в асинхронный режим.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к бесконтактным электромагнитным редукторам, которые содержат корпус с установленными в нем статором, первым и вторым роторами, жестко установленными на входном и выходном валах, при этом первый ротор выполнен в виде ферромагнитной беличьей клетки, стержни которой, вставленные в кольца из немагнитного и неэлектропроводящего материала, образуют зубцы этого ротора, а второй ротор, расположенный внутри первого, выполнен в виде зубчатого магнитопровода, причем статор, стержни зубцов первого ротора и второй ротор выполнены шихтованными из ферромагнитной тонколистовой стали.

Изобретение относится к области электроэнергетики, а точнее - к системам для генерации электроэнергии. Технический результат - повышение эффективности электроснабжения различных потребителей.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным редукторам. Электромагнитный редуктор содержит корпус с установленными в нем статором, первым и вторым роторами, жестко установленными на входном и выходном валах соответственно, при этом первый ротор, расположенный коаксиально со статором и жестко связанный с концом входного вала, выполнен в виде беличьей клетки, стержни которой, вставленные в кольца из немагнитного материала, образуют зубцы этого ротора, а второй ротор, расположенный внутри первого, выполнен в виде зубчатого магнитопровода, причем статор, стержни зубцов первого ротора и второй ротор выполнены шихтованными из ферромагнитной тонколистовой стали, обмотки возбуждения установлены на щитах редуктора и подключены к источнику постоянного напряжения с возможностью создания однонаправленных магнитных потоков в статоре и роторах, а второй ротор выполнен с числом зубцов, равным разности между числом зубцов первого ротора и числом зубцов статора z2=(z1-z).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электропитания. Техническим результатом является поддержание частоты вращения за счет снижения тормозного момента.

Изобретение относится к электротехнике, к электроэнергетическим и электродинамическим установкам, и может быть использовано для придания движения аэрокосмическим аппаратам, а также наземным, водным и подводным транспортным средствам.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к бесконтактным электромагнитным редукторам. Технический результат - увеличение передаваемой мощности в установившемся и динамическом режимах с сохранением возможности регулирования коэффициента редукции. Электромагнитный редуктор содержит статор с многофазной обмоткой, подключенной к источнику напряжения, первый и второй ротор, установленные на входном и выходном валах соответственно. Обмотка статора подключена к источнику напряжения через регулируемый преобразователь частоты и размещена в пазах внутренней поверхности статора с образованием полюсов. Первый ротор выполнен в виде беличьей клетки, стержни которой образуют зубцы z этого ротора. Трехфазная обмотка статора состоит из катушек, число которых равно числу зубцов статорного сердечника, с числом пар полюсов р1. Второй ротор, расположенный внутри первого, выполнен с числом 2(z-p1) разнополярных магнитов, которые наклеены на шихтованный ферромагнитный цилиндр с соотношением внешнего диаметра ротора к толщине магнита, равного 24,4. 3 ил.

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно. Технический результат заключается в увеличении количества, равномерности поступления электрической энергии m-фазного переменного тока, повышении надежности и стабильности работы энергосистемы. В гибридном аксиальном ветро-солнечном генераторе, содержащем щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, аксиальный якорь с обмоткой, в пазах которого дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока с выходом, соединенным с помощью контактных колец и щеток с сетью переменного тока, генераторная обмотка переменного тока выполнена m-фазной, аксиальный якорь закреплен неподвижно на валу при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, а вал позиционируется на подшипниках, впрессованных в подшипниковые щиты, которые неподвижно закреплены к торцовым поверхностям статора, выполненного в форме полого цилиндра. На внутренней торцовой поверхности подшипникового щита из материала с малым магнитным сопротивлением, расположенного со стороны ветротурбины, неподвижно закреплены аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов, причем статор и другой подшипниковый щит изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, а щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно относительно статора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали против направления вращения якоря, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, щетки и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. На валу расположена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины к валу ротора, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой аксиального якоря от главных полюсов, совпадали по направлению. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно. Технический результат заключается в увеличении количества, равномерности поступления электрической энергии m-фазного переменного тока, повышении надежности и стабильности работы энергосистемы. Гибридная машина-генератор содержит вал, якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, подшипники, генераторную обмотку переменного тока. Вал якоря неподвижно закреплен с двух сторон в несущих щитах статора. Главные полюса позиционируются радиально относительно друг друга, изготовлены из постоянных магнитов и зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками из материала с высоким магнитным сопротивлением с подшипниками, расположенными на валу по обеим сторонам якоря во внутренней полости статора с необходимыми рабочими воздушными зазорами между якорем и магнитопроводом статора с возможностью вращения совместно с щеткодержателями и щетками относительно якоря и закрепленного на статоре магнитопровода с генераторной обмоткой переменного тока. Щеткодержатели закреплены в подшипниковой крышке с учетом того, что их ось перпендикулярна оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов. Якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат. Контактные кольца расположены на внешней стороне подшипниковой крышки. Щетки зафиксированы щеткодержателями на внутренней расточке статора. Имеется устройство, исключающее протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. Одновременно с этим на подшипниковой крышке неподвижно закреплена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины через подшипниковую крышку к главным полюсам. Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно. Техническим результатом является увеличение количества поступления электрической энергии m-фазного переменного тока, обеспечение равномерности ее поступления и повышение надежности и стабильности работы энергосистемы. Гибридный ветро-солнечный генератор содержит вал, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, якорь с обмоткой, в пазах которого дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью потребителей переменного тока, подшипниковые щиты с подшипниками; генераторная обмотка переменного тока выполнена m-фазной, якорь позиционируется на подшипниках, встроенных в подшипниковые щиты из материала с высоким магнитным сопротивлением, которые неподвижно закреплены с торцов станины статора, и имеет возможность вращения внутри главных полюсов из постоянных магнитов, неподвижно закрепленных на цилиндрической поверхности внутренней расточки станины. Щетки щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковом щите, их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали против направления вращения якоря, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат. Генератор содержит устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. На валу генератора закреплена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой якоря от главных полюсов, совпадали по направлению. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в увеличении количества и равномерности поступления электрической энергии m-фазного переменного тока, а также повышении надежности и стабильности работы энергосистемы. В гибридной аксиальной электрической машине-генераторе, содержащей щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод с расположенной в нем генераторной обмоткой переменного тока, аксиальные якорь с обмоткой и ротор, корпус статора выполнен в форме полого цилиндра, к торцовым поверхностям которого неподвижно прикреплены подшипниковые щиты, корпус статора и подшипниковые щиты изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением, причем на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита со стороны ветротурбины установлен магнитопровод с генераторной обмоткой переменного тока, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, а на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита с противоположной стороны установлен якорь с обмоткой, активная поверхность которого расположена аксиально к прилегающей активной торцовой поверхности ротора, вместе с тем ротор расположен между магнитопроводом с генераторной обмоткой переменного тока и якорем с возможностью вращения относительно них и имеет аксиально расположенные главные полюса, изготовленные из постоянных магнитов, зафиксированные неподвижно относительно вала при помощи материала с высоким магнитным сопротивлением, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно на валу ротора с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, контактные кольца, расположенные на валу, щетки и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, одновременно с этим на валу расположена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины к валу ротора, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх