Гибридная электрическая машина-генератор

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 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 двухвходовой электрической машины (патент РФ №2091967, 1997 г.), которая содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и корпус, при этом шихтованный якорь помещен концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки, впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря.

Положительными качествами этой электрической машины является то, что она позволяет одновременно использовать механическую (усиливаемую) энергию, например, ветротурбины, и электрическую (усиливающую) - от фотоэлектрических преобразователей в системе комплексного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, а также то, что в основном состоит из серийно изготавливаемых деталей и узлов (якорь с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод ротора (изготавливается аналогично магнитопроводу статора асинхронных или синхронных электрических машин)), что позволяет минимизировать затраты на ее изготовление и ремонт.

Однако такая машина может работать только в двигательном режиме работы, являясь усилителем механической мощности, либо как генератор постоянного тока, что резко ограничивает область применения данной машины.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами за прототип является двухмерная электрическая машина-генератор (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.

Дополнительным положительным качеством данной конструкции является то, что она в основном состоит из серийно изготавливаемых деталей и узлов (якорь с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод ротора (изготавливается аналогично магнитопроводу статора асинхронных или синхронных электрических машин)), что позволяет минимизировать затраты на ее изготовление и ремонт.

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 уменьшает эффективность использования ВИЭ, резко ограничивает область применения данной машины и, тем самым, увеличивает неравномерность поступления энергии 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 электрической машине-генераторе, содержащей вал, якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, подшипники, генераторную обмотку переменного тока, согласно изобретению 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, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке 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 внешней стороне подшипниковой крышки, щетки, зафиксированные щеткодержателями на внутренней расточке статора, и устройство, которое исключает 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, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки якоря, совпадали по направлению.

Вращающий момент от ветротурбины к обгонной муфте передается через зубчатую передачу, зубчатое колесо которой расположено на обгонной муфте.

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 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 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 подвижную часть машины (главные полюса и подшипниковые щиты). Причем главные полюса изготовлены из постоянных магнитов и создают основной магнитный поток, который замыкается только радиально через воздушные зазоры, якорь и магнитопровод статора с m-фазнной генераторной обмоткой переменного тока (в осевом направлении распространение основного магнитного потока не происходит за счет того, что главные полюса зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками, изготовленными из материала с высоким магнитным сопротивлением). При этом вращающейся момент приводит в движение главные полюса относительно магнитопровода статора с обмотками и их магнитный поток пересекает обмотку статора, наводя в ней ЭДС. При подключении нагрузки к обмотке статора электрическая цепь будет замкнута, и по ней будет протекать электрический ток, т.е. 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 через подшипниковую крышку к главным полюсам, при этом полярность подключения источника постоянного тока такова, что вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами от обмотки 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 - подвижная часть, а именно подшипниковые крышки, вращающиеся на подшипниках с неподвижно закрепленными на них главными полюсами.

При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта соединяет ветротурбину через подшипниковую крышку с подвижной частью машины и передает ей энергию в виде вращающего момента для преобразования ее в электрическую энергию трехфазного (или более) 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 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 электрическую машину-генератор от ветротурбины для того чтобы не затрачивать дополнительную энергию на раскручивание лопастей ветротурбины в обратном направлении, а протекающий ток по обмотке якоря создает вращающий момент, действующий на главные полюса для дальнейшего преобразования энергии постоянного тока в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Более того, наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЭ в гибридной в электрической машины-генераторе в этом режиме работы происходит за счет того, что щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке таким образом, чтобы их ось была сдвинута относительно геометрической нейтрали на угол физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов, что позволит компенсировать поперечную реакцию 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 через подшипниковую крышку с подвижной частью машины и передает вращающий момент на главные полюса и протекающий ток по обмотке якоря создает 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.

Важно отметить, что все основные детали и узлы предлагаемой машины серийно изготавливаются. Вал якоря с обмоткой, щеточно-коллекторный узел, основные полюса, подшипниковые крышки с подшипниками применяются в машинах постоянного тока. Магнитопровод, в пазах которого уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока, широко применяется в асинхронных и синхронных электрических машинах. Все это позволяет использовать основные детали стандартного исполнения, что позволяет минимизировать затраты на изготовление и ремонт устройства и повышает перспективность применения генераторов подобного типа в нетрадиционной энергетике.

Сущность устройства поясняется чертежами.

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

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

На фиг. 3 представлена модель ГЭМ-Г, позволяющая описать принцип ее работы (нумерация позиций согласована в соответствии с фиг. 1 и фиг. 2).

ГЭМ-Г содержит 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). К щеткам 6 подключены провода 7, соединенные с контактными кольцами 8. Контактные кольца 8 изолированы от подшипниковой крышки 9, расположены на внешней стороне и при помощи щеткодержателей 10 с щетками 11 посредством проводов 12 связывают обмотку 2 и через диод VD, подключенный под прямое напряжение (т.е. анод имеет положительный потенциал относительно катода), с источником постоянного тока (фиг. 1 и фиг. 3). В данном случае диод VD выполняет функцию устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока.

Вал 13 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 14. Несущие щиты статора 14 соединены неподвижно со статором 15 с цилиндрической расточкой. Щеткодержатели 10 закреплены неподвижно с внутренней стороны цилиндрической расточки статора 15.

В статор 15 впрессован шихтованый магнитопровод статора 16, в пазах которого уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока 17 по типу статорных обмоток асинхронных двигателей, соединенная посредством проводов 18 к сети переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям.

Главные полюса 19, 20 позиционируются радиально относительно друг друга и изготовлены из постоянных магнитов, зафиксированы с торцов подшипниковыми крышками 9, 21, из материала с высоким магнитным сопротивлением, с подшипниками 22, 23, расположенными на валу 13 по обеим сторонам якоря 1 во внутренней полости статора 15 (фиг. 1 и фиг. 2).

Радиальные размеры главных полюсов 19, 20 выполнены таким образом, что между якорем 1 и магнитопроводом статора 16 имеются рабочие воздушные зазоры 24, 25. Наличие рабочих воздушных зазоров 24, 25 позволяет свободно вращаться главным полюсам 19, 20 вместе с подшипниковыми крышками 9, 21 на подшипниках 22, 23 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 19, 20, проходит от главного полюса 19 через рабочие воздушные зазоры 24, 25, якорь 2 к главному полюсу 20 и от него через магнитопровод статора 16 замыкается на главном полюсе 19 (фиг. 3).

При этом щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке 9 с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 19, 20 (ось геометрической нейтрали) и сдвинута относительно нее на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов (фиг. 3).

На подшипниковой крышке 21 неподвижно закреплена обгонная муфта 26 (фиг. 2). Вращающий момент от ветротурбины передается через зубчатое колесо 27 (зубчатой передачи) к обгонной муфте 26, а затем через подшипниковую крышку 21 к главным полюсам 19, 20.

Необходимо ответить, что в данном случае приведен простейший случай машины с одной парой основных полюсов 19, 20, щеткодержателей 5 с щетками 6. Конструкция гибридной электрической машины-генератора позволяет кратно увеличить количество основных полюсов 19, 20 (при чередующейся полярности полюсов), щеткодержателей 5 с щетками 6. Это дает дополнительные возможности по уменьшению массы (веса) машины и длины коллектора, повышения надежности работы щеточного узла (Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Изд. 2-е - Л., «Энергия», 1973 - 70 с, с. 14).

Электрическая машина-генератор является гибридной и сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов. С одной стороны вал 13 якоря 1 с обмоткой 2, щеточно-коллекторный аппарат (коллектор 4, щеткодержатели 5 с щетками 6) и основные полюса 19, 20, размещенные внутри магнитопровода статора 16, в совокупности являются основой машины постоянного тока, особенность которой заключается в том, что вал 13 якоря 1 с обмоткой 2 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 14, а основные полюса 19, 20 и щеткодержатели 5 с щетками 6 имеют возможность совместного вращения на подшипниковых крышках 9, 21 с подшипниками 22, 23 вокруг якоря 2 внутри магнитопровода статора 16. При этом магнитопровод статора 16 проводит основной магнитный поток Ф, создаваемый основными полюсами 19, 20, и выполняет такую же функцию, что и ярмо в классических машинах постоянного тока. С другой стороны, основные полюса 19, 20 имеют возможность вращения вокруг якоря 1, при этом якорь 1 является проводником основного магнитного потока Ф, создаваемого основными полюсами 19, 20, и совместно с ним выполняет такую же функцию, что и явнополюсный ротор в синхронных генераторах.

Гибридная электрическая машина-генератор работает следующим образом.

При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 26 отсоединяет подвижную часть машины (главные полюсам 19, 20 вместе с подшипниковыми крышками 9, 21) от ветротурбины и, тем самым, позволяет свободно вращаться главным полюсам 19, 20 с подшипниковыми крышками 9, 21 на подшипниках 22, 23 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.

Постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторной батареи через провода 12, устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока (в данном случае используется диод VD, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока), щетки 11, позиционирующиеся во внутренней полости статора 15 при помощи щеткодержателей 10, контактные кольца 8, провода 7, щетки 6, коллектор 4 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод VD открыт, по ней потечет постоянный ток.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 19, 20, проходит от главного полюса 19 через рабочие воздушные зазоры 24, 25, якорь 1 к главному полюсу 20 и от него через магнитопровод статора 16 замыкается на главном полюсе 19.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 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 19, 20. Так как вал 13 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 14, то главные полюса 19, 20 вместе с подшипниковыми крышками 9, 21 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами Fпр на подшипниках 22, 23, относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре 15 магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.

Так как магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС:

где - скорость изменения магнитного потока;

wp - число витков m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.

Если при помощи проводов 18 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.

Наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЭ в гибридной в электрической машины-генераторе в этом режиме работы происходит за счет того, что щеткодержатели 5 с щетками 6 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке 9 таким образом, чтобы их ось была сдвинута относительно геометрической нейтрали на угол физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов 19, 20 из-за того, что якорь 1 заторможен, а вокруг него вращаются полюса 19, 20 (в электрических машинах постоянного тока классической 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), что позволит компенсировать поперечную реакцию якоря 1 и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата, характеристики машины с возможностью получения максимального крутящего момента для приведения в движение главных полюсов 19, 20 и соответственно получения максимального количества энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования.

При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 26 соединяет через зубчатое колесо 27 подвижную часть машины с ветротурбиной, которая вращает главные полюса 19, 20 с подшипниковыми крышками 9, 21 на подшипниках 22, 23 относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 19, 20, проходит от главного полюса 19 через рабочие воздушные зазоры 24, 25, якорь 1 к главному полюсу 20 и от него через магнитопровод статора 16 замыкается на главном полюсе 19.

Основной магнитный поток Ф, пересекая обмотку 2 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 якоря 1 от источника электрической энергии постоянного тока. В данном случае подача обратного напряжения на диод VD 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 19, 20 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 якоря 1 в генераторном режиме работы необходимо ось щеткодержателей щеточно-коллекторного аппарата сдвинуть от положения геометрической нейтрали на величину угла физической нейтрали против направления вращения главных полюсов).

Кроме этого, магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 18 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 17, 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 12, диод VD, подключенный под прямое напряжение, щетки 11, контактные кольца 8, провода 7 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод VD открыт, по ней потечет постоянный ток.

Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 19, 20, проходит от главного полюса 19 через рабочие воздушные зазоры 24, 25, якорь 2 к главному полюсу 20 и от него через магнитопровод статора 16 замыкается на главном полюсе 19.

При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1, будут действовать электромагнитные силы по формуле 1. Такое же по величине, но противоположное по направлению усилие будет действовать на главные полюса 19, 20. Так как вал 13 якоря 1 неподвижно закреплен в несущих щитах статора 14, то главные полюса 19, 20 вместе с подшипниковыми крышками 9, 21 придут во вращение под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами Fпр на подшипниках 22, 23, относительно якоря 1 с обмоткой 2 и расположенного на статоре 15 магнитопровода статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17. Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и главными полюсами 19, 20 от обмотки 2 якоря 1, совпадали по направлению. При этом обгонная муфта 26 соединяет ветротурбину с подвижной частью машины (подшипниковые крышки 9, 21 с главными полюсами 19, 20) и передает ей энергию от ветротурбины через зубчатое колесо 27 в виде вращающего момента, дополнительно воздействуя на нее, суммируя энергию ВИЭ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.

Магнитный поток Ф пересекает магнитопровод статора 16 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 17 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 18 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 17, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.

1. Гибридная электрическая машина-генератор, содержащая вал, якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, подшипники, генераторную обмотку переменного тока, отличающаяся тем, что 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, при этом щеткодержатели щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковой крышке 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 внешней стороне подшипниковой крышки, щетки, зафиксированные щеткодержателями на внутренней расточке статора, и устройство, которое исключает 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, 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 вращающий момент от ветротурбины к обгонной муфте передается через зубчатую передачу, зубчатое колесо которой расположено на обгонной муфте.

3. 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 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.

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.

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.

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 области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, одновременно подаваемой на другой ее вход (электрический) в суммарную электрическую энергию переменного тока.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, одновременно подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для дистанционного и автоматического управления приводами металлорежущих станков и других машин, преимущественно в автоматических коробках скоростей, коробках передач, механизмах подач и вспомогательных перемещений, в качестве тормозов в позитивных и цикловых системах, а также в качестве сцепных или пусковых устройств.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для дистанционного и автоматического управления приводами металлорежущих станков и других машин, преимущественно в автоматических коробках скоростей, коробках передач, механизмах подач и вспомогательных перемещений, в качестве тормозов в позитивных и цикловых системах, а также в качестве сцепных или пусковых устройств.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электростартерного запуска маршевых авиадвигателей. Технический результат - обеспечение высокой энергетики и обеспечение раскручивания авиадвигателя до оборотов, соответствующих или превышающих синхронную частоту стартер-генератора.

Изобретение относится к области электротехники и энергетического машиностроения. Технический результат состоит в повышении мощности и КПД силовой установки, получении большего количества электроэнергии.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электромашинным преобразователям, и может быть использовано для питания потребителей переменным током. .

Изобретение относится к электротехнике, касается особенностей преобразования механической энергии в электрическую и может быть использовано для выработки электрической энергии.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход, 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.

Наверх