Электрическая машина

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Дмитриев Сергей Михайлович(72) Автор Дмитриев Сергей Михайлович(73) Патентообладатель Дмитриев Сергей Михайлович(57) 1. Электрическая машина, содержащая статор, включающий кольцевой магнитопровод с плоскими обмотками и соосно установленный ротор, выполненный в виде кольцевых магнитопроводов с магнитной системой в виде четного числа полюсов,охватывающих плоские обмотки статора, отличающаяся тем, что магнитная система магнитопровода ротора и кольцевой магнитопровод статора выполнены униполярными,обмотки статора намотаны в форме плоской спирали и смонтированы с зеркальной симметрией на боковых поверхностях кольцевого магнитопровода статора с возможностью возбуждения при протекании в них электрического тока, магнитного поля одинаковой полярности с магнитным полем кольцевого магнитопровода статора и магнитной системы ротора, при этом начало одной плоской обмотки электрически соединено с концом другой плоской обмотки, а конец первой плоской обмотки и начало второй плоской обмотки выведены на нагрузку. 2. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевой магнитопровод статора и полюса кольцевых магнитопроводов ротора выполнены из магнитного материала, характеризующегося остаточной магнитной индукцией не менее 0,12 Тл. 64512010.08.30 3. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевые магнитопроводы ротора выполнены из магнитомягкого материала с магнитной проницаемостью не менее 80000, например пермаллоя. 4. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что число полюсов кольцевого магнитопровода магнитной системы ротора выбирают не менее 2. 5. Электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что содержит более чем один статор с кольцевым магнитопроводом с плоскими обмотками и соосно установленный ротор, выполненный в виде кольцевых магнитопроводов с магнитной системой в виде четного числа полюсов, охватывающих плоские обмотки статора, при этом секции смонтированы на одной оси, являющейся общим валом ротора.(56) 1.2147153 2, 27.03.2000. 2.96/29776, 22.02.1996. 3.232 , 30.03.2001 (прототип). Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам - генераторам или двигателям, и касается особенностей конструктивного исполнения их статоров и роторов. Известен магнитный генератор 1, который содержит корпус, статор, включающий магнитную систему, магнитопроводы, катушки и ротор. Магнитные системы статора и ротора выполнены в виде магнитных блоков, состоящих из ряда магнитов, которые размещены с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту. Ориентация намагниченности каждого магнита осуществлена под углом,выбранным в диапазоне от 90 до - 90 относительно направления движения ротора, а катушки размещены на магнитопроводах, замыкающих полюса магнитов статора. Генератор электрического тока 2 включает непрерывный корпус, содержащий расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга магниты. Указанные магниты перемещаются в непрерывном корпусе через центры множества отдельных катушек в концентричном большем по размеру внешнем корпусе. Для увеличения генерируемого тока между смежными катушками в большем корпусе дополнительно вставлены пластины, а магниты при этом расположены так, что их разноименные полюсы обращены друг к другу. Для более эффективного увеличения генерируемого тока катушки могут охлаждаться, что снижает их электрическое сопротивление. Недостатком известных электрических машин с постоянными магнитами является неэффективное использование энергии магнитного поля магнитных систем статора и ротора,что приводит в конечном счете к снижению коэффициента полезного действия. Наиболее близко к предлагаемой полезной модели техническое решение электрической машины с постоянными магнитами 3, которая и выбрана в качестве прототипа. Электрическая машина содержит два ротора, между которыми установлен магнитопроводящий статор с обмоткой управления, выполненной в виде секций. Роторы выполнены в виде магнитопроводящих ступенчатых колец с расположенными на них постоянными магнитами и соединены друг с другом. Постоянные магниты ротора расположены с чередующейся полярностью, а его магнитная система может иметь любое четное количество полюсов. Полюса могут образовываться как отдельно взятыми постоянными магнитами,так и на одном многополюсном постоянном магните, выполненном в виде кольца. Статор выполнен в форме гладкого кольца, при этом секции обмотки управления статора расположены вплотную друг к другу. Соединение секций обмоток управления, а соответственно, и направление тока в них определяются из условия суммирования сил от каждой секции. Количество секций управления соответствует количеству магнитов. Постоянные 2 64512010.08.30 магниты, равномерно и с чередующейся полярностью расположенные на магнитопроводящих ступенях колец роторов, создают постоянный по величине и чередующийся в пространстве магнитный поток. При питании постоянным током секций обмотки управления статора находящихся в магнитном поле постоянных магнитов роторов, возникает сила,направление которой определяется правилом левой руки. Величина силы определяется по формуле,где- магнитная индукция- величина тока возбуждения в обмотке управления- число витков плоской обмотки в секции- длина проводника, находящегося в магнитном поле. Направление тока в секциях плоской обмотки организуют таким образом, чтобы в соответствии с правилом левой руки силы от каждой секции обмоток суммировались, и достигается это либо соответствующим подключением начала и конца секций обмоток,либо выбором направления намотки секций. В результате обеспечивается перераспределение магнитного потока между магнитными системами статора и ротора, что обеспечивает увеличение магнитной индукции и, соответственно, силы, крутящего момента и КПД устройства в целом. Недостатком прототипа является снижение мощности и КПД электрической машины вследствие периодического изменения направления вектора намагниченности магнитной системы статора, которое меняется при соответствующем изменении направления тока в управляющих плоских обмотках ротора. Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков и повышение эффективности функционирования электрической машины. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия и эффективности использования энергии магнитной системы статора и ротора электрической машины. Технический результат достигается тем, что в электрической машине, содержащей статор, включающий кольцевой магнитопровод с плоскими обмотками и соосно установленный ротор, выполненный в виде кольцевых магнитопроводов с магнитной системой в виде четного числа полюсов, охватывающих плоские обмотки статора, согласно полезной модели, магнитная система магнитопровода ротора и кольцевой магнитопровод статора выполнены униполярными, обмотки статора намотаны в форме плоской спирали и смонтированы с зеркальной симметрией на боковых поверхностях кольцевого магнитопровода статора с возможностью возбуждения, при протекании в них электрического тока, магнитного поля одинаковой полярности с магнитным полем кольцевого магнитопровода статора и магнитной системой ротора, при этом начало одной плоской обмотки электрически соединено с концом другой плоской обмотки, а конец первой плоской обмотки и начало второй плоской обмотки выведены на нагрузку. Кольцевой магнитопровод статора и полюса кольцевых магнитопроводов ротора выполнены из магнитного материала, характеризующегося остаточной магнитной индукцией не менее 0,12 Тл. Кольцевые магнитопроводы ротора выполнены из магнитомягкого материала с магнитной проницаемостью не менее 80000, например пермаллоя. Число полюсов кольцевого магнитопровода магнитной системы ротора выбирают не менее 2. Электрическая машина содержит более чем один статор с кольцевым магнитопроводом с плоскими обмотками и соосно установленный ротор, выполненный в виде кольцевых магнитопроводов с магнитной системой в виде четного числа полюсов,охватывающих плоские обмотки статора, при этом секции смонтированы на одной оси,являющейся общим валом ротора. 3 64512010.08.30 Сущность полезной модели поясняется чертежами на фиг. 1-4 на фиг. 1 - схематичный общий вид электрической машины в разрезе на фиг. 2 - вид ротора сбоку на фиг. 3 - диаграмма, иллюстрирующая движение свободных электрических зарядов электронов плоских спиральных обмоток статора в магнитном поле при вращении ротора на фиг. 4 - вид плоской спиральной обмотки сбоку. Электрическая машина содержит корпус 1, статор 3 с магнитопроводом 2, который выполнен в форме плоского кольцевого магнита, например, из феррита стронция или любого другого магнитного материала с магнитной индукцией не менее 0,12 Тл, спиральные плоские обмотки 4, 5, выполненные, например, из медной шины прямоугольного сечения и смонтированные с зеркальной симметрией на боковых поверхностях 6, 7 кольцевого магнитопровода 2 статор 3 смонтирован неподвижно на опорах 20 в корпусе 1 соосно установленный ротор 8 с кольцевыми магнитопроводами 9 с магнитной системой в виде четного числа, по меньшей мере, двух полюсов 10 из магнитного материала с магнитной индукцией не менее 0,12 Тл. Магнитопроводы 9 выполнены из магнитомягкого материала с магнитной проницаемостью не менее 80000, например пермаллоя. Начало н 1 плоской обмотки 4 соединено с концом к 2 плоской обмотки 5, а конец к 1 плоской обмотки 4 и начало н 2 плоской обмотки 5 выведены на нагрузку 11. Вал 12 ротора 8 посредством муфты 13 соединенный с приводным устройством 14 и блок управления 15. В качестве приводного устройства может быть использован любой известный движитель. Электрическая машина работает следующим образом. Включают приводное устройство 14 и через муфту 13 вращающий момент передают на вал 12, затем посредством блока управления 15 выводят режим вращения ротора 8 на рабочий режим. В процессе вращения ротора 8 магнитная система кольцевого магнитопровода 9 посредством полюсов 10, величина индукции которых существенно больше величины индукции магнитопроводов 2 и 9, создает локальные зоны 17 с возмущенным магнитным полем в зазоре между ротором и статором в виде бегущих волн однопериодического характера, распространяющихся по окружности в направлении вращения ротора 8. При этом в первой половине полупериода 16 (фиг. 3) в зоне возмущения 17 магнитное поле возрастает до максимального значения, которое определяется суммой максимального значения магнитной индукции полюсов 10 и магнитной индукции кольцевых магнитопроводов 2 и 9. Во второй половине полупериода 18 в зоне возмущения 17 магнитное поле уменьшается до минимального значения, равного суммарной магнитной индукции кольцевого магнитопровода 9 и плоского кольцевого магнита магнитопровода 2 статора 3. Импульсы возмущения постоянного магнитного поля в зазоре между ротором и статором в виде бегущих волн однополупериодного характера индуцируют, в соответствии с правилом Ленца, радиально направленный импульсный электрический ток в спиральных плоских обмотках 4, 5. Вследствие того, что плоская обмотка 4 смонтирована на боковой поверхности 6 кольцевого магнитопровода статора 2, а обмотка 5 зеркально установлена на его боковой поверхности 7 и обе они находятся в униполярном магнитном поле,направление движения индуцируемого постоянного электрического тока в обеих обмотках, замкнутых на нагрузку 11 через конец к 1 обмотки 4 и начало н 2 обмотки 5, совпадает. При этом направление силовых линий магнитного поля, индуцируемого этим током в плоских обмотках 4 и 5, совпадает с полярностью униполярного магнитного поля магнитных систем магнитопровода 2 и магнитопровода 9, что и обеспечивает дополнительный вклад в энергию магнитного поля магнитных систем статора 3 и ротора 8. Сложение энергии магнитных полей обеспечивается двойным поворотом на 90 свободных носителей отрицательных зарядов - электронов в плоских обмотках 4, 5 при их движении под воздействием бегущей волны однополупериодного характера в возмущенном постоянном магнитном поле (фиг. 3). При этом в первом полупериоде 16 под воздействием бегущей волны внешнего магнитного поля осуществляется первый поворот электронов на 90 с 4 64512010.08.30 разделением положительных зарядов - ионов, закрепленных в узлах кристаллической решетки (на чертеже не показано), и свободных отрицательных зарядов - электронов 19 с созданием разности потенциалов Е на концах к 1 и н 2 обмоток 4, 5 соответственно. Во втором полупериоде 18, при локальном уменьшении индукции внешнего магнитного поля в зоне возмущения, под воздействием внутреннего магнитного поля магнитопровода 2 осуществляется второй поворот электронов 19 на 90 и при включенной нагрузке 11 в замкнутой цепи протекает индукционный электрический ток, вызванный пондемоторной силой,где- заряд электрона- напряженность (разность потенциалов) электрического поля. Частота возмущений постоянного магнитного поля и, следовательно, частота импульсов индукционного электрического тока в обмотках 4, 5 определяются соотношением,где- число полюсов 10 ротора 8- угловая скорость вращения ротора 8. Нагрузка 11 через блок управления 15 связана с приводным устройством 14 положительной обратной связью (на чертеже не показано), что позволяет автоматически поддерживать в заданном режиме скорость вращения ротора 8 и оптимизировать процесс работы электрической машины. Электрическая машина также может быть выполнена многосекционной (на чертеже не показано), т.е. содержать более чем один статор и ротор, например два, три и т.д. Каждая секция включает статор 3 с кольцевым магнитопроводом 2 с плоскими обмотками 4, 5 и соосно установленный ротор 8, выполненный с кольцевым магнитопроводом 9 с магнитной системой в виде четного числа полюсов 10, охватывающих плоские обмотки статора 4, 5. Секции монтируют на одной оси, являющейся общим валом 12 ротора 8. В этом случае электрическая мощность, снимаемая с обмоток 4, 5 каждой секции, суммируется посредством соответствующего соединения концов к 1 и н 2 указанных обмоток. Техническое решение электрической машины удовлетворяет условию патентоспособности новизна, так как из уровня техники не известна заявляемая совокупность существенных признаков, направленных на достижение указанного технического результата. Полезная модель удовлетворяет критерию патентоспособности промышленная применимость, что подтверждается приведенным описанием работы устройства и результатами испытаний образца электрической машины. В таблице представлены результаты испытаний экспериментального односекционного образца электрической машины, изготовленной с использованием для магнитной системы в качестве материала магниторовода 2 и полюсов 10 кольцевых плоских магнитов феррита стронция с индукцией В 0,12 Тл, а в качестве материала магнитопровода 9 пермаллоя сплава железа и никеля (45-82), который может быть дополнительно легирован несколькими другими компонентами и характеризуется высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, почти нулевой магнитострикцией и значительным магниторезистивным эффектом. Число оборотов Ток, А Напряжение, Мощность, Пульсация , Способ измереротора, мин-1 ния параметров Тл 3000 500 0,4 200 0,5 Прямой 6000 1000 0,8 800 0,5 Прямой Испытания показали, что КПД электрической машины, в отличие от прототипа, повышается на 15-20 за счет более эффективного использования энергии магнитного поля магнитных систем статора 3 и ротора 8 вследствие отсутствия потерь на перемагничивание магнитпровода статора, а также дополнительного вклада в общую магнитную систему 5 64512010.08.30 статор-ротор энергии магнитного поля, генерируемого током индукции в обмотках 4, 5 статора 3. Оценочные расчеты, основанные на результатах испытаний, показывают, что с многосекционной электрической машины с объемом рабочего тела (магнитопровода) 1 м 3 при использовании для изготовления магнитной системы магнитопровода 2 кольцевых плоских магнитов и полюсов 10 сплава, содержащего с магнитной индукцией В 0,85 Тл, возможно снять электрическую мощность порядка 1,25 ГВт. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6