Электрическая машина

(51) МПК 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 с кольцевым магнитопроводом с обмотками, расположенный между кольцевых магнитопроводов соосно с ним установленного ротора с магнитной системой в виде четного числа полюсов, охватывающих обмотки статора, отличающаяся тем, что магнитная система магнитопроводов ротора и кольцевой магнитопровод статора выполнены униполярными, причем магнитопровод статора выполнен в виде плоского кольцевого магнита, а обмотки статора выполнены в форме плоских спиралей и смонтированы с зеркальной симметрией на его боковых поверхностях с возможностью возбуждения при протекании индуцируемого в спиралях электрического тока магнитного поля одинаковой полярности с магнитными полями статора и магнитной системы ротора, причем начало первой обмотки статора электрически соединено с концом второй его обмотки, начало которой и конец первой обмотки выполнены выведенными для подключения нагрузки. 15952 1 2012.06.30 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевой магнитопровод статора и полюсы кольцевых магнитопроводов ротора выполнены из магнитного материала, характеризующегося остаточной магнитной индукцией не менее 0,12 Тл. 3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевые магнитопроводы ротора выполнены из магнитомягкого материала с магнитной проницаемостью не менее 80000, например из пермаллоя. 4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что число полюсов кольцевого магнитопровода магнитной системы ротора выбирают не менее двух. 5. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один дополнительный аналогичный статор и ротор с образованием секций, причем кольцевые магнитопроводы ротора каждой секции смонтированы на одной оси, являющейся общим валом ротора. Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, в частности к генераторам или двигателям, и касается особенностей конструктивного выполнения их статоров и роторов. Известны многочисленные конструкции электрических машин с использованием магнитных систем с постоянными магнитами 1-5. Магнитный генератор 1 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 полюсы 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. Известна также электрическая машина 4 малой и средней мощности, магнитопровод которой включает ярмо в виде свернутой в спираль ферромагнитной ленты. Ферромагнитная лента имеет вырубленные отверстия с отогнутыми лепестками. Отверстия с отогнутыми лепестками выполнены только на первых витках спирали и образуют огибающую зону под каждым отверстием. В огибающей зоне размещается набор прямоугольных пластин зубцовой зоны. Известен электродвигатель с постоянными магнитами 5, содержащий ротор с расположенными на нем постоянными магнитами и статор, на магнитопроводе которого размещены плоские обмотки. Магнитопровод ротора выполнен в форме ступенчатого кольца,на котором установлены плоские обмотки управления. Магнитопроводы ротора и статора в радиальном направлении установлены с зазоромдля обеспечения замыкания магнитного потока вне рабочей зоны. Величина зазораудовлетворяет условию/2, гдерасстояние от магнитопровода статора до постоянного магнита. Общим недостатком упомянутых выше известных электрических машин с постоянными магнитами является неэффективное использование энергии магнитного поля маг 2 15952 1 2012.06.30 нитных систем статора и ротора, что приводит в конечном счете к снижению коэффициента полезного действия. Наиболее близко к предлагаемому изобретению техническое решение электрической машины - электродвигателя с постоянными магнитами 6. Известная 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. Полюсы 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 магниты,равномерно и с чередующейся полярностью расположенные на магнито-проводящих 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 конструкции прототипа является снижение мощности и КПД электрической машины вследствие неизбежного периодического изменения направления вектора намагниченности магнитной системы статора при изменении направления течения тока в управляющих плоских обмотках для обеспечения вращения ротора. Целью изобретения 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 с кольцевым магнитопроводом с обмотками, расположенный между кольцевых магнитопроводов соосно с ним установленного ротора с магнитной системой в виде четного числа полюсов, охватывающих обмотки статора, согласно изобретению, магнитная система магнитопроводов ротора и кольцевой магнитопровод статора выполнены униполярными, причем магнитопровод статора выполнен в виде плоского кольцевого магнита, а обмотки статора выполнены в форме плоских спиралей и смонтированы с зеркальной симметрией на его боковых поверхностях с возможностью возбуждения при протекании индуцируемого в спиралях электрического тока магнитного поля одинаковой полярности с магнитными полями статора и магнитной системы ротора, причем начало первой обмот 3 15952 1 2012.06.30 ки статора электрически соединено с концом второй его обмотки, начало которой и конец первой обмотки выполнены выведенными для подключения нагрузки. Кольцевой магнитопровод статора и полюсы 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 из пермаллоя. Число полюсов кольцевого магнитопровода магнитной системы ротора выбирают не менее двух. Электрическая машина содержит, по меньшей мере, один дополнительный аналогичный статор и ротор с образованием секций, причем кольцевые магнитопроводы ротора каждой секции смонтированы на одной оси, являющейся общим валом ротора. Сущность изобретения поясняется 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 спиральных обмоток 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 соединен с приводным устройством 14 и блоком 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 электрической машины 1 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. 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 постоянный 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 4 15952 1 2012.06.30 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, 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. При этом в первом полупериоде 16 под воздействием бегущей волны внешнего магнитного поля осуществляется первый поворот электронов на 90 с разделением положительных зарядов ионов, закрепленных в узлах кристаллической решетки (на фигурах 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 17, 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 следования импульсов возмущений постоянного магнитного поля, а следовательно, частота 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 схемно-технически связана с приводным устройством 14 положительной обратной связью (на фигурах не показано), что позволяет автоматически поддерживать в заданном режиме скорость вращения ротора 8 и оптимизировать процесс работы электрической машины. Совершенно очевидно, что электрическая машина 1 может быть выполнена многосекционной (на фигурах 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. Изобретение обладает промышленной применимостью, что подтверждается приведенным выше описанием работы устройства и результатами испытаний экспериментального образца электрической машины (таблица). Техническое решение электрической машины удовлетворяет условию патентоспособности новизна, так как из уровня техники не известна заявляемая совокупность существенных признаков, направленных на достижение указанного выше технического результата. Изобретение отвечает критерию патентоспособности изобретательский уровень, т.к. из комбинации существенных признаков известных ближайших аналогов очевидным образом не вытекает предлагаемое техническое решение с тем же техническим результатом. 5 15952 1 2012.06.30 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. Число оборотов Напряжение, Мощность, ПульсацияВ, Способ измерения Ток, А ротора, мин-1 Тл параметров 3000 500 0,4 200 0,5 прямой 6000 1000 0,8 800 0,5 прямой 12000 2000 1,6 3200 0,5 экстраполяция По сравнению с прототипом КПД электрической машины повышается на 15-20 , что обусловлено более эффективным использованием энергии магнитного поля магнитных систем статора 3 и ротора 8 вследствие отсутствия потерь на перемагничивание магнитпровода статора, а также дополнительным вкладом в магнитную систему статора энергии магнитного поля, генерируемого током индукции катушек 4, 5 статора 3. Оценочные расчеты, основанные на результатах испытаний, показывают, что с многосекционной электрической машины с объемом рабочего тела (магнитопровода) 1 м 3 и при использовании для изготовления магнитной системы магнитопровода 2 кольцевых плоских магнитов и полюсов 10 сплава, содержащего с магнитной индукцией 0,85 Тл, возможно снять электрическую мощность порядка 1,25 ГВт, а при использовании - магнитов с магнитной индукцией 1,1 Тл и объемом рабочего тела 27 м 3 порядка 33 ГВт. Источники информации 1.2147153 2, 27.03.2000. 2.96/29776, 22.02.1996. 3.0199496 2, 29.10.1986. 4.2015604 1, 30.06.1994. 5.233 , 30.03.2001. 6.232 , 30.03.2001 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7