Результат интеллектуальной деятельности: СИНХРОННЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к области электротехники и касается электрических машин, в частности синхронных генераторов, применяемых, например, в ветроэлектрогенераторных установках, гидрогенераторах, турбогенераторах, и аналогичного применения электрооборудования, предназначенного для преобразования механической энергии первичных двигателей в электрическую.

Известен аналог, содержащий статор и вращающийся внутри него ротор. Между статором и ротором имеется воздушный зазор (см. Иванов А.А. Справочник по электротехнике // Киев: Вища школа, 1984, 360 с. - на стр. 248).

Недостатками его являются большая масса статора, выполненного в том числе из обмоток провода; перегрев конструкции из-за вихревых токов, дороговизна используемых материалов и технологии изготовления; возможность перегрузки при повышенной нагрузке.

Задачей изобретения является уменьшение массы генератора, упрощение технологии изготовления и снижение стоимости.

Поставленная задача достигается тем, что синхронный магнитоэлектрический генератор, содержащий статор и ротор, содержит размещенные на статоре магнитоэлектрические элементы и магниты для подмагничивания магнитоэлектрических элементов.

Магнитоэлектрические элементы могут быть изготовлены с возможностью работать на резонансной частоте.

Конструкция статора может содержать магнитоэлектрические элементы, выполненные из материалов с внутренним магнитным полем и не требующие применения в конструкции магнитов для подмагничивания магнитоэлектрических элементов.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат: уменьшение массы генератора, упрощение технологии изготовления и снижение стоимости, а также отсутствие нагрева элементов статора по причине отсутствия вихревых токов.

Для пояснения предлагаемого изобретения предложены чертежи. На фиг. 1 изображен продольный и поперечный разрез синхронного трехфазного МЭ генератора, на фиг. 2 изображен продольный и поперечный разрез синхронного однофазного МЭ генератора, на фиг. 3 изображены схемы принципиальные генераторов: а - трехфазного, б - однофазного.

Устройство состоит из статора генератора в составе корпуса статора 1, в плоскости которого установлены МЭ элементы 2 и магниты для подмагничивания 3; ротора генератора, который состоит из оси 4, установленной в подшипники статора 5, на оси закреплены посредством конструкционных держателей 6 магниты 7, электрический потенциал снимается с электродов 8.

Устройство работает следующим образом. На ось 4 ротора передается вращающий момент от внешнего источника движения. Ось вращает закрепленные на ней с помощью держателей 6 магниты 7. Магниты предназначены для создания переменного магнитного поля, наводимого в МЭ элементах 2 статора при их вращении. Переменное магнитное поле индуцирует переменный электрический потенциал на обкладках МЭ элемента следующим образом. МЭ элемент - это элемент, выполненный по керамической технологии, слоистый материал, искусственный материал, либо монокристалл, обладающий МЭ эффектом. МЭ эффект заключается в индуцировании электрической поляризации при воздействии на материал внешнего магнитного поля или индуцировании намагниченности при воздействии на материал внешнего электрического поля. Для примера приведем описание работы слоистого МЭ материала, состоящего из пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца типа ЦТС-19 и магнитострикционного материала Метглас. Исследование этого материала приведено, например, в работе (см. Бичурин М.И., Петров Р.В., Соловьев И.Н., Соловьев А.Н. Исследование магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и Метгласа // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №1; URL: www.science-education.ru/101-5367). В конструкцию статора установлены постоянные подмагничивающие магниты 3 для создания необходимого смещения в МЭ элементе. Магнитострикционная фаза МЭ элемента, попав в зону действия переменного магнитного поля, изменяет геометрические размеры, что приводит к давлению на пьезоэлектрическую фазу МЭ элемента, а это в свою очередь индуцирует появление электрического потенциала на обкладках МЭ элемента. МЭ элементы могут быть соединены между собой, например, как показано на фиг. 3 (а - соединение для конструкции трехфазного синхронного МЭ генератора показанного на фиг. 1, б - соединение для конструкции однофазного синхронного МЭ генератора показанного на фиг. 2), либо использоваться раздельно. Если для изготовления МЭ элементов используется поляризованный пьезоэлектрик, то необходимо учитывать полярность подключения элементов. Окончательно электрический потенциал снимается с электродов 8 устройства. Кроме того, скорость ротора при постоянной частоте тока в МЭ элементах статора сохраняется постоянной и не зависит от нагрузки на валу, т.е. режим работы генератора синхронный. Для поддержания синхронного режима работы, оптимального генерирования энергии, расположение МЭ элементов на статоре симметричное, например, как показано на фиг. 1 и фиг. 2. Расположение магнитов для подмагничивания МЭ элементов выбирается таким образом, чтобы обеспечить линейный режим генерации напряжения на МЭ элементе. Существенное увеличение производительности синхронного МЭ генератора можно добиться применением резонансного режима работы МЭ элементов, например используя резонанс изгибных колебаний (см. М.И. Бичурин, В.М. Петров, К.В. Лаврентьева, Р.В. Петров Изгибные колебания двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуры // Вестн. Новг. гос. унта. Сер.: Техн. науки. 2011. №65. С. 11-13).

По сравнению с традиционным синхронным генератором в предложенной конструкции отсутствуют катушки статора, которые имеют существенный вес, часто выполняются из дорогих медных сплавов, намотка таких катушек - это сложный технологический процесс, требующий больших трудозатрат и специального оснащения, в магнитопроводе статора возникают вихревые токи, которые являются причиной перегрева генератора и снижают его надежность. В отличие от этого, в предложенной конструкции отсутствуют катушки статора, источником э.д.с. здесь являются МЭ элементы. Конструкция корпуса статора 1 может быть выполнена из диэлектрических немагнитных материалов, что позволит исключить возникновение паразитных вихревых токов. Стоимость МЭ элементов, выполненных, например, по керамической технологии, оценивается существенно ниже в виду отсутствия дорогостоящих медных сплавов, а сама технология проста и не требует специализированных средств оснащения (см. C.-W. Nan, M.I. Bichurin, S. Dong, D. Viehland, and G. Srinivasan. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions // J. Appl. Phys. 103, 031101 (2008)). Вес МЭ элементов по сравнению с катушками обмотки и стальными сердечниками меньше, т.к. плотность исходных компонентов ниже (медь - 8,92 г/см³, ЦТС - 7,4 г/см³). Возможность перегрузки при повышенной нагрузке в предложенной конструкции отсутствует, т.к. внутреннее сопротивление МЭ элементов велико и режим короткого замыкания не вызовет перегрева элементов.

Предлагаемое по п. 2 отличие обосновано тем, что эффективность работы МЭ элементов существенно выше на резонансной частоте, нежели вне резонанса, что подтверждено исследованиями, приведенными в статье (см. M.I. Bichurin, D.A. Filippov, and V.M. Petrov. Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites // Phys. Rev. В 68, 132408, 2003). Значение преобразованной энергии в МЭ элементе в районе резонанса может превышать нерезонансное на два порядка, что обеспечивает преимущество такой конструкции. Конструкция генератора должна быть сконструирована таким образом, чтобы скорость вращения генератора была приведена в соответствие с линейными резонансными размерами МЭ элемента.

Предлагаемое по п. 3 отличие обосновано тем, что разработаные новые магнитострикционные материалы, в которых существует внутреннее магнитное поле за счет внутренних деформаций материала, остаточного намагничивания, либо градиента магнитных свойств (см. Бичурин М.И., Петров В.М., Семенов Г.А. Магнитоэлектрический материал для компонентов радиоэлектронных приборов // Патент РФ №2363074 от 11.03.2008), существенно превосходят по своей функциональности традиционные, такие как, например, никель, Метглас, пермендюр и др. Использование таких материалов позволяет исключить подмагничивание МЭ элементов, что было необходимо для преодоления квадратичного режима работы МЭ элементов и работы преобразователей в более эффективном линейном режиме.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет достичь минимальный вес генератора по сравнению с традиционными имеющими обмотки статора генераторами, упрощенную технологию изготовления и минимальную стоимость, уменьшить перегрев конструкции, возникающий из-за вихревых токов, отсутствие перегрузки при повышенной нагрузке.