Многофазный мотор-генератор с магнитным ротором

Изобретение относится к области машиностроения, электротехники и физики магнетизма (постоянных магнитов) и может быть использовано в энергетике и приборостроении.

Постоянные магниты широко применяются при создании электрических генераторов и двигателей. Взаимодействуя с обмотками последних на основании закона об электромагнитной индукции, в таких обмотках возникает э.д.с. при изменении во времени магнитной индукции, создаваемой вращающимся магнитом как ротором. Напротив, подавая на эти обмотки многофазное переменное напряжение, приходит во вращение магнит-ротор в организованном вращающемся магнитном поле статора.

Несмотря на широкую известность постоянных магнитов, их структуры и физического толкования их свойств, парадоксально то, что они позволяют экономить электроэнергию в электрических двигателях и генераторах в сравнении с таковыми при использовании в них электромагнитов, и при этой весьма серьезной экономии электроэнергии такие постоянные магниты, являясь фактически источниками сэкономленной энергии, не теряют своих магнитных свойств, то есть не размагничиваются (за исключением эффекта так называемого старения от нагревания или от ударов). При этом наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения и превращения энергии. Объяснение этого феномена - одна из задач современной физики магнетизма.

Действительно, если пренебречь в первом приближении активными потерями электроэнергии в проводниках обмоток электрогенератора или двигателя (что, вообще говоря, возможно), можно получить кпд двигателя с подмагничиванием его магнитной цепи практически равным единице. Однако если в таком двигателе-генераторе вместо подмагничивания использовать постоянный магнит, то затраченная энергия оказывается меньшей на величину потери энергии на подмагничивание, хотя магнит при этом не размагничивается, то есть не расходует своей внутренней магнитной энергии.

Так, при работе устройства в режиме двигателя сила, действующая на проводник ротора F=В L I, где В - магнитная индукция используемого магнитного поля, L - полная длина рабочего проводника, взаимодействующая с магнитным полем, поперечно ориентированном к проводнику, I - постоянный ток в указанном проводнике. При этом при движении такого проводника в магнитном поле с индукцией В со скоростью V в нем возникает противоэдс Ε=В L V, а согласно известному выражению для двигателя постоянного тока приложенное к рабочей обмотке напряжение U=Ε+I r, где r - активное сопротивление рабочей обмотки, находим к.п.д. двигателя η=|Ε|/U≈1 при r→0. При этом величина В при условии подмагничивания магнитной цепи постоянным током I_M определяется из выражения В=μ_O I_M Ν_Μ/[(l_Ж/μ)+Δ], где μ_O=1,256.10^-6 Гн/м - магнитная постоянная, Ν_M - число витков обмотки подмагничивания, l_Ж - длина магнитопровода магнитной цепи (м), μ - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика магнитной цепи, например железа, Δ - величина магнитного зазора между ротором и статором (м). При этом механическая мощность на валу двигателя практически равна мощности потребляемого электрического тока Ε I при Ε≈U для r→0. В то же время использование постоянного магнита с такой же индукцией В вместо электромагнита позволяет не затрачивать ток I_M на подмагничивание, что и создает экономию в объеме затраченной энергии.

С появлением весьма сильных постоянных магнитов, таких как неодимовые на основе Nd-Fe-B или магнитов Sm Co₃ с максимальной индукцией до 1,6 Тл, становится реальной перспектива весьма существенной экономии электроэнергии, которая потребовалась бы для подмагничивания магнитной цепи двигателя-генератора с учетом конечного значения проводимости обмотки подмагничивания. Кроме того, применение вращающихся магнитов-роторов вместо роторов с подмагничиванием существенно упрощает схему мотор-генераторов, поскольку не требуется применение скользящих контактов для подведения к обмоткам подмагничивания постоянного электрического тока I_M.

Существует достаточно много различных вариантов конструктивного исполнения бесколлекторных машин (мотор-генераторов) с подмагничиванием [1-3] и с использованием постоянных магнитов-роторов [4]. В данной работе заявляется новый такой вариант в виде многосекционного статора и единого для них ротора на постоянном магните, например неодимовом, протяженной конструкции в форме параллелепипеда со скругленными краями по его толщине, снабженном осью вращения.

Прототипом заявляемого устройства может быть многовитковая униполярная машина без скользящих контактов, содержащая ротор на основе постоянного магнита и статор с рабочей обмоткой, отличающаяся тем, что на оси вращения ротора из магнитомягкого материала закреплены осесимметрично намагниченный ферромагнитный тороид - с одной стороны и шайба магнитной связи - с другой, расположенная с минимальным зазором от магнитопроводящей крышки статора, выполненного в форме полого цилиндра, внутри которого напротив намагниченного ферромагнитного тороида ротора установлен вплотную к полому цилиндру статора тороид из немагнитного материала с намотанной на него рабочей обмоткой статора, находящейся в рабочем магнитном зазоре между ротором и статором, наружные части витков которой расположены на минимальном расстоянии от намагниченного ферромагнитного тороида ротора, а противоположные внутренние соприкасаются с цилиндрическим телом статора, корпус машины включает также вторую крышку из немагнитного материала, на которой установлены изолированные от нее выводы рабочей обмотки статора, а в обеих крышках закреплены подшипники оси вращения ротора [4].

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности устройства и увеличение его кпд.

Указанные цели достигаются в заявляемом многофазном мотор-генераторе с магнитным ротором и статором, отличающимся тем, что его ротор представляет постоянный магнит с осесимметричной осью вращения, выполненный в форме удлиненного параллелепипеда, намагниченного с магнитными полюсами на его гранях, параллельных оси вращения ротора и расположенных с малым зазором относительно статора, при этом статор выполнен из отрезка толстостенной трубки из магнитомягкого материала (например, железа) с установленными на ее концах крышками с подшипниками для оси вращения ротора, внутри статор включает K равноудаленных друг от друга статорных секций, расположенных вдоль оси указанной трубки, каждая из которых содержит N пар статорных катушек из проводника с сердечниками из магнитомягкого материала, магнитосвязанного с трубкой статора, оси симметрии магнитопроводящих сердечников пар катушек расположены на расстоянии Η друг от друга, равном толщине магнита-ротора на его магнитных полюсах, указанные N пар одинаковых статорных катушек эквидистантно распределены по внутреннему диаметру трубки статора, в пределе наибольшее целое число Ν_MAX=2π(R+Δ)/Η, где R - радиус ротора (полуширина магнита), Δ - зазор между полюсами магнита-ротора и магнитопроводящими сердечниками катушек статора, причем одинаковые обмотки в каждой паре статорных катушек соединены между собой согласно правилу: начало одной катушки в паре соединено с концом другой катушки и, наоборот, все начала первой из KN пар статорных катушек выведены наружу как фазные электроды, а их концы соединены с корпусом статора, образуя нулевой электрод, кроме того, снижение величины магнитного зазора Δ между ротором и статором обеспечено соответствующим скруглением магнитных полюсов радиусом R по их толщине H, а число K статорных секций определяется длиной L магнита-ротора и шириной S каждой из одинаковых статорных секций, то есть K=L/S.

Повышение энергетической эффективности и кпд в заявляемом устройстве, работающем, например, в режиме генерирования, объясняется тем, что за счет энергии магнитного поля, сосредоточенной в постоянном магните-роторе, при его пуске от внешнего момента-импульса достаточной величины возникающая э.д.с. в первой катушке статорной пары по ходу вращения ротора намагничивает магнитопроводящий сердечник второй катушки за счет указанной связи первой и второй катушек статорной пары, вследствие чего магнит-ротор втягивается в эту пару. После того как магнит-ротор начинает взаимодействовать со второй катушкой этой пары, двигаясь по инерции, возникающая в ней э.д.с. создает ток в первой катушке, что намагничивает ее магнитопроводящий сердечник с одноименной магнитной полярностью на его конце относительно полярности магнита, что вызывает эффект отталкивания магнита-ротора от магнитопровода первой катушки с одновременным втягиванием магнита-ротора ко второй катушке. Таким образом, потребный вращательный момент от внешнего источника, необходимый для получения генерируемой энергии заданной величины, существенно снижается. В режиме двигателя происходит то же самое, если пуск магнита-ротора произвести с помощью приложения к нему внешнего вращательного момента, а для питания N статорных пар катушек использовать соответствующую заданной угловой скорости вращения ω магнита-ротора комбинацию электрических импульсов, подаваемых на соответствующие N фазные выводы этих пар катушек для поддержания заданного вращения магнита-ротора.

Конструкция, способ соединения катушек в статорных парах и действие заявляемого устройства поясняются на представленных рисунках.

На рис. 1 показано соединение первой и второй (по ходу вращения магнита-ротора) катушек статорной пары для упрощенной схемы при N=4. На рис. 2 показан в двух проекциях вид на магнит-ротор (для простоты - без указания скругления его по толщине). На рис. 3 дана конструкция всего устройства, включающая K статорных пар внутри тела статора, взаимодействующих с удлиненной конструкцией магнита-ротора. На рис. 4 представлен фрагмент линейной развертки взаимодействующих ротора и статора. На рис. 5а и 5б изображены в упрощенном виде графики напряжений, возникающих в первой и второй катушках статорной пары при вращении магнита-ротора в функции времени, а на рис. 5в показано разностное напряжение этих напряжений или соответственно ток, протекающий в цепи связанных между собой первой и второй катушек этой пары.

На рис. 1 представлена схема соединений N=4 пар катушек одной секции статора:

1 - магнит-ротор,

2 - ось вращения ротора,

3 - секция первых по ходу вращения магнита-ротора N пар катушек,

4 - секция вторых по ходу вращения магнита-ротора N пар катушек,

5, 6, 7 и 8 - первые катушки N статорных пар,

9, 10, 11 и 12 - вторые катушки N статорных пар.

Первые катушки статорных пар соединены со вторыми по правилу «начало первой с концом второй и наоборот». Концы этих пар катушек выведены наружу устройства и образуют N фаз в каждой из секций устройства - А, В, С и D (их общее число равно ΚΝ).

На рис. 3 конструкция устройства включает:

13 - статор из отрезка толстостенной трубки из магнитомягкого материала (железа) и14 - две крышки, закрепляемые на трубке статора 13 с подшипниками для оси вращения 2.

На рис. 4 фрагмент устройства в его линейной развертке включает ротор 1 и статор 13, а также связанные между собой пары катушек 5 и 9, 6 и 10, 8 и 12 при максимально возможном числе N_MAX таких пар катушек в каждой статорной секции, которое определяется радиусом магнита-ротора R, магнитным зазором Δ между магнитом-ротором и сердечниками катушек статора, а также шириной Η используемого магнита, и равно Ν_MAX=2π(R+Δ)/Η. При этом магнит-ротор вращается с угловой скоростью ω, что определяет линейную скорость его протяжки V=ωR относительно последовательности магнитопроводящих сердечников статорных пар катушек, обозначенных как …. i-1, i и i+1, … где i=1, 2, 3, … Ν≤Ν_MAX.

Рассмотрим работу заявляемого устройства.

Пусть магнитный полюс магнита-ротора 1 с его шириной H перемещается относительно магнитопроводящих сердечников пар статорных катушек статора (рис. 4) с линейной скоростью V=ωR. При подходе его к сердечнику катушки 5 в ней возникает э.д.с. положительной полярности, как показано на рис. 5а. Поскольку при этом магнитное поле линейно нарастает в этой катушке, то и величина э.д.с. также нарастает, доходя до максимума при указанном на рис. 4 мгновенном положении магнита-ротора, а затем спадает до нуля и меняет знак на обратный, поскольку магнитное поле в катушке на соответствующем интервале движения магнита-ротора линейно уменьшается. Аналогичная картина имеет место для возникающей э.д.с. во второй катушке 9 i-й статорной пары и она отражена графиком на рис. 5б. Полное время взаимодействия магнита-ротора с рассматриваемой статорной парой катушек равно ΔΤ≈2π(2Η/2πR)/ω=2Η/ωR и при условии, что ширина наружной части сердечника каждой катушки составляет 2/3 от величины H=Ent 2πR/N_MAX] (для образования зазоров H/3 между смежными магнитными сердечниками), имеем ΔΤ≈7πR/ωRN_MAX=3,5Τ/N_MAX, где Τ - период вращения магнита-ротора, и значение временного интервала ΔΤ не зависит от используемого числа Ν≤N_MAX статорных пар катушек, как это видно на рис. 5а, 5б, 5в.

При указанном включении катушек между собой в соответствующих статорных парах в них возникает электрический ток от разностного напряжения, представленного на графике рис. 5в. Под действием этого тока, образуемого по закону электромагнитной индукции за счет внутренней энергии движущегося постоянного магнита-ротора, происходит втягивание его первой по ходу движения катушкой с магнитным ее сердечником, затем добавляется втягивание этого магнита второй катушкой пары к ее сердечнику с одновременным отталкиванием магнита сердечником первой катушки пары за счет одноименности ее магнитного полюса (за счет возникшего перемагничивания током от второй катушки) по отношению к полярности полюса магнита-ротора, и только на завершающей стадии взаимодействия магнита с рассматриваемой статорной парой катушек происходит некоторое торможение магнита сердечником второй катушки. Однако интегральное действие сил втягивания, образующих вращательный момент в магните-роторе в направлении его вращения от собственной магнитной энергии магнита, существенно превалирует над моментом торможения магнита-ротора, что в целом существенно уменьшает затраты на вращение магнита-ротора от внешнего источника при работе устройства в режиме генератора.

Следует отметить, что взаимодействие противоположного рассмотренному магнитному полюсу магнита-ротора со статорными парами катушек на противоположное стороне статора приводит к аналогичному эффекту возникновения вращательного момента за счет внутренней магнитной энергии магнита-ротора, и при этом векторы рассматриваемых вращательных моментов совпадают по направлению, то есть суммируются.

Реализация устройства может иметь две модификации.

Наилучшей в энергетическом аспекте является построение из K одинаковых по конструкции статорных секций, каждая из которых содержит N_MAX статорных пар катушек. При этом образуется Ν_MAX-фазная система при параллельном соединении фазных выводов однотипных по фазам катушек K секций.

Другая модификация может быть организована при использовании в каждой статорной секции числа пар катушек, меньшего максимально возможного, когда Ν<N_MAX, например, как показано на рис. 1 при N=4. В этом случае наибольший полезный эффект достигается при угловом сдвиге каждой последующей статорной секции от ее предыдущей на угол Δϕ=2π/KΝ, и при этом число фаз (фазных выводов в устройстве) равно KΝ вместо числа фаз N_MAX по ранее указанному варианту конструкции устройства.

Первая из указанных модификаций обладает существенно большей энергетической эффективностью, но более сложна по конструкции, вторая - существенно проще в ее исполнении, но менее эффективна.

Следует отметить, что такой многофазный генератор не образует синусоидальные напряжения на своих фазных выводах, и эти напряжения являются знакопеременными импульсными по каждому из фазных выводов, как видно на рис. 5в.

Получаемые при работе такого генератора сигналы могут быть преобразованы, например, в постоянный ток применением двухполупериодных многофазных выпрямительных схем на диодах со сглаживающими фильтрами.

При работе устройства в режиме двигателя к его фазным выводам необходимо прикладывать аналогичные знакопеременные импульсные напряжения, создаваемые от специального формирователя, частота следования которых по каждой из фаз определяет установившуюся угловую скорость вращения магнита-ротора. Пуск такого двигателя в работу предполагает приложение к его ротору (оси вращения 2) некоторого вращательного момента от внешнего источника для доведения скорости вращения оси до значения, определяемого сформированным пакетом периодических импульсных сигналов по числу используемых в устройстве фаз с периодом Τ=2π/ω.

Работа устройства в режиме двигателя напоминает работу известных шаговых двигателей, питание которых осуществляется путем формирования импульсных последовательностей.

Особенностью работы заявляемого устройства является необходимость приложения к его оси вращения внешнего пускового момента импульса.

Целесообразность применения заявляемого устройства определяется существенным снижением энергетических затрат от внешних источников благодаря использованию магнитной энергии, заключенной в магните-роторе устройства, При этом, как известно, этот магнит не теряет своей энергии, лишь поставляя ее при работе устройства. Естественное «старение» магнитов происходит весьма медленно, особенно при использовании неодимовых магнитов (Nd-Fe-B). Магниты легко восстанавливаются по величине создаваемой ими магнитной индукции известными методами их намагничивания [5].

Литература

1. Меньших О.Ф.,Бесколлекторный двигатель постоянного тока. Патент РФ №2391761, опубл. в бюлл. №16 от 10.06.2010.

2. Меньших О.Ф. Бесколлекторный двухроторный двигатель постоянного тока. Патент РФ №2531029, опубл. в бюлл. №29 от 20.10.2014.

3. Меньших О.Ф. Бесколлекторный двигатель постоянного тока. Патент РФ №2533886, опубл. в бюлл. №33 от 27.11.2014.

4. Меньших О.Ф. Многовитковая униполярная машина без скользящих контактов, Решение о выдаче патента от 28.08.2015 по заявке №2014117911/02 (028364) с приоритетом от 30.04.2014.

5. Вонсовский C.B. Магнетизм. М., 1971.