Способ компенсации центробежной силы ротора электрической машины и обратимая антицентробежная электрическая машина для его осуществления

(51) 02 3/28 (2006.01) 02 25/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ 2012/1058.1 12.10.2012 15.08.2014, бюл. 8 Назаров Павел Анатольевич 3807377 1, 21.09.1989102025200 , 20.04.20112152117 1, 27.06.200012132 , 15.10.2002(54) СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ РОТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И ОБРАТИМАЯ АНТИЦЕНТРОБЕЖНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение может быть использовано в качестве мощного генератора переменного тока. А также в качестве мощного электродвигателя на транспорте, особенно водном и подводном, а также в замкнутых энергосистемах. Антицентробежные электродвигатели могут быть электроприводом для постоянной механической нагрузки, например для высокопроизводительных центробежных насосов и вентиляторов. Способ компенсации центробежной силы ротора обратимой электрической машины, заключающийся в сдерживании полюсов ротора магнитным полем,отличающийся тем, что сдерживающее магнитное поле полюсов ротора обусловлено не постоянными магнитами-полюсами, а вызвано сонаправленнопараллельным течением токов в крайних точках(полюсах) ротора, величины этих токов пропорциональны окружной скорости ротора. Устройство для осуществления способа по предыдущему пункту,использующее сдерживающую магнитную силу Северного и Южного (-) полюсов-магнитов ротора, или такой усовершенствованный двигатель постоянного тока,в котором сдерживание центробежной силы происходит за счт геометрического расположения магнитов- секторов ротора вдоль окружности его радиуса, которое позволяет этим сектораммагнитам притягиваться друг к другу южными и северными сторонами и частично компенсировать центробежную силу при вращении ротора,отличающееся тем, что принципиально изменена конструкция ротора электрической машины,позволяющая полностью компенсировать центробежную силу магнитной силой, а также применена более простая и традиционная конструкция проводников статора и более простой электрический режим работы электродвигателя. Техническим результатом применения антицентробежной электрической машины, в качестве генератора и электродвигателя, является существенное увеличение е удельной мощности(Вт/кгэл. машины) по сравнению со всеми известными современными электрическими машинам, а также возможность использования антицентробежного генератора и электродвигателя в замкнутой электрической сети. Изобретение относиться к быстроходным электрическим машинам,в которых из-за компенсации центробежных ускорений ротора существенно увеличивается его угловая скорость и мощность всей электрической машины. Изобретение может быть использовано как электропривод для мощных насосов, вентиляторов, а также быть бесспорным основанием для создания новой глобальной электрической системы трхфазного переменного тока с частотой 500 Гц и выше. Известней способ и устройство, использующее сдерживающую магнитную силу Северного и Южного (-) полюсов-магнитов ротора, или такой усовершенствованный двигатель постоянного тока в патенте,Н 02-25/00,3807377,21.09.1989,-, в котором сдерживание центробежной силы(тангенсальной составляющей) происходит за счт геометрического расположения магнитов-секторов ротора вдоль окружности его радиуса, которое позволяет этим секторам-магнитам притягиваться друг к другу южными и северными сторонами и частично компенсировать центробежную силу при вращении ротора. Этот способ частичной компенсации центробежной силы, действующей на каждый сектор ротора посредством притягиванияполюсов этих секторов,обусловлен использованием магнитной силы, направленной навстречу центробежной, приложенной к каждому сектору. Известный способ и устройство имеют небольшой сдерживающий эффект центробежной(тангенсальной) силы, действующей на ротор устройства и, как следствие, незначительно увеличивает его удельную мощность (Вт/кг). Задача изобретения - создание обратимой электрической машины, которая при работе в режиме генератора или электродвигателя сможет иметь (т.е. выдавать или преобразовывать),удельную мощность (Вт/кг) на прядок выше чем у современных асинхронных электродвигателей. И как следствие,создание высокочастотной,компактной электрической системы на основе антицентробежного генератора - трансформатора антицентробежного двигателя. Поставленная задача достигается изменением геометрического расположения проводников ротора,таким образом, что центробежная и магнитная сила сдерживания направлены встречно и полностью компенсируют друг друга. Далее опишем способ компенсации центробежной силы ротора электрической машины и конструкцию антицентробежный электрического генератора(двигателя) более подробно. Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием принципов, положенных в основу способа, и схемами антицентробежной электрической машины, где изображены на фиг.1 схема(конструкция) ротора антицентробежной электрической машины на фиг.2 схема, иллюстрирующая направления центростремительной ц и центробежной силы цб,приложенных к точке вращающегося тела. Центростремительная сила ц заставляет тело двигаться по окружности и не позволяет телу двигаться по инерции по прямой (касательной к окружности). Сила инерции, противодействующая центростремительной называется центробежной силой и обозначается цб (фиг.2.). Обе силы равны по величине и противоположны по направлению. Если цб - центробежная сила, сила инерции,действующая по радиусу от центра при движении по окружности, тогда формула е определения(фиг.2). Или, с учетом связи угловой скорости(рад/сс-1) с частотой вращения вала ротора (об/сс-1) имеем.22 где- скорость тела (м/с),- угловая скорость тела (рад/с 1/с),- масса тела (кг),- радиус окружности (ротора)(м),- число оборотов ротора(об/с), ар - радиальное ускорение точки ротора (м/с 2) на фиг.3 изображено электромагнитное взаимодействия двух соноправленных проводников с электрическими токами 2.1 и 2.2,2 .22 Лор 0 2 .1 2 .22 .12 .1(4)0 22 Лор.2.1 Лор.2.2 при 2.12.22.12.2(5) Условие равновесия центробежной силы цб силой электромагнитного сдерживания (Лоренца) Лор.2.2 (см. фиг.3).В векторном виде цб- Лор.2.1 Очевидно, что при численном равенстве коэффициентов 1 и 2 изменение тока(ов) сдерживания ротора 2.12.2 обеспечит прямо пропорциональное изменение частоты вращения ротора(об/с) (фиг.4,5). Т.е. равенства 11-14 математически доказывают,что возможно подобрать такие численные значения, при которых центробежные силы, действующие на ротор будут полностью компенсированы где 0 - магнитная проницаемость среды,выражающая зависимость силы взаимодействия электрических токов от среды. 0 - магнитная постоянная, равна 410-7 Н/А 2, - относительная магнитная проницаемость отвлечнное число,а расстояние между поверхностями проводников (м), - диаметр ротора антицентробежной машины,с учтом толщины проводников (м), 28876 2.2 - ток проводника(части ротора) (А),2.1 - ток проводника(второй части ротора) (А),Лор.2.2 - сила(Н), действующая на левый проводник и обусловленная его током 2.2,Лор.2.1 - сила(Н), действующая на правый проводник и обусловленная его током 2.1, - отрезок длинного проводника(м), на который действует сила(ы) Лор.2.2, Лор.2.1,В 2 - магнитная индукция поля левого проводника(тока 2.2) (Тл) на фиг.4 схема(конструкция) ротора антицентробежной электромашины с двумя проводниками,на(в) которой выполняются соотношения где, 2.2 - ток, текущий по верхнему проводнику ротора,2.1 - ток, текущий по нижнему проводнику ротора,ц.б.2.2 - центробежная сила, действующая на верхний проводник ротора и на верхнюю часть центробежноопасной области ротора 2.2,ц.б.2.1 - центробежная сила, действующая на нижний проводник ротора и на нижнюю часть центробежноопасной области ротора 2.1 а - центробежнобезопасная область ротора ограниченная пределом тврдости материала ротора,при проектируемой скорости ротора(об/сек),Лор.2.2 - электромагнитная сила сдерживания,действующая на верхний проводник ротора и обусловленная силой тока 2,Лор.2.1 - электромагнитная сила сдерживания,действующая на нижний проводник ротора и обусловленная силой тока 2.1,с( - 20) - расстояние между двумя крайними проводниками ротора, - внешний диаметр ротора, 0- высота проводника ротора на фиг.5 схема(конструкция) ротора антицентробежной электрической машины, на которой а - центробежнобезопасная область ротора, - центробежноопасная область ротора или область, которая разрушиться при отключении тока сдерживания/возбуждения ,и соотношения, которые выполняются на фиг.5 ц.б. , ц.б Лор.2.2, ц.бЛор.2.1,,2.22.1 2.22.1 а также на фиг.5 представлены разновидности профилей ротора а) - с 2-мя,б) - с 4-мя(крест) в) - 6-тью полюсами(снежинка), причм а) применимо для электтродвигателя, а б) и в) для электрогенераторов на фиг.6 схема(конструкция) ротора антицентробежной электромашины с четырьмя проводниками,на(в) которой выполняются соотношения Причм 1 2.22.1, 1 с (см. фиг.4,5 а). Где, 2 - ток, текущий по крайне-верхнему проводнику ротора,2.2 - ток, текущий по верхнему проводнику ротора,2.1 - ток, текущий по крайне-нижнему проводнику ротора,2.3 - ток, текущий по нижнему проводнику ротора,ц.б.2 - центробежная сила, действующая на крайне-верхний проводник ротора и на верхнюю часть центробежноопасной области ротора 2,ц.б.2.1 - центробежная сила, действующая на крайне-нижний проводник ротора и на нижнюю часть центробежноопасной области ротора 2.1 а - центробежнобезопасная область ротора ограниченная пределом тврдости материала ротора,при проектируемой скорости ротора(об/сек),Лор.2 - электромагнитная сила сдерживания,действующая на крайне-верхний проводник ротора и обусловленная силой тока 2,Лор.2.2 - электромагнитная сила сдерживания,действующая на верхний проводник ротора и обусловленная силой тока 2.2,Лор.2.1 - электромагнитная сила сдерживания,действующая на крайне-нижний проводник ротора и обусловленная силой тока 2.1,Лор.2.1 - электромагнитная сила сдерживания,действующая на нижний проводник ротора и обусловленная силой тока 2.3,1( - 20) - расстояние между двумя ближайшими проводниками ротора,а - центробежнобезопасная область ротора 0 высота проводника ротора(конструкция) ротора антицентробежной электрической машины с дополнительными проводниками на которой а - центробежнобезопасная область ротора, - центробежноопасная область ротора или область, которая разрушиться при отключении тока сдерживания/возбуждения ,и соотношения, которые выполняются на фиг.7 Лор.2 Лор.2.1 Лор.2 Лор.2.1, ц.б Причм а 11, 1 с(см. фиг.4) а также на фиг.7 представлены разновидности профилей ротора а) - с 2-мя,б) - с 4-мя(крест) в) - 6-тью полюсами(снежинка),причм а) применимо для электтродвигателя, а б) и в) для электрогенераторов на фиг.8 схема высокочастотной электрической системы на базе антицентробежных электромашин,на которой 1) - Стартовый блок электронного разгона(частота от 0 до 1 кГц),2) - Блок электронного выпрямления,3) - Скоростной асинхронный электродвигатель с 8-мью парами полюсов ротора(7,5 тыс об/мин),4) Светодиодная лампа(осветительная нагрузка),5) - Соединение концов обмоток статора в звезду,6) - Антицентробежный генератор (5 тыс об/мин),7) - Повышающий трансформатор,8) - Линия электропередачи (частота тока переменного тока в фазе 1 кГц),9) - Понижающий трансформатор,10) - Антицентробежный электродвигатель(конструкция) ротора вставленного в статор антицентробежной электрической машины (режим генератора) на фиг.10 схема (конструкция) ротора и статора антицентробежной электрической машины с изображением электрической схемы статора(режим генератора) на фиг.11-13 цикл работы антицентробежного генератора (6-ть проводников статора) на фиг.14 графики тока в фазах антицентробежного генератора с 6-тью проводниками статора (с 3-мя парами) на фиг.15 схема(конструкция) ротора вставленного в статор антицентробежной электрической машины (режим электродвигателя) 4 на фиг.16 схема (конструкция) ротора и статора антицентробежного электродвигателя с изображением фазного и наведнных токов в соседней(следующей) паре проводников статора. на фиг.17 схема (конструкция) ротора и статора антицентробежного электродвигателя в рабочем режиме с выпрямленным(пульсирующим) напряжением (блок электронного выпрямления не показан) на фиг.18-20 цикл работы антицентробежного электродвигателя пульсирующего тока (6-ть проводников статора) на фиг.21 графики тока в фазах антицентробежного электродвигателя с 6-тью проводниками статора (с 3-мя парами), после преобразования в блоке электронного выпрямления. Далее приведм(опишем) конструкцию антицентробежной электрической машины более подробно. Антицентробежная электрическая машина(генератор, электродвигатель) состоит из статора и ротора. Ротор представляет собой прямоугольный сектор из магнитомягкого материала (в идеале с прямопропорциональной, малоплощадной петлй гестерезиса). Этот прямоугольный сектор из магнитомягкого материала 2, обрамлн (медными) проводниками 1, и сужается к концам (фиг.1).На концах сектора ротора его обрамляющие медные проводники оканчиваются полыми медными цилиндрами 3 для коллекторного контакта. На оси ротора должны быть надеты высокоскоростные подшипники 4. Также магнитомягкий сектор ротора и проводники ротора должно быть электроизолированы друг от друга. Это достижимо,например при применении изоляционных прокладок, лаков или других электроизоляционных напылений(с высокими прочностными характеристиками на сжатие). Надо сказать, что в идеале сечение проводников у сужающихся концов ротора должно быть равным сечению проводников в средней части ротора(11) Сектор ротора (в сборе) насаживают на ось или шкиф, закрепляют шпонками и гайками оси(по бокам). Сечение сектора ротора имеет прямоугольный вид, или вид стрелки компаса(фиг.1 а,б). Второе сечение б) специально разработано для более удобного распределения линий магнитной индукции(для сдерживания проводников ротора). Токи ротора 2.1, 2.2 должны быть постоянными и быть равными друг другу, они текут соноправлено или параллельно по обрамляющим проводникам(12) 2.12.2,2.12.2 В рабочем режиме (при электровключнном роторе) проводники ротора сдерживают центробежные усилия, которые влияют на сектор ротора при его вращении. Причм силы электромагнитного сдерживания(силы Лоренца) вызванные током проводников ротора сдавливают сектор ротора пропорционально скорости вращения подобно тискам, при условии пропорционального изменения величины тока . Надо сказать, что в случае конструкции ротора(фиг.4,5 а) антицентробежный эффект сдерживания не максимален т.к. расстояние с(м) достаточно велико (до 0,5 м), а относительная магнитная проницаемость материала ротораи плотность тока в проводниках (А/мм 2) - лимитированы. Конструкция ротора антицентробежной машины с четырьмя проводниками изображена на фиг. 6,7 а. Надо сказать, что в случае конструкции ротора фиг.6,7 а антицентробежный эффект сдерживания существенно больше, чем в случае с двумя проводниками фиг.4,5 а т.к. расстояние с 1 с (м) уменьшается (с 0,5 м до 0,15 м), а относительная магнитная проницаемость материала ротораи плотность тока в проводниках (А/мм 2) - остаются такими же как и в первом случае. Очевидно,что ротор с дополнительными(четырьмя) проводниками фиг.6,7 а более эффективен для сдерживания центробежной силы в центробежноопасной области ротора, хотя и более сложен с точки зрения технологического изготовления. Статор антицентробежной электрической машины имеет классическую конструкцию(беличью клетку) и представляет собой три пары проводников (т.е. 6 штук), вделанных в статор из магнитомягкого материала,например из трансформаторного железа (фиг.9). Общее количество проводников может быть и больше 6212 шт., 6318 шт в зависимости от диаметра статора и его внутреннего периметра. Причм количество проводников статора 6 штук соответствует ротору с 2-мя проводниками 12 штук- соответствует ротору с 4-мя проводниками(крест) 18 штук - соответствует ротору с 6-тью проводниками(снежинка) и т.д. Схема подключения статора антицентробежной машины, работающей в режиме генератора представляет собой три чередующихся пары проводников, включнных параллельно. Концы этих проводников выведены наружу электрической машины и имеют возможность подключения к трхфазной сети (фиг.10), другие же концы можно соединить вместе (в звезду). Однако надо отметить,что в режиме генератора используется роторснежинка с 6-тью парами проводников ротора. Это позволит не сильно увеличивая окружную скорость ротора (до 5 тыс об/мин), добиться частоты в проводниках одной фазы статора генератора,равной 1 КГц(фиг.8). Антицентробежная машина, работающая в режиме электродвигателя, работает по принципу отталкивания проводников ротора от статора(фиг.18-20), на выпрямленном пульсирующем напряжении(токе) фиг.21, полученном посредством блока электронного выпрямления 2 (фиг.8). Причм стартовый режим разгона ротора антицентробежного электродвигателя выполняет Стартовый блок электронного разгона 1 (фиг.8). Блок электронного выпрямления отключает верхнюю полуволну переменного тока, разрывая цепь и приводит 3-х фазный переменный ток(фиг.14) к выпрямленному пульсирующему току (фиг.21). Тем самым он ограничивает не только фазные ток верхней полуволны (Сфазн), но и наведнные токи в соседних(следующих) проводниках статора( наведенный), которые возникают из-за приближения проводников ротора. Т.е. преобразует фиг.16 в фиг.17. Блок электронного выпрямления также отвечает за выпрямление и пропорциональное изменение тока ротора от скорости его вращения. О трхфазной сети антицентробежных машин(фиг.8) надо сказать особо, теоретически она работает(подключается) также как и современная трхфазная сеть с той только разницей, что частота такой сети больше традиционных 50 Гц, она может быть 500 Гц,1 кГц, 10 кГцНо тогда окружная скорость антицентробежной электромашины с одной парой проводников ротора и 3-мя парами проводников статора будет равна 50 Гц 1500 об/мин 500 Гц 15000 об/мин 1 кГц 30000 об/мин, 10 кГц 300000 об/мин. Очевидно, что оптимум работы такой сети лежит в пределах 1 кГц. Отметим достоинства новой трхфазной электрической системы. 1. Повышенное индуктивное сопротивление, что сделает возможным применение проводников статора электромашин без удлинения, т.е. без дополнительных катушек и обмоток статора в традиционном понимании. 2. Применение новых материалов с номинально более высокой плотностью тока чем у меди. 3. Генератор такой сети (с 6-тыо парами проводников ротора и 3-мя парами проводников статора) даст возможность выдавать в сеть 3-х фазный ток высокой частоты (1 КГц) при относительно малом увеличении окружной скорости ротора (5 тыс об/мин) 4. Все трансформаторы и электродвигатели такой сети (1000 Гц и выше), а также другое электрическое оборудование будут более компактными и лгкими при той же мощности. 5. При применении частоты 1 кГц, возможность подключения в такую сеть обычных асинхронных двигателей с 8-мью парами полюсов, это снизит из скорость вращения до 7500 об/мин, что вполне применимо для современных электроприборов(фиг.10). 6. Применима современная осветительная нагрузка т.е. светодиодные лампы. Также о электроприводе применяемом в высокочастотной электросети можно сказать следующее. 1. Антицентробежный электродвигатель работает на механическую нагрузку с постоянным моментом(асинхронные,двигатели постоянного тока) применимые в такой электросети могут работать на ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ компенсации центробежной силы ротора электрической машины, заключающийся в сдерживании полюсов ротора магнитным полем,отличающийся тем, что применяют ротор с сонаправленным, параллельным течением токов в его проводниках. 2. Электрическая машина для осуществления способа по п.1, состоящая из ротора, статора,отличающаяся тем, что ротор состоит из магнитомягкого материала прямоугольной формы,обрамлнного медными проводниками,оканчивающимися полыми медными цилиндрами для коллекторного контакта, причем проводники изолированы от магнитомягкого материала ротора и питаются от электронного выпрямителя.