Электрическая машина с двойным дисковым ротором

(51) 02 23/54 (2006.01) 02 24/00 (2006.01) 02 41/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ размещенной между роторными дисками и снабженной выходными обмотками, поочередно взаимодействуют с магнитными полюсами первого и второго роторных дисков,причем взаимодействующие поверхности магнитных секторов роторных дисков и магнитных сердечников статора выполнены одноименной намагниченности, в то время как полярность намагниченности магнитных секторов второго роторного диска противоположна полярности намагниченности магнитных секторов первого роторного диска, кроме того, угловой шаг размещения магнитных секторов в роторных дисках не менее чем вдвое больше угловой ширины магнитных секторов в роторных дисках, а угловое положение магнитных секторов во втором роторном диске смещено на половину углового шага размещения магнитных секторов в первом роторном диске, к тому же в СЭМС введены управляющая и первичная обмотки, образующие совместно с введенными в устройство ключами два блокинггенератора.(72) Ахметов Бахытжан Сражатдинович Харитонов Петр Тихонович Набиева Гулназ Социалевна(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева Министерства образования и науки Республики Казахстан(57) Изобретение относится к обратимым электрическим машинам с постоянными магнитами в роторе. Повышение энергоэффективности электрической машины в режиме генерации электрической энергии, осуществляется за счет того, что ротор электрической машины выполнен из двух роторных дисков, каждый с одноименно намагниченными магнитными секторами, магнитные полюсы СЭМС, 27092 Изобретение относится к обратимым электрическим машинам с постоянными магнитами в роторе. Известна электрическая машина Патент 2340068 от 27.11.2008 г. МПК Н 02 К 29/06, Н 02 К 29/00, Н 02 К 2/24 с дисковым ротором, на котором размещены постоянно намагниченные секторы,поверхности полюсов которых взаимодействуют с поверхностями магнитных полюсов статорных электромагнитных систем (СЭМС), размещенных в полукорпусах статора. Существенным недостатком этой электрической машины при ее работе в режиме электрического генератора является наличие значительных сил удержания ротора в состоянии минимального магнитного сопротивления СЭМС (шаговый эффект). Известна электрическая машина для снижения шагового эффекта при работе электрической машины в режиме генератора предложен способ взаимной компенсации тормозящих сил в электрическом генераторе с постоянными магнитами Патент 2394336 от 10.07.2010 г. МПК Н 02 К 21/2, Н 02 К 21/24, Н 02 К 29/00, при котором силы магнитного удержания магнитных секторов ротора в одних СЭМС компенсируются силами магнитного выталкивания магнитных секторов ротора из других СЭМС. В результате совместного применения этих технических решений обеспечен минимальный удерживающий момент ротора электрической машины в определенных угловых положениях и повышенная скорость перемещения магнитных секторов ротора относительно СЭМС за счет дисковой конструкции ротора. В то же время приведенные выше технические решения не позволяют обеспечить отличный от нулевого результирующий момент вращения ротора при отсутствии питания выходных обмоток СЭМС от внешнего источника. Известен двигатель с постоянными магнитами в роторе (арматуре) 4151431 от 1979 г. МПК Н 02 49/00, внутренние магнитные полюсы которых взаимодействуют с первыми магнитными полюсами протяженных магнитных сердечников статора, в то время как вторые магнитные полюсы протяженных магнитных сердечников статора, так же как и наружные магнитные полюсы роторных постоянных магнитов обращены во внешнее пространство. В результате взаимодействия вторых магнитных полюсов протяженных магнитных сердечников СЭМС и наружных магнитных полюсов роторных постоянных магнитов через внешнее пространство, а также за счет геометрических соотношений длин, ширины и интервалов размещения постоянных магнитов в двигателе обеспечена непрерывная сила вращения ротора при отсутствии внешнего воздействия на ротор. Существенным недостатком прототипа является низкая энергоэффективность в режиме генерации электрической энергии, обусловленная неизбежным постепенным изменением намагниченности магнитного сердечника СЭМС от магнитных полей 2 роторных постоянных магнитов при малых воздушных зазорах между магнитными полюсами ротора и СЭМС. Выбор же значительных воздушных зазоров между взаимодействующими магнитными полюсами существенно снижает энергоотдачу. Технической задачей изобретения является повышение энергоэффективности электрической машины в режиме генерации электрической энергии. Для решения поставленной технической задачи ротор электрической машины выполнен из двух роторных дисков,каждый с постоянно намагниченными магнитными секторами и размещенную между роторными дисками СЭМС,причем магнитные полюсы СЭМС, снабженной выходными обмотками,поочередно взаимодействуют с магнитными полюсами первого и второго роторных дисков, а взаимодействующие поверхности магнитных секторов роторных дисков и магнитных сердечников статора выполнены одноименной намагниченности, в то время как полярность намагниченности магнитных секторов второго роторного диска противоположна полярности намагниченности магнитных секторов первого роторного диска, кроме того, угловой шаг размещения магнитных секторов в роторных дисках не менее чем вдвое больше угловой ширины магнитных секторов в роторных дисках, а угловое положение магнитных секторов во втором роторном диске смещено на половину углового шага размещения магнитных секторов в первом роторном диске, к тому же в СЭМС введены управляющая и первичная обмотки, образующие совместно с введенными в устройство ключами два блокинггенератора. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности электронной машины. На фиг.1 показан один из роторных дисков,упрощенная структура электрической машины приведена на фиг.2, а на фиг.3 изображен вариант схемы управления и подключения выходных обмоток электрической машины к источнику питания и к нагрузке. Каждый роторный диск содержит немагнитное основание 1 с отверстием 2 для роторной оси, на немагнитном сновании 1 размещены аксиально намагниченные секторы 3, причем с каждой стороны основания 1 размещены одноименно намагниченные полюсы намагниченных секторов. Роторные диски 4 и 5 жестко закреплены на роторной оси 6, которая свободно вращается в узлах 7 и 8 вращения. Между роторными дисками 4 и 5 размещена, по меньшей мере, одна СЭМС 9,магнитные полюсы 10 и 11 которой взаимодействуют с магнитными полюсами роторных дисков 4 и 5 соответственно. Угловое положение магнитных секторов 3 роторных дисков 4 и 5 смещено относительно друг друга на половину углового шага размещения магнитных секторов 3 по окружностям немагнитных оснований 1. Как следствие, при вращении роторной оси 6 происходит поочередное взаимодействие магнитных полюсов 10 и 11 с соответствующими магнитными полюсами магнитных секторов роторных дисков 4 и 5. Взаимодействующие магнитные полюсы выбраны одноименной намагниченности,в результате этого между ротором и СЭМС действуют силы взаимного отталкивания. Благодаря смещению углового положения магнитных секторов 3 диска 4 относительно углового положения магнитных секторов 3 диска 5 на половину углового шага размещения магнитных секторов на немагнитных основаниях 1 роторных дисков обеспечена практически постоянная результирующая сила между СЭМС и ротором. При движении соответствующего магнитного сектора 3 в зоне магнитного полюса 10 или 11 происходит изменение магнитного потока в магнитном сердечнике СЭМС и генерация ЭДС в обмотках СЭМС. Полярность роторных магнитных полюсов дискового ротора 4,взаимодействующих с магнитными полюсами 10 СЭМС, противоположна полярности роторных магнитных полюсов дискового ротора 5,взаимодействующих с магнитными полюсами 11 СЭМС, как следствие, происходит поочередное перемагничивание сердечников СЭМС. На фиг.3 показана структура СЭМС и ее включение в схему управления, к источнику питания и к нагрузке. СЭМС содержит магнитный сердечник 12 с магнитными полюсами 10 и 11,первичную обмотку 13, обмотку управления 14 и выходную обмотку 15. Первичная обмотка 13 подключена через диоды 16 и 17 к ключам соответственно 18 и 19. Средний вывод первичной обмотки 13 подключен через выключатель 20 к источнику 21 питания. Обмотка управления 14 подключена через элементы 22 и 23 ко входам ключей 16 и 17, зашунтированных диодами 24 и 25 соответственно. Фактически каждый из ключей 16 и 17 включены в свой блокинг-генератор,запускаемый сигналом положительной полярности от соответствующей половины обмотки 14 управления. К выходной обмотке 15 через выпрямитель 26, фильтр 27 и регулятор 28 тока нагрузки, роль которой выполняют электрические аккумуляторы 2931. При взаимодействии магнитных секторов 2 роторных дисков с магнитными полюсами в обмотках 13 15 СЭМС наводятся ЭДС. За счет ЭДС положительной полярности на одной из половин обмотки 14 управления, открывается соответствующий ключ 18 или 19, в то время как другой ключ закрыт, поскольку на его входе действует ЭДС отрицательной полярности,шунтируемая соответствующим диодом 24 или 25. Через открытый ключ происходит лавинообразное нарастание тока в соответствующей половине первичной обмотки 13,обеспечивая дополнительный рост ЭДС в обмотках 14 и 15. Процесс завершается запиранием открытого ключа после прохождения соответствующего магнитного сектора 3 через фазу его максимального перекрытия соответствующего магнитного полюса 10 или 11. Поскольку угловые положения магнитных секторов 3 первого 4 и второго 5 роторных дисков смещены на половину углового шага размещения магнитных секторов 2 на поверхностях роторных дисков 4 и 5,имеет место поочередное взаимодействие магнитных секторов 3 с магнитными полюсами 10 или 11 СЭМС. Полярность магнитных полюсов и подключение обмоток 13 и 14 выбраны таким образом, чтобы создаваемый в магнитном сердечнике 12 магнитный поток от первого и второго роторного диска имели противоположную направленность. Этим обеспечено сохранение начальной, в том числе нулевой, намагниченности магнитного сердечника при вращении ротора с малыми воздушными зазорами между поверхностями взаимодействующих магнитных полюсов и при использовании в качестве магнитных секторов 3 постоянных магнитов с высокой индукцией насыщения. За счет замыкания магнитных силовых линий от соответствующих внешних магнитных полюсов магнитных секторов 3 ротора до соответствующих магнитных полюсов 10 или 11 СЭМС через внешнее пространство обеспечена возможность вовлечения в процесс энергии внешних магнитных полей. Как следствие, электрическая энергия, снимаемая с выходной обмотки 15 в нагрузку 2931 значительно превышает энергию, потребляемую устройством от источника питания 21. По сравнению с известным техническим решением в предложенном варианте исключено нежелательное намагничивание магнитного сердечника СЭМС при малых воздушных зазорах между магнитными полюсами ротора и статора и при высокой индукции насыщения постоянных магнитов. В итоге,создана возможность значительного изменения магнитного потока в магнитном сердечнике 12 СЭМС, наводятся значительные ЭДС в ее обмотках и снимается повышенная электрическая мощность с обмотки 15 в нагрузку. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Электрическая машина с двойным дисковым ротором, содержащая дисковый ротор с постоянно намагниченными секторами и статорные электромагнитные системы в составе магнитного сердечника и выходных обмоток, отличающаяся тем, что ротор электрической машины выполнен из двух роторных дисков, каждый с одноименно намагниченными магнитными секторами,магнитные полюсы статорных электромагнитных систем (СЭМС), размещенных между роторными дисками,поочередно взаимодействуют с магнитными полюсами первого и второго роторных дисков, причем взаимодействующие поверхности магнитных секторов роторных дисков и магнитных сердечников статора выполнены одноименной намагниченности. 2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что угловое положение магнитных секторов во втором роторном диске смещено на половину 3 углового шага размещения магнитных секторов во втором роторном диске. 3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что полярность намагниченности магнитных секторов второго роторного диска противоположна полярности намагниченности магнитных секторов первого роторного диска. 4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что угловой шаг размещения магнитных секторов в роторных дисках не менее чем вдвое больше угловой ширины магнитных секторов в роторных дисках. 5. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что СЭМС содержит управляющую и первичную обмотки, образующие совместно с введенными в устройство ключами два блокинггенератора.