двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор

Формула изобретения

Двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор, содержащая якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу беличьей клетки, имеющих возможность свободно вращаться относительно друг друга, отличающаяся тем, что ротор и якорь выполнены аксиальными, а в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью трех контактных колец и трех щеток соединен с сетью переменного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, одновременно подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока.

Известен электромашинный усилитель постоянного тока (Копылов И.П. Электрические машины М.: Энергоатомиздат, 1986, с.332-333), осуществляющий усиление электрической энергии постоянного тока за счет подводимой механической энергии.

Однако такая машина, являясь по принципу усилителем электрической энергии постоянного тока за счет механической энергии, принципиально не может работать как генератор переменного тока, преобразующий одновременно два разнородных источника энергии, в силу своего назначения, так как является по сути электромеханическим преобразователем энергии постоянного тока.

Прототипом данного изобретения является двухвходовая электрическая машина (Патент РФ №2091967, 1997 г. Бюл.№27, авторы Красавин В.В., Гайтова Т.Б., Гайтов Б.Х.).

Двухвходовая электрическая машина содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока, помещенный концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных машин (например, с короткозамкнутым или фазным ротором), и впрессованного в корпус, имеющего возможность вращения вокруг шихтованного якоря.

Однако такая машина может работать только в двигательном режиме работы, являясь усилителем механической мощности либо как генератор постоянного тока, что резко ограничивает область применения данной машины.

В ряде случаев, например в нетрадиционной энергетике, когда необходимо комплексное использование двух возобновляемых источников энергии (ВИЭ) (например, Солнца и ветра с присущими им особенностями - неравномерный и стохастический характер поступления энергии) в рамках одной энергосистемы, необходима конструкция электромеханического преобразователя энергии, который мог бы преобразовывать два разнородных вида энергии, выдавая на выходе суммарную электрическую энергию переменного тока. Необходимость в такого рода преобразователе происходит из современных требований, предъявляемых нетрадиционной энергетикой к электромеханическим преобразователям энергии. Так, в нетрадиционной энергетике на сегодняшний день сложилась практика применения традиционных (классических) преобразователей энергии - генераторов переменного и постоянного тока, которые преобразуют один какой-либо вид энергии (энергию Солнца, ветра и др.) в электрическую.

Данное изобретение решает задачу суммирования и преобразования механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трех(или более)-фазного переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.

Это достигается тем, в двухмерной аксильной электрической машине-генераторе, содержащей якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу беличьей клетки, имеющих возможность свободно вращаться друг относительно друга, ротор и якорь выполнены аксиальными, а в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью трех контактных колец и трех щеток соединен с сетью переменного тока.

На фиг.1 изображен общий вид (в разрезе) предлагаемой двухмерной аксиальной электрической машины-генератора. Двухмерной авторы назвали машину, исходя из устоявшейся в литературе терминологии: машина имеет две вращающиеся части и две степени свободы - такие машины в мировой практике принято называть двухмерными.

Двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор содержит якорь 1 аксиальной конструкции с обмоткой 2, уложенной в пазах, торцевой коллектор 3 с щетками 4, к которым подключены провода 5, и дополнительно уложенную в пазах якоря генераторную трехфазную обмотку переменного тока 9. Шихтованный аксиальный магнитопровод ротора 10, в пазах которого уложена обмотка 11 по типу роторных обмоток аксиальных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Обмотка 9 подключена к кольцам 6, изолированным от корпуса диэлектрическими прокладками 8, а щетки 7 связаны с сетью потребителей трехфазного переменного тока. Подшипниковые щиты 12 с подшипниками 13, 14 и валом 15 обеспечивают аксиальное расположение якоря 1 и ротора 10 и возможность их одновременного вращения. Вал 16, непосредственно связанный с ротором, обеспечивает возможность подвода механической энергии к ротору извне.

Двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор работает следующим образом (фиг.1). При подаче постоянного тока (например, от фотоэлектрических преобразователей) через щетки 4 и коллектор 3 обмотка 2 якоря 1 обтекается током. При этом создается магнитный поток реакции якоря Ф_а. Если при этом вал 16 вместе с ротором 10 и обмоткой 11 придет во вращение под действием некоторого приложенного извне момента (например, ветротурбины), то под действием магнитного потока Ф_а в обмотке 11, как в обычной обмотке асинхронного двигателя, индуцируется ЭДС и протекает электрический ток, создающий в роторе свое магнитное поле Ф_р. При взаимодействии потоков Ф _а и Ф_р якорь машины придет во вращение с частотой n_а.

Так как поле, создаваемое обмоткой ротора Ф_р вращается в противоположную сторону направлению вращения ротора с той же скоростью, то в пространстве относительно щеток оно неподвижно, следовательно, в воздушном зазоре существует неподвижное поле, являющееся результатом сложения полей реакции якоря Ф_а и ротора Ф_р. При наличии неподвижного в пространстве магнитного поля и вращающихся в нем частей конструкции его можно использовать для выработки электрической энергии переменного тока.

С этой целью в пазах якоря уложена трехфазная (или более в зависимости от того, скольких фазную систему напряжений нужно получить) генераторная обмотка переменного тока 9, выход которой с помощью трех контактных колец 6 и трех щеток 7 соединен с сетью потребителей переменного тока.

В трехфазной обмотке 9, вращающейся в неподвижном магнитном поле, создаваемым потоками Ф_а и Ф_р по закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС, равная

где _p - угловая скорость вращения ротора, _k - потокосцепление катушки обмотки 9. В результате описанных процессов происходит суммирование механической и электрической энергии постоянного тока на входе, преобразование и выдача на выходе суммарной электрической энергии переменного тока.

Аксиальная конструкция машины позволяет обеспечить максимально возможный момент инерции ротора при минимальных затратах активных материалов, что важно для сглаживания скачков поступления механической энергии, например, при резких порывах ветра, т.е. аксиальный ротор играет роль инерционного накопителя механической энергии.

Проведенные экспериментальные исследования показали перспективность применения генераторов подобного типа в автономной системе электроснабжения, основанной на комплексном использовании нетрадиционных возобновляемых источников энергии, например, Солнца и ветра в рамках одной энергосистемы.