RU2366063C1

RU2366063C1 - Magnetoelectric machine

Info

Publication number: RU2366063C1
Application number: RU2008127686/09A
Authority: RU
Inventors: Михаил Федорович Ефимов (RU); Михаил Федорович Ефимов; Николай Аркадьевич Столяров (RU); Николай Аркадьевич Столяров; Валерий Григорьевич Захаров (RU); Валерий Григорьевич Захаров
Original assignee: Михаил Федорович Ефимов; Николай Аркадьевич Столяров
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2009-08-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, particularly to synchronous machines with permanent-magnet excitation. The windings of each generator terminals are connected to two neighbouring windings of motor terminals. Electrical currents with the same direction arising in turns in active wires of each generator terminal flow in winding turns of neighbouring motor terminals, where they generate powerful local magnetic field pulses due to high magnetic permeability of their cores. These magnetic field pulses interact with magnetic field created by permanent magnets of an inductor, which results in acceleration of the rotor of the machine. After one permanent magnet with one pole comes out of the zone of the generator terminal, and the other two from the zone of motor terminals, other permanent magnets of the inductor enter these zones, though with an opposite pole. This gives rise to emf of opposite polarity in active wires of the generator terminal. In the same windings of motor terminals, currents with different direction flow, changing polarity of the latter. The direction of currents changes four times in one revolution, during which there is mutual transformation of electrical, magnetic and mechanical energy and interaction of magnetic field pulses of the stator with magnetic field of permanent magnets of the inductor, which leads to stable operation of the magnetoelectric machine. ^ EFFECT: easier regulation of speed and starting, increased efficiency due to presence of elements of the generator and motor at the same time, which interact with each other. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам. Наиболее близко по конструкции предложенная машина относится к синхронным машинам с возбуждением от постоянных магнитов. Названная машина наряду с известными ее достоинствами имеет и некоторые недостатки, заключающиеся в том, что у нее достаточно сложные регулировочные и пусковые характеристики, требующие специального источника питания с регулируемым напряжением и частотой. Необходимо отметить, что у нее и относительно низкий КПД.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to electrical machines. Closest in design, the proposed machine relates to synchronous machines with excitation from permanent magnets. The named machine, along with its known advantages, also has some drawbacks in that it has rather complicated adjusting and starting characteristics that require a special power source with adjustable voltage and frequency. It should be noted that it has a relatively low efficiency.

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение регулировочных и пусковых ее характеристик, а также существенное повышение КПД.The technical result of the claimed invention is the simplification of its adjustment and starting characteristics, as well as a significant increase in efficiency.

Технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции магнитоэлектрической машины присутствуют как элементы генератора, так и элементы двигателя, которые одновременно участвуют в процессе ее работы и взаимодействуют друг с другом.The technical result is achieved by the fact that in the proposed design of the magnetoelectric machine there are both generator elements and engine elements that simultaneously participate in the process of its operation and interact with each other.

Предложенная магнитоэлектрическая машина, содержащая статор и ротор, разделенные воздушным зазором, отличающаяся тем, что статор ее состоит из внешнего полого цилиндрического магнитопровода, на внутренней стенке которого поочередно установлены по три отодвинутые друг от друга на 120° генераторные и двигательные полюсы, в пазах первых из которых размещены активные провода обмотки якоря, соединенные с основными обмотками вторых, имеющими общие ферромагнитные сердечники с пусковыми двигательными обмотками, а ее ротор состоит из вращающегося на валу центрального цилиндрического магнитопровода, на котором крестообразно установлены своими соответствующими полюсами четыре стержневых постоянных магнита, северные полюса у одной пары из которых диаметрально противоположно расположены друг от друга, а южные полюса у другой направлены в сторону статорных обмоток.The proposed magnetoelectric machine containing a stator and a rotor separated by an air gap, characterized in that its stator consists of an external hollow cylindrical magnetic circuit, on the inner wall of which are alternately installed three generator and motor poles separated from each other by 120 °, in the grooves of the first of which are located the active wires of the armature winding connected to the main windings of the second, having common ferromagnetic cores with starting motor windings, and its rotor consists of a rotational Osya shaft central cylindrical yoke on which mounted crosswise by their respective four-pole permanent rod magnet, the north pole in one pair of which are located diametrically opposite each other, and the south pole at the other directed toward the stator windings.

На фигурах приняты следующие обозначения: 1) внешний магнитопровод; 2) обмотка генераторного полюса; 3) генераторный полюс; 4) стержневой постоянный магнит; 5) центральный магнитопровод; 6) вал вращения; 7) соединительный провод генераторных и двигательных обмоток; 8) основная обмотка двигательного полюса; 9) пусковая двигательная обмотка; 10) двигательный полюс; 11) соединительный провод пусковых обмоток.The following notation is used in the figures: 1) an external magnetic circuit; 2) winding of the generator pole; 3) generator pole; 4) a core permanent magnet; 5) a central magnetic circuit; 6) shaft of rotation; 7) connecting wire of generator and motor windings; 8) the main winding of the motor pole; 9) starting motor winding; 10) motor pole; 11) connecting wire of the starting windings.

Магнитоэлектрическая машина работает следующим образом. Для успешного запуска ротора-индуктора поставим в специальное исходное положение, как это показано на фиг.1. После этого подадим постоянное напряжение необходимой величины U на пусковые обмотки 9. Тогда двигательный полюс 10, находящийся с левой стороны, станет северным, а находящийся справа - южным. Нижний двигательный полюс в свою очередь станет северным электромагнитным полюсом. Это происходит из-за того, что пусковые обмотки намотаны соответствующим образом. В этом случае южный полюс постоянного магнита 4 индуктора, находящийся слева, резко потянется к северному двигательному полюсу 10, находящемуся на той же стороне чуть дальше от него. А южный полюс постоянного магнита 4, находящийся с правой стороны, резко оттолкнется дальше от находящегося поблизости другого двигательного полюса, принявшего в этот момент ту же полярность. Одновременно оттолкнется влево по часовой стрелке и северный полюс нижнего постоянного магнита 4 индуктора, так как тогда находящийся там же третий двигательный полюс приобретает ту же полярность. Вследствие этого весь ротор-индуктор начинает резко поворачиваться по направлению часовой стрелки и силовые линии индукции, исходящие из северных полюсов и сходящиеся на южных полюсах его постоянных магнитов 4, будут пересекать последовательно активные провода обмоток генераторных полюсов 2, из-за чего в них индуцируются ЭДС одного направления. Указанные ЭДС в этот момент вызовут токи в витках основных обмоток 8 того же направления, что и в пусковых обмотках 9. Эти токи в этом случае создадут в двигательных полюсах магнитное поле с величиной магнитной индукции тем большей, чем больше число витков в обмотках и величины магнитных проницаемостей µ их ферромагнитных сердечников. Созданное ими результирующее магнитное поле моментально начнет взаимодействовать с магнитными полями стержневых постоянных магнитов ротора-индуктора, который из-за этого быстро начнет вращаться. После этого пусковые обмотки 9, соединенные между собой своими концами, необходимо отключать от внешнего источника напряжения, т.к. в них периодически в дальнейшем будут наводиться токи такого же направления и знака, как и в основных, путем трансформации. Когда активные провода обмоток генераторных полюсов 2 будут пересекать силовые линии магнитной индукции постоянных магнитов индуктора другим направлением, в них будут также индуцироваться ЭДС другого знака. Это в свою очередь синхронно поменяет знак полярности соседних двигательных электромагнитных полюсов 10 статора. Дальше эти процессы будут повторяться, и в ходе вращения ротора-индуктора машины в активных проводах обмоток каждого генераторного полюса 3 поочередно будет меняться знак наводимых ЭДС. В соответствии с этим будут меняться поочередно направления токов в обмотках соседних с ним двигательных полюсов 10, а значит, и знаки их полярностей. В итоге двигательные полюсы 10 будут все время притягивать к себе постоянные магниты индуктора, находящихся сзади по ходу его вращения и отталкивать тех, которые спереди.Magnetoelectric machine operates as follows. To successfully start the rotor-inductor, we put in a special initial position, as shown in figure 1. After that, we apply a constant voltage of the required value U to the starting windings 9. Then the motor pole 10, located on the left side, will become north, and located on the right - south. The lower motor pole, in turn, will become the north electromagnetic pole. This is due to the fact that the starting windings are wound appropriately. In this case, the south pole of the permanent magnet 4 of the inductor, located on the left, will sharply stretch to the north motor pole 10, located on the same side a little further from it. And the south pole of the permanent magnet 4, located on the right side, will push sharply farther away from another nearby motor pole, which at that moment has adopted the same polarity. At the same time, the north pole of the lower permanent magnet 4 of the inductor will be pushed to the left clockwise, since then the third motor pole located there also acquires the same polarity. As a result of this, the entire rotor inductor begins to turn sharply clockwise and the induction lines emanating from the north poles and converging at the south poles of its permanent magnets 4 will intersect successively the active wires of the windings of the generator poles 2, due to which EMF is induced in them one direction. The indicated EMF at this moment will cause currents in the turns of the main windings 8 of the same direction as in the starting windings 9. These currents in this case will create a magnetic field in the motor poles with a magnitude of magnetic induction the greater, the greater the number of turns in the windings and the magnitude of the magnetic permeabilities µ of their ferromagnetic cores. The resulting magnetic field created by them instantly begins to interact with the magnetic fields of the bar permanent magnets of the rotor-inductor, which because of this will quickly begin to rotate. After that, the starting windings 9, interconnected by their ends, must be disconnected from an external voltage source, because From time to time, currents of the same direction and sign will be induced in them, as in the main ones, by transformation. When the active wires of the windings of the generator poles 2 intersect the lines of magnetic induction of the permanent magnets of the inductor in a different direction, they will also induce EMF of a different sign. This, in turn, synchronously changes the polarity sign of the adjacent motor electromagnetic poles 10 of the stator. Further, these processes will be repeated, and during the rotation of the rotor-inductor of the machine in the active wires of the windings of each generator pole 3, the sign of the induced emf will alternately change. In accordance with this, the direction of the currents in the windings of the motor poles 10 adjacent to it will change alternately, and hence the signs of their polarities. As a result, the motor poles 10 will constantly attract to themselves the permanent magnets of the inductor, which are behind in the direction of its rotation and repel those that are in front.

После набора ротором номинальной угловой скорости к генераторным обмоткам якоря 2 можно будет подключать параллельно основным двигательным обмоткам 8 соответствующую нагрузку, т.к. в них при этом будет поддерживаться переменное напряжение достаточной величины. К его валу вращения 6 в свою очередь можно будет подключить определенный рабочий механизм, т.к. он в это время будет иметь достаточно большой момент вращения.After the rotor sets the nominal angular velocity to the generator windings of the armature 2, it will be possible to connect the corresponding load in parallel with the main motor windings 8, because in this case, an alternating voltage of sufficient magnitude will be supported. In turn, a certain working mechanism can be connected to its rotation shaft 6, because he at this time will have a sufficiently large moment of rotation.

Таким образом, в предложенной магнитоэлектрической машине в ходе ее работы все время буде происходить взаимное превращение электроэнергии, выработанной в генераторных ее частях, в магнитную энергию двигательных ее частей. А она, взаимодействуя с магнитной энергией постоянных магнитов ее подвижного индуктора, превращается в механическую энергию ротора, которая в областях генераторной ее части переходит обратно в электрическую. Эти процессы в ходе одного оборота ротора в данном случае повторяются трижды и машина будет работать за счет размагничивания постоянных магнитов индуктора, т.е. за счет их накопленных магнитных энергий в ходе их намагничивания.Thus, in the proposed magnetoelectric machine in the course of its work, the mutual conversion of the electric power generated in its generator parts to the magnetic energy of its motor parts will occur all the time. And it, interacting with the magnetic energy of the permanent magnets of its movable inductor, turns into the mechanical energy of the rotor, which in the areas of its generator part goes back into electrical energy. These processes during one revolution of the rotor in this case are repeated three times and the machine will work due to the demagnetization of permanent magnets of the inductor, i.e. due to their accumulated magnetic energies during their magnetization.

В заключение можно констатировать, что с совершенной конструкцией машина работает только от взаимодействий и взаимопревращений различных энергий в рамках всеобщего закона их сохранения, а затраты ее очень минимальны, как, например, затраты магнитной энергии постоянных магнитов индуктора, происходящих в предложенной магнитно-электрической машине.In conclusion, it can be stated that with a perfect design the machine works only from interactions and interconversions of various energies within the framework of the universal law of their conservation, and its costs are very minimal, such as the magnetic energy of the permanent magnets of the inductor occurring in the proposed magnetic-electric machine.

Источники информацииInformation sources

1. Бертинов А.И. Специальная электрическая машина. - М.: Энергия, 1982.1. Bertinov A.I. Special electric car. - M .: Energy, 1982.

2. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высшая школа, 1990.2. Booth D.A. Contactless electric machines. - M.: Higher School, 1990.

3. Иванов-Смоленский. Электрическая машина. - М.: Энергия, 1980.3. Ivanov-Smolensky. Electric car. - M .: Energy, 1980.

4. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1985.4. Kalashnikov S.G. Electricity. - M.: Science, 1985.

5. Копылов И.П. Электрическая машина. - М.: Энергоатомиздат, 1986.5. Kopylov I.P. Electric car. - M .: Energoatomizdat, 1986.

6. Парселл Э. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1983.6. Parsell E. Electricity and magnetism. - M.: Science, 1983.

7. Скобелев В.Е. Двигатели пульсирующего тока. - Л.: Энергоатомиздат, 1985.7. Skobelev V.E. Ripple current motors. - L .: Energoatomizdat, 1985.

Claims

A magnetoelectric machine containing a stator and a rotor separated by an air gap, characterized in that its stator consists of an external hollow cylindrical magnetic circuit, on the inner wall of which three generator and motor poles are separated from each other by 120 °, in the grooves of the first of which active wires of the armature winding are connected, connected to the main windings of the second, having common ferromagnetic cores with starting motor windings, and its rotor consists of a rotary shaft ntralnogo cylindrical yoke on which mounted crosswise by their respective four-pole core permanent magnets, the north pole in one pair of which are located diametrically opposite each other, and the south poles - the other directed toward the stator windings.