RU2586111C2

RU2586111C2 - Униполярный мотор-генератор

Info

Publication number: RU2586111C2
Application number: RU2014123641/07A
Authority: RU
Inventors: Клод Майкл КАЛЕВ; Хис Ф. ХОФМАНН
Original assignee: Ротоникс Гонконг Лимитед
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2016-06-10
Also published as: US8917004B2; WO2013085551A1; CN103975507B; EP2761726A4; JP2015500623A; CN103975507A; US20140084714A1; RU2014123641A; US9548645B2; JP6178475B2; US20150097459A1; JP2016220536A; KR20140105760A; JP6069345B2; EP2761726A1; IL232442A0

Abstract

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам униполярного типа. Мотор-генератор содержит множество статорных колец, расположенных вокруг центральной оси; катушки якоря, сцепленные с пазами статорных колец; одну или более катушек возбуждения, каждая из которых окружает центральную ось; ротор мотора-генератора, окружающий статор и содержащий множество сегментов ротора, каждый из которых выполнен с возможностью замыкания магнитной цепи между первым и вторым статорными кольцами с пазами и отделен от других сегментов ротора немагнитным материалом; цилиндрический составной ротор, окружающий n-полюсный статор, определяющий n каналов статора и группу катушек якоря, соединенных с каждым каналом статора, причем каждая группа катушек якоря выполнена с возможностью двунаправленного обмена электроэнергией с соответствующим преобразователем переменного тока в постоянный ток в n-канальном блоке электропитания. Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей униполярных машин и повышении их эффективности. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 21 ил.

Description

[001] Данная заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №61/568,126, поданной 7 декабря 2011, и по заявке на патент США №13/343,603, поданной 4 января 2012, каждая из которых включена в настоящий документ в полном объеме во всех отношениях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Область техники, к которой относится изобретение

[002] Настоящее изобретение относится к электрическим машинам. В частности, раскрыт униполярный мотор-генератор.

Описание материалов, использованных при экспертизе заявки

[003] Простые униполярные моторы были известны с момента открытия двигателя Фарадея в 1831 году. В изобретении Фарадея расположение токонесущего проводника вдоль стержневого магнита, включенного в цепь, обеспечивает возможность его вращения вокруг магнита вследствие взаимодействия двух магнитных полей. Двигатель Фарадея служит иллюстрацией "сил Лоренца", действующих под прямым углом к направлению движения заряженной частицы и направлению приложенного магнитного поля. Простое применение уравнения силы Лоренца (′пересечение направления, v, протекания электрического тока в направлении, В, магнитного поля) создает вращающую силу.

[004] Униполярные моторы и униполярные мотор-генераторы ("униполярные машины") не нашли широкого применения на практике и, в основном, не являлись предметом научных исследований или промышленных разработок. Объяснением отсутствия интереса к униполярным моторам, по всей видимости, может служить использование униполярным мотором только половины магнитной плотности потока, в результате чего размер такой машины вдвое превышает размер конкурирующих машин, таких как синхронизированные реактивные машины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[005] Униполярный мотор-генератор содержит составной ротор, который окружает статор. В некоторых вариантах реализации изобретения униполярный мотор содержит: сборный сердечник, включающий в себя статор мотор-генератора; множество статорных колец, расположенных вокруг центральной оси; катушки якоря, сцепленые между пазами статорных колец; одну или несколько катушек возбуждения, каждая из которых охватывает центральную ось; ротор мотор-генератора, окружающий статор и содержащий множества сегментов ротора, каждый из которых замыкает магнитную цепь между первым и вторым статорными кольцами с пазами и отделен от других сегментов ротора немагнитным материалом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[006] Описание настоящего изобретения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Эти чертежи, включенные в настоящее описание и являющиеся его частью, служат иллюстрацией настоящего изобретения и вместе с описанием способствуют пояснению принципов изобретения, а также дают возможность специалистами в данной области изготавливать и использовать изобретение.

[007] Фиг. 1 изображает блок-схему униполярной машины согласно настоящему изобретению.

[008] Фиг. 2 изображает блок-схему электромеханической маховиковой системы накопления энергии, содержащей машину, изображенную на фиг. 1.

[009] Фиг. 3 схематически изображает участок электромеханической маховиковой системы накопления энергии, изображенной на фиг. 2.

[010] Фиг. 4A-B изображают ротор и статор пятикаскадной униполярной машины.

[011] Фиг. 5A изображает перспективный вид сегментов ротора, используемых в одном каскаде машины, изображенной на фиг. 4В.

[012] Фиг. 5B изображает перспективный вид пятикаскадного униполярного ротора, изображенного на фиг. 4В.

[013] Фиг. 5C изображает вид сбоку соседних сегментов ротора униполярного ротора, изображенного на фиг. 4В.

[014] Фиг. 5D изображает вид сверху сегментов ротора, изображенных на фиг. 5C.

[015] Фиг. 5E-F изображают вид сбоку и перспективный вид ламелей, используемых в пластинах коллектора ротора, изображенных на фиг. 5C.

[016] Фиг. 5G изображает вид сбоку соседних наклонных сегментов ротора.

[017] Фиг. 6 изображает сектор статора, изображенного на фиг. 4A.

[018] Фиг. 7А схематически изображает поперечный разрез статора пятиполюсного униполярного мотор-генератора, используемого вместе с пятью силовыми преобразователями.

[019] Фиг. 7B изображает решетчатую структуру сегментов ротора, сконфигурированных для использования в пятиполюсном, пятикаскадном униполярном мотор-генераторе.

[020] Фиг. 7C изображает деление решетчатой структуры, изображенной на фиг. 7B, на каналы статора, поддерживающие пять силовых каналов.

[021] Фиг. 7D изображает вид в плане участка зубчатого кольца статора с пазами, изображенного на фиг. 4A.

[022] Фиг. 7E изображает расположение катушек якоря одного канала статора, расположенного на зубчатом кольце статора, изображенного на фиг. 4A.

[023] Фиг. 7F изображает синусоидальные формы сигналов, соответствующие фазам катушек якоря, изображенных на фиг. 7E.

[024] Фиг. 7G схематично изображает катушки якоря статора трехфазного униполярного мотор-генератора с пятью каналами.

[025] Фиг. 7H схематично изображает силовую электронику и средства управления, используемые вместе с униполярным мотором-генератором.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[026] В приведенном ниже раскрытии описаны примеры некоторых вариантов реализации изобретения. Модели, рисунки и описания служат неограничивающими примерами конкретных вариантов реализации изобретения. Например, другие варианты реализации раскрытого устройства могут содержать или не содержать описанные здесь свойства. Более того, раскрытые преимущества и выгоды могут относиться только к конкретным вариантам реализации изобретения и не должны использоваться для ограничения уже раскрытых изобретений.

[027] Используемый здесь термин "соединенный" подразумевает под собой прямое и непрямое соединения. Более того, при соединении первого и второго устройств между ними могут быть расположены промежуточные устройства, в том числе активные устройства.

[028] На фиг. 1 показана блок-схема первой униполярной машины 100. Первая униполярная машина 101 содержит ротор 102 и сборный сердечник 104. Ротор содержит несколько частей магнита, таких как показанные сегменты ротора 106. Кроме того, ротор содержит промежуточную структуру(ы) 108. Сборный сердечник содержит статор 110 и опору статора 112.

[029] На фиг. 2 показана блок-схема 200 электромеханической маховиковой системы накопления энергии «EFESS». Система накопления энергии 201 содержит униполярный мотор-генератор 101, тело маховика 204, а также вспомогательное и не входящее в основной комплект оборудование 206.

[030] Элементы униполярной машины включают в себя ротор 102 и сборный сердечник 104. Как было сказано выше, элементы ротора включают в себя сегменты ротора 106 и промежуточную структуру 108, а элементы сборного сердечника включают статор 110 и опору статора 112.

[031] Несмотря на предпочтительное использование маховиков в промышленных масштабах при производстве устройств моторов-генераторов, таких как синхронизированные реактивные устройства, в описании заявителя показано, что в вариантах реализации униполярных машин предложены некоторые усовершенствования обычных устройств мотор-генераторов, используемых в данной заявке. Заявитель также обращает внимание, что электромеханическая маховиковая система накопления энергии является лишь одним из соответствующих применений предложенного заявителем униполярного мотора-генератор.

[032] На фиг. 3 схематически показан участок электромеханической маховиковой системы накопления энергии, содержащей униполярный мотор-генератор 300. Энергообменный блок 302 содержит вращающийся узел 310 и сборный сердечник 312. Ротор мотор-генератора 314 включен во вращающийся узел, а также тело маховика окружает ротор 316 и соединено с ним. В некоторых вариантах реализации изобретения, энергообменный блок содержит втулку 318, соединенную с телом маховика, и подвижный подвесной элемент 344. В некоторых вариантах реализации изобретения, между ротором и телом маховика может быть размещена опора, такая как рукав или цилиндр, например, рукав или цилиндр из немагнитного материала, в частности, для ограничения радиального расширения, обратного вращения и/или обеспечения опоры ротора. Рукав может быть изготовлен из соответствующих материалов, таких как немагнитные металлы, таких как сплавы, например, немагнитная нержавеющая сталь, и немагнитных жаропрочных сплавов, например, немагнитной инконели.

[033] Ротор, тело маховика, втулка и подвижный подвесной элемент выполнены с возможностью синхронного вращения вокруг оси x-x, причем в различных вариантах реализации изобретения втулка прикреплена к ротору 350 или телу маховика 352 либо к обоим элементам одновременно. Сборный сердечник 312 содержит статор 320 и опору статора 322. В некоторых вариантах реализации изобретения, опора статора присоединена к стенке корпуса, такой как стенка корпуса, присоединенная к вакуумному барьеру 334.

[034] Ротор 314 мотор-генератора охватывает статор 320 мотор-генератора. В различных вариантах реализации изобретения ротор 314 выполнен в виде составного изделия, причем в некоторых вариантах реализации он содержит магнитные 354 и немагнитные 356 участки. В некоторых вариантах реализации изобретения, немагнитный участок выполнен из или содержит блокирующий или матричный материал, служащий опорой магнитным участкам. В одном варианте реализации изобретения, магнитными участками ротора служат слоистые структуры.

[035] В различных вариантах реализации изобретения, статор 320 содержит магнитную структуру, одна или несколько катушек которой сцеплены между собой, имеющую электропроводящие обмотки, выполненные с возможностью протекания по ним переменного тока, и, таким образом, изменяющие магнитный поток магнитной структуры. В некоторых вариантах реализации изобретения, первая обмотка статора 364 окружает воображаемую ось y-y, которая почти перпендикулярна оси x-x. А в некоторых вариантах реализации изобретения вторая обмотка статора 368 окружает ось x-x. В одном варианте реализации изобретения, множество первых обмоток статора окружают соответствующие воображаемые оси y-y, а одна или несколько вторых обмоток статора окружают ось x-x, причем первыми обмотками статора служат катушки якоря, а вторыми обмотками статора служат катушки возбуждения.

[036] Мотор-генератор 360 является униполярной машиной с обратной конструкцией (ротор окружает статор), в которой а) вращающийся ротор аналогичен ротору 314 и содержит бескатушечные слоистые магнитные структуры, b) неподвижный центральный статор аналогичен статору 320 и содержит слоистые магнитные структуры с обмотками, которые создают магнитный поток в магнитных структурах, и с), ротор окружает статор.

[037] На фиг. 4A и 4B показаны ротор 400A и статор 400B пятикаскадной 461-465 униполярной машины, каждый каскад которой имеет пять полюсов. В зависимости от числа полюсов в одном каскаде, машина называется пятиполюсной машиной. Если иное не указано или не требуется контекстом, то под термином "полюс" понимают полный полюс или полюсную пару, в отличие от часто именуемого таким образом 1/2 полюса.

[038] Рассматриваемая пятиполюсная пятикаскадная машина приведена в качестве примера. Специалистам в данной области техники понятно, что число полюсов и число каскадов может быть выбрано из условия соответствия различным техническим условиям и условиям применения. Например, настоящее описание может быть использовано квалифицированными специалистами для изготовления и использования униполярных машин с двумя или более полюсами, имеющими один или более каскад.

[039] На фиг. 4В показан составной ротор 400В, имеющий, в том числе, множество частей 420-423 магнитной цепи ротора. Каждая часть состоит из двух магнитных половин полюсов, один из которых обозначен N (Север), а второй S (Юг). Как будет более подробно показано ниже, между половинами полюсов каждого звена проходит боковой элемент из черного металла, замыкающий магнитную цепь. Эти звенья магнитной цепи мы называем пластинами коллектора ротора.

[040] Как показано в 400B, сегменты ротора 420-423 представляют собой обычную цилиндрическую роторную структуру 314, развернутую так, что она представляет собой плоскую поверхность. Конструкция сегмента ротора выполнена с образованием решетчатой структуры 469, с пространством между частями 419. В различных вариантах реализации изобретения пространства заполнены немагнитным материалом(ами), например одним или несколькими сухими смолистыми материалами, такими как эпоксидные смолы и соответствующие композитные материалы, такие как углеродистые композиты, нерудные металлы, другие подходящие наполнители, известные специалистам в данной области техники, а блокирующие структуры изготовлены из любого из этих материалов.

[041] В общей сложности пятьдесят сегментов ротора 420-423 образуют решетку 469, формируя с первого по пятый каскады 461-465, каждый из которых имеет 5 северных и 5 соответствующих южных полюсов. В частности, буквами NN и SS обозначены полные полюса, а буквами N и S обозначены половины полюсов.

[042] В показанном варианте реализации изобретения, первый, третий и пятый каскады 461, 463, 465 имеют Южные полюса SS, SS, SS, SS, SS и Северные полюса N, NN, NN, NN, NN, N. Второй и четвертый каскады 462, 464 имеют Северные полюса N, NN, NN, NN, NN, N и Южные полюса SS, SS, SS, SS, SS. Северные полюса первого каскада совмещены с Северными полюсами второго каскада, Южные полюса второго каскада совмещены с Южными полюсами третьего каскада, Северные полюса третьего каскада совмещены с Северными полюсами четвертого каскада, а Южные полюса четвертого каскада совмещены с Южными полюсами пятого каскада.

[043] Каждый каскад 461-465 содержит десять сегментов ротора. Как видно из 400В, в качестве сегментов ротора первого, третьего и пятого каскадов 461, 463, 465 могут быть использованы, слева направо, пластины 420, 422, 420, 422, 420, 422, 420, 422, 420,422, а в качестве сегментов ротора второго и четвертого каскадов 462, 464 могут быть использованы пластины 423, 421, 423, 421, 423, 421, 423, 421,423, 421.

[044] Также показан поперечный разрез статора 400А, используемого вместе с ротором 400В. Статор имеет зубчатые кольца 440, 442, 444, 446, 448, 450 большого диаметра и зубчатые кольца 441, 443, 445, 447, 449 малого диаметра с центром на оси x-x. С первого по четвертый промежуточные зубчатые кольца большого диаметра 442, 444, 446, 448 расположены между периферическими зубчатыми кольцами большого диаметра 440, 450. Одно зубчатое кольцо малого диаметра 441, 443, 445, 447, 449 расположено между каждой парой зубчатых колец большого диаметра таким образом, что зубчатые кольца установлены одно над другим с 440 до 450 включительно. Зубчатые кольца опираются на соединяющую опору статора 432, закрепленную с помощью конструкции, например, герметизирующей стенки 430.

[045] Множество обмоток якоря, например, 471, 472, сцеплены с множеством краев зубчатых колец большого диаметра 474 с помощью пазов или подобных приспособлений. Обмотки возбуждения 431, 433, 435, 437, 439 окружают ось вращения x-x статора. В различных вариантах реализации изобретения, каждая обмотка возбуждения окружает край соответствующего зубчатого кольца малого диаметра таким образом, что каждая обмотка возбуждения размещена между соответствующей парой зубчатых колец большого диаметра.

[046] Как можно заметить, решетчатая структура ротора 400В сформирована таким образом, что первое зубчатое кольцо статора 440 соответствует Южным полюсам первого каскада 461; третье зубчатое кольцо статора 442 соответствует Северным полюсам первого и второго каскадов 461, 462; пятое зубчатое кольцо статора 444 соответствует Южным полюсам второго и третьего каскадов 462, 463; седьмое зубчатое кольцо статора 446 соответствует Северным полюсам третьего и четвертого каскадов 463, 464; девятое зубчатое кольцо статора 448 соответствует Южным полюсам четвертого и пятого каскадов 464, 465; а, одиннадцатое зубчатое кольцо статора 450 соответствует Северным полюсам пятого каскада 465.

[047] На фиг. 5A показано перспективное изображение сегментов ротора, используемых в одном каскаде пятиполюсной униполярной машины 500А. Как можно заметить, десять сегментов ротора, таких как пластины первого каскада пятикаскадной машины 420, 422, окружают ось вращения x-x.

[048] На фиг. 5В показано перспективное изображение пятикаскадного униполярного ротора 500В. Как показано, для монтирования кольцевой решетки 554 из пятидесяти сегментов ротора могут быть использованы сегменты ротора 420-423 четырех типов. Зазоры между пластинами коллектора ротора заполнены промежуточной структурой 552 (как показано). В некоторых вариантах реализации изобретения, промежуточная структура закрывает по меньшей мере частично внутреннюю 556 и/или внешнюю 558 поверхность сегментов ротора (не показано),а в других вариантах реализации изобретения промежуточная структура продолжается за пределами сегментов ротора 557, 559 в направлении оси x-x.

[049] На фиг. 5C показан вид сбоку соседних сегментов ротора 500С, а на фиг. 5D показан вид сверху тех же самых сегментов ротора 500D. В одних вариантах реализации изобретения пластины 420-423 коллектора ротора являются слоистыми структурами (см. ламель 581 фиг. 5C), а в других вариантах реализации изобретения сегменты ротора не являются слоистыми структурами.

[050] Как показано на фиг. 5C-D первый и второй сегменты ротора 420, 422 содержат соответственно северные 560, 574 и южные 564, 570 половины полюса. Северный и южный половины полюса первого сегмента ротора соединены между собой первым боковым элементом 562 из черного металла, а северный и южный половины полюса второго сегмента ротора соединены между собой вторым боковым элементом 572 из черного металла.

[051] В некоторых вариантах реализации изобретения ослабление магнитного потока, проходящего через боковой элемент из черного металла, соответствует или практически соответствует ослаблению магнитного потока, проходящего через полюса. В одном варианте реализации изобретения площади поперечного сечения полюсов и бокового элемента из черного металла по всему пути магнитного потока в пластинах коллектора ротора равны или практически равны. Например, при постоянной толщине сегмента ротора "t", установочный размер S1 бокового элемента из черного металла, равный размеру S2 полюса, определяет две равных площади поперечного сечения (S1×t) и (S2×t), первая из которых практически перпендикулярна направлению магнитного потока в боковом элементе из черного металла, а вторая практически перпендикулярна направлению магнитного потока в полюсе.

[052] На фиг. 5E-F показаны вид сбоку и перспективное изображение ламелей 500Е, 500F (на фиг. 5C дополнительно показаны стандартные ламели). Ламели имеют направленные вверх и вниз выступы 582, 584, соединенные между собой средней секцией 583. Направленный вверх выступ (фиг. 5C) соответствует части Южного полюса 570, направленный вниз выступ соответствует части Северного полюса 574, а средняя секция соответствует части бокового элемента 572 из черного металла.

[053] В варианте реализации изобретения, ламели вырезаны или отделены иным способом из тонколистового проката, таким образом, что отделенные детали 586, 583, 585 первоначально являются плоскими. Направленный вверх выступ 582 получен путем отгибания вверх первой выступающей части 586, а направленный вниз вывод 584 получен путем загибания вниз второй выступающей части 584. В тех случаях, когда выступающие части имеют цилиндрическую форму, такую как форма цилиндрического кольца, ограниченного ротором, средняя секция может быть изогнута под углом "a" с радиусом изгиба "r1", обеспечивая соответствие конструкции машины, включая число полюсов.

[054] В некоторых вариантах реализации изобретения с применением любого из следующих средств: вырубных штампов, газовых резаков, лазерных ножей, фрез и т.п., сегменты ротора могут быть вырезаны из тонколистового проката с возможностью получения плоской части с изогнутой средней секцией, выступающие части с каждой стороны которой отогнуты в противоположных направлениях, образуя незавершенную пластину коллектора ротора. После этого могут быть выполнены пакетирование и ламинирование, например, с помощью лака или другого соответствующего изоляционного материала методом вакуумной пропитки или другим подходящим методом. После ламинирования необработанные концы сегмента ротора могут быть отрезаны по длине.

[055] На фиг. 5G показан вид сбоку соседних наклонных пластин 500G коллектора ротора. Северные половины полюса 597, 598 и Южные половины полюса 593, 594 соответствующих сегментов ротора 591, 592 соединены соответствующими боковыми элементами 595, 596 из черного металла, стороны которых наклонены под углом β к оси y1-y1, перпендикулярной к центральной линии L. В некоторых вариантах реализации изобретения, угол β находится в диапазоне от 10 до 30 градусов, а в других вариантах реализации изобретения угол β находится в диапазоне 19.9 +/-5 градусов. В различных вариантах реализации изобретения пластинами коллектора ротора с наклонными боковыми элементами из черного металла являются слоистые структуры с ламелями, аналогичными показанным на фиг. 5Е и 5F. По сравнению с пластинами коллектора ротора без наклонных боковых элементов из черного металла (фиг. 5C), сегменты ротора с наклонными боковыми элементами из черного металла являются пригодными, помимо прочего, для уменьшения переноса магнитного потока якоря (в отличие от магнитного потока возбуждения) к пластинам коллектора ротора, поскольку наклонный боковой элемент из черного металла более не соответствует зубьям статора (см. ниже).

[056] На фиг. 6 показан сектор статора 600. Сектор статора соответствует сектору статора одного варианта реализации изобретения, показанного на фиг. 4А. В частности, сектор статора иллюстрирует сектор одного каскада 661 (см. также 461) и частичного каскада 662 (см. также 462). Три зубчатых кольца включают в себя периферическое зубчатое кольцо большого диаметра 640 (см. также 440), промежуточное зубчатое кольцо большого диаметра (или два смежных зубчатых кольца как показано) 642 (см. также 442) и расположенное между ними зубчатое кольцо малого диаметра 641 (см. также 441). В одних вариантах реализации изобретения, зубчатым кольцом малого диаметра служит участок сплошного внутреннего железного цилиндра якоря 614, а в других вариантах реализации изобретения, зубчатые кольца закреплены на внутреннем железном цилиндре в виде неразъемной части и/или соединены с ним посредством горячей посадки, механических приспособлений, сварки/сварных соединений, и т.п.

[057] Периферическое зубчатое кольцо большого диаметра 640 состоит из одной плиты 620 толщиной t2. Промежуточное зубчатое кольцо большого диаметра 642 имеет две плиты 622, 624. Каждая из плит имеет радиальные пазы 474, проходящие от периферии плиты 612, предназначенные для размещения обмоток якоря 471, 472, а в некоторых вариантах реализации изобретения пазы предназначены для размещения обмоток якоря поверх тепловых трубок (не показаны). Каждая пара соседних пазов разделена зубцом статора 610, проходящим от основания паза 616 к периферии плиты.

[058] Как уже было сказано со ссылкой на фиг. 3, статор содержит катушки якоря и катушки возбуждения. Как было сказано выше, катушки якоря 364, 471, 472 сцеплены с зубчатыми кольцами статора большого диаметра, а катушки возбуждения окружают зубчатые кольца статора малого диаметра. В различных вариантах реализации изобретения источник питания постоянного тока обеспечивает питание катушек возбуждения, обеспечивающих, в свою очередь, возможность намагничивания сегментов ротора в процессе эксплуатации мотор-генератора. Аналогично, катушки якоря выполнены с возможностью намагничивания зубьев статора в процессе эксплуатации двигателя, а взаимодействие сил магнитного поля ротора и статора обеспечивает возможность создания крутящего момента в режиме работы мотора (потребления электроэнергии) и крутящего момента в режиме работы генератора (вырабатывания электроэнергии).

[059] Специалистам в данной области известно, что катушки якоря мотор-генератора могут быть расположены по-разному. Например, размещение катушек может обеспечивать работу в однофазном или трехфазном режимах. Кроме того, расстояние между пазами может быть выбрано с возможностью обеспечения конкретных характеристик устройства, таких как уменьшение нагрева ротора, вызванного потерями в обмотках якоря. Описания патентов США №4,462,859 (автор: Накамура) и №5,231,324 (авторы: Кавамура и др.) включены в настоящий документ в полном объеме во всех отношениях, в т.ч., в частности описание, конструкции и размещение обмоток якоря.

[060] В одном варианте реализации изобретения, обмотки якоря 364 статора 312 расположены с возможностью размещения конструкции униполярного мотор-генератора, используемого вместе с множеством силовых преобразователей электрической энергии таким образом, что обеспечено множество силовых каналов. Например, в пятиполюсной машине один силовой преобразователь электрической энергии соединен с каждым из пяти полюсов таким образом, что обеспечивается пять силовых каналов. Преимуществами такого расположения перед конструкцией с единственным силовым преобразователем энергии являются более низкие номинальные нагрузки и соответствующие им низкие токовые нагрузки в силовых полупроводниках, таких как интегрированные входные биполярные транзисторы (IGBT) используемые в нескольких силовых преобразователях энергии. Следует отметить, что количество силовых каналов может меняться по необходимости в разумных пределах. Например, одним критерием для выбора количества силовых каналов является ограничитель, который расположен в полупроводниках для снижения токовых нагрузок и обеспечивает полностью обратное отношение количества силовых каналов и токовых нагрузок полупроводника.

[061] На фиг. 7А схематически показано поперечное сечение статора пятиполюсного униполярного мотор-генератора, используемого вместе с пятью силовыми преобразователями 700А. Как показано, поперечное сечение статора разделено на пять радиально ограниченных секций G1-G5, дуга каждой из которых составляет 72°. Каждая радиально ограниченная секция может быть названа каналом статора, и, таким образом, каждый силовой канал состоит из канала статора и электрически связанного канала преобразователя.

[062] На фиг. 7В показана решетчатая структура сегментов ротора, используемых в пятиполюсном, пятикаскадном униполярном моторе-генераторе 700В. На фиг. 7C показано деление решетчатой структуры на каналы статора G1-G5, дополняющие пять силовых каналов 700C. Например, первый канал статора G1 выдает мощный синусоидальный выходной сигнал 740, первая половина синусоиды 742 которого соответствует пяти пластинам коллектора ротора в группе G11, а вторая половина синусоиды 744 соответствует пяти пластинам коллектора ротора в группе G12.

[063] В различных вариантах реализации изобретения, рабочая частота этих многополюсных машин может быть рассчитана на основании скорости вращения ротора и числа пар полюсов. Например, машина, в которой использована решетчатая структура статора, изображенная на фиг. 7B, имеет пять пар полюсов. Например, при скорости вращения ротора 30000 оборотов в минуту (об/мин) частота равна числу пар полюсов (5), умноженному на собственную частоту (30,000 оборотов / 60 секунд) или 2500 Гц.

[064] На фиг. 7D показан вид сверху участка зубчатого кольца статора с пазами 700D. Как показано, участок зубчатого кольца 751 статора с пазами образует дугу 72°, согласующуюся со статором с пятью каналами, используемым в пятиполюсной униполярной машине, имеющей пять силовых каналов. На периферии зубчатого кольца статора выполнены двенадцать пазов статора 752, пронумерованных от 1 до 12. Каждый паз выполнен с возможностью размещения в нем участка катушки якоря, расположенного между конечными витками катушки якоря. Специалистам в данной области в особенности понятно, что число пазов статора может быть различным в зависимости от различающихся конструкций и расположения катушек якоря. В показанном варианте реализации изобретения, в пазах 1-12 размещены соответствующие обмотки трех фаз A+(+1), В-(-0.5), В-(-0.5), С+(+0.5), С+(+0.5), A-(-1), A-(-1), В+(+0.5), В+(+0.5), О(-0.5), О(-0.5), A+(+1).

[065] На фиг. 7Е показано размещение катушек якоря одного канала статора на зубчатом кольце статора 700Е. Катушки якоря могут быть выполнены посредством наматывания на статор виток за витком, размещены на статоре в виде готового изделия, сцеплены со статором иными способами, известными специалистам в данной области, или расположены путем сочетания этих методов, однако мы будем рассматривать катушки и обмотки катушек якоря независимо от применяемого способа крепления.

[066] Показаны три обмотки катушек якоря, представляющие три электрические фазы А, В, С. Первая обмотка катушки якоря AL/A + входит в зацепление с пазом 1, далее с пазом 6 А-, пазом 12 А+ и затем с пазом 7 AN/A-. Вторая обмотка катушки якоря BL/B+ входит в зацепление с пазом 9, далее с пазом 2 В-, пазом 8 B+ и затем с пазом 3 BN/B-. Третья обмотка катушки якоря CL/C+ входит в зацепление с пазом 5, далее с пазом 10 С-, пазом 4 С+ и затем с пазом 11 С-. В различных вариантах реализации изобретения, один конец каждой обмотки катушки якоря AL, BL, CL обеспечивает возможность соединения с силовым преобразователем, а противоположные концы обмоток катушек якоря, AN, BN, CN соединены между собой. На фиг. 7F показаны синусоидальные сигналы, соответствующие фазам катушек якоря 700F, изображенных на фиг. 7Е.

[067] На фиг. 7G схематично показаны катушки якоря статора трехфазного униполярного мотор-генератора 700G с пятью каналами. В местах электрических соединений J1-J5, соответствующие первые концы катушек якоря А1-А5, В1-В5, и С1-С5 электрически соединены между собой. Противоположные концы этих катушек якоря сгруппированы для обеспечения соединения с пятью силовыми преобразователями A1, B1, C1; А2, В2, С2; A3, В3, С3; А4, В4, С4; и А5, В5, С5.

[068] На фиг. 7Н схематически показаны силовая электроника и средства управления 700Н. На этом чертеже показаны соединения двух или более силовых каналов статора. Как показано, соединение катушек якоря А1/В1/С1, А2/В2/С2 выполнено в соединительных блоках силовой электроники 782, 784, через которые происходит обмен мощностью с преобразователями 772 в соответствующих местах соединения фаз А/В/С. Промежуточная фильтрация включает ряд последовательных катушек индуктивности L11/L12/L13, L21/L22/L23 и конденсаторов С12/С13/С14, 22/С23/С24, включенных между фазами.

[069] Обмен электрической мощностью между преобразователями переменного тока в постоянный 772 и 774 и шиной постоянного тока 781 осуществлен через соответствующие линии прямой 771, 775 и обратной 773, 779 связи. Средства защиты и управления, соединяющие шину и преобразователи, включают в себя схему предварительного заряда и предохранители. В варианте реализации изобретения, эти функции выполняют переключатели S11, S21 и соответствующая коммутационная автоматика, включающая в себя последовательно включенный резистор R11, R21 и диод D11, D21, включенный между каждым переключателем и блоком автоматики 762, 764 для управления переключателями в соответствии с командами главного контроллера и измеренным напряжением постоянного тока преобразователя. Функция защиты может быть обеспечена плавкими предохранителями F11, F21, включенными в соответствующие линии шины прямой связи 771, 775. Конденсаторы С11 и С21 включены между клеммами постоянного тока преобразователя.

[070] Главный контроллер 770 соединен с каждым преобразователем ABC и с каждым блоком коммутационной автоматики РСС. Главный контроллер выполнен с возможностью подачи управляющих сигналов на блоки автоматики 762, 764 и преобразователи 772, 774, в зависимости от контролируемого напряжения шины V, обеспечивая, помимо прочего, возможность поддержания указанного напряжения шины.

[071] Несмотря на рассмотренные выше различные варианты реализации настоящего изобретения, следует понимать, что они приведены исключительно в качестве примера, а не служат ограничительным признаком. Специалистам в данной области очевидно, что возможны различные изменения форм и деталей, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения. В связи с этим, широта и объем настоящего изобретения не должны ограничиваться рассмотренными выше вариантами реализации, должны определяться только приведенной ниже формулой изобретения (и ее аналогов).

Claims

1. Униполярный мотор-генератор, содержащий:
сборный сердечник, включающий в себя статор мотор-генератора;
множество статорных колец, расположенных вокруг центральной оси;
катушки якоря, сцепленные с пазами статорных колец;
одну или более катушек возбуждения, каждая из которых окружает центральную ось;
ротор мотор-генератора, окружающий статор и содержащий множество сегментов ротора, каждый из которых выполнен с возможностью замыкания магнитной цепи между первым и вторым статорными кольцами с пазами и отделен от других сегментов ротора немагнитным материалом.

2. Униполярный мотор-генератор, содержащий:
цилиндрический ротор, который окружает статор мотор-генератора;
статор, включающий в себя катушки возбуждения и катушки якоря;
ротор, содержащий множество сегментов ротора, каждый из которых имеет боковой элемент из черного металла, соединяющий северную половину полюса с южной половиной полюса магнита.

3. Униполярный мотор по п. 2, в котором половины полюса сегмента ротора расположены с противоположных сторон бокового элемента из черного металла.

4. Униполярный мотор по п. 3, дополнительно содержащий ламели сегментов ротора, которые расположены одна над другой для формирования сегмента ротора.

5. Униполярный мотор по п. 4, в котором каждая ламель сегментов ротора содержит изогнутый центральный участок, расположенный между неизогнутыми выступами и повторяющий контур ротора мотор-генератора.

6. Униполярный мотор по п. 5, в котором ламели сегментов ротора вырезаны из тонколистового проката, а неизогнутые выступы отогнуты в противоположных направлениях, обеспечивая формирование ламели.

7. Униполярный мотор-генератор, содержащий:
цилиндрический составной ротор, окружающий n-полюсный статор;
статор, имеющий центральную ось и окружающие ее обмотки возбуждения статора;
n полюсов статора, определяющих n каналов статора, и
группу катушек якоря, соединенных с каждым каналом статора, причем каждая группа катушек якоря выполнена с возможностью двунаправленного обмена электроэнергией с соответствующим преобразователем переменного тока в постоянный ток в n-канальном блоке электропитания.