1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29657
(51) H02K 16/02 (2006.01)
H02K 19/00 (2006.01)
H02K 21/00 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/2108.1
(22) 30.12.2013
(45) 16.03.2015, бюл. №3
(76) Сағынтай Мұхағали Қаратайұлы
(56) RU 2003126931, 2005
(54) ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР
(57) Изобретение относится к электротехнике, к
электрическим машинам питающие от постоянного
тока, в частности к коллекторным электрическим
машинам, и может быть использовано в качестве
электропривода в промышленносте, в транспорте
или иных областях техники. Технический результат
состоит в объединение электродвигателя и
электрогенератора в одном электрическом машине,
то есть электрическая машина одновременно
работает в режиме двигателя и генератора.
Электродвигатель-генератор содержит статор, на
котором прикреплены с одинаковым шагом
постоянные магниты, и ротор, который состоит из
внешних и внутренних (относительно статору)
секции. Внешние и внутренние секции имеет
электромагниты (далее внешние и внутренние
электромагниты), которые расположены по
окружности с одинаковым шагом как на внешних
так на внутренних секциях и соединены с двумя
коллекторами через щеток и токосъемников.
Количество внешних и внутренних электромагнитов
могут быть либо равным, либо неравным.
Критической условией является соосность
некоторых внешних и внутренних электромагнитов,
которые создает пару и работает в двигательным
режиме вращая ротор относительно статору.
Остальные внешние и внутренние электромагниты
работает в генераторном режиме, то есть
вырабатывает электрический ток.
(19)KZ(13)A4(11)29657
2. 29657
2
Изобретение относится к электротехнике, к
электрическим машинам питающие от постоянного
тока, в частности к коллекторным электрическим
машинам, и может быть использовано в качестве
электропривода в промышленносте, в транспорте:
как с редуктором так и без редуктора в качестве
мотор-колесо или иных областях техники.
Электрические машины, электродвигатели и
электрогенераторы, преобразовывает энергию из
одного вида в другую, то есть электродвигатели
электрическую энергию преобразует в
механическую, а электрогенераторы механическую
энергию в электрическую энергию. Многие
электродвигатели и электрогенераторы, за
исключением некоторых (например, асинхронных
двигателей), могут работать как в генераторном
режиме так и двигательном, но не могут работать
двух режимах одновременно в одной машине. То
есть одна электрическая машина одновременно не
может преобразовывать из одного вида энергий в
другую и обратно на исходную, хотя бы часть
исходной энергии. Например, одновременно
преобразовывать электрическую энергию в
механическую, и обратно электрическую энергию.
Настоящее изобретение исключает этот
недостаток электрических машин объединив
электрогенератора и электродвигателя в одном
машине, обеспечивая одновременную работу
двигательных и генераторных режимов. В этом
контексте изобретение уникально. Принцип работы
каждого режима аналогичен принципам работы
обычных электрических машин на постоянных
магнитах. Настоящее время имеется аналогичные по
конструкции электрические машины, но они не
могут работать одновременно в двух режимах (в
двигательном и в генераторном).
Аналогом ему по конструкции является
электродвигатель на постоянных магнитах
постоянного тока, зарегистрированный в
04.09.2003г. в заявке №2003126931/09 (публикация
20.03.2005 Блок №8). Электродвигатель содержит
кольцеобразный магнитопровод статора с
постоянными магнитами, размещенными на
внешней и внутренней поверхностях
магнитопровода симметрично по его окружности с
чередующейся полярностью и с противоположной
полярностью в направлении через толщу
магнитопровода статора, а также двухсекционный
ротор, одна из секций которого охватывает статор и
является внешней, а другая размещена внутри
статора, то есть является внутренней секцией.
Кроме того, электродвигатель содержит
распределитель тока коллекторного типа и
токосъемники, установленные с возможностью
контактирования с пластинами коллекторного
распределителя и подключенные к области
электромагнитов упомянутых выше секций ротора.
Преимуществом данного электродвигателя является
большой крутящий момент.
Недостатками данного электродвигателя
является:
1. Работает только в двигательном режиме, когда
подключен источник постоянного тока, а при
внешнем механическим вращения ротора только в
генераторном режиме;
2. Строгая соосность внешних и внутренних
электромагнитов;
3. Строгая равенства по количеству внешних и
внутренних электромагнитов, что в свою очередь не
дает возможность уменьшить габариты (диаметр)
ротора за счет уменьшение количества внутренних
электромагнитов;
4. Невозможность снимать противо ЭДС с
электромагнитов, что дает возможность искрение
щеток и пластин коллектора;
5. Невозможность одновременно работать в
режимах генератора и двигателя.
Настоящее изобретение направлено на
объединение электродвигателя и электрогенератора
в одном электрическом машине и обеспечение двух
режимов: двигательную и генераторную
одновременно, повышение его экономичности,
исключение искрения и реактивности, создание
условий для свободного инерционного хода при
сохранении относительной простоты конструкции и
надежности.
Электродвигатель-генератор, выполненный в
соответствии с настоящим изобретением, содержит:
- статор, на котором прикреплены с одинаковым
шагом постоянные магниты;
- ротор, который состоит из внешних и
внутренних (относительно статору) секции, которые
имеет электромагниты;
- два коллектора закрепленные на корпусе
статора, один коллектор подключен к источнику
постоянного тока и питает, через щеток,
электромагниты работающие в двигательном
режиме, а второй коллектор подключен к
накопителю и снимает электрическую энергию
через токосъемники от электромагнитов
работающие в генераторном режиме;
- щетки, установленные с возможностью
контакта с пластинами первого коллектора, питает
от источника постоянного тока электромагнитов
работающие в режиме двигателя;
- токосъемники, установленные с возможностью
контакта с пластинами второго коллектора, снимает
электрический ток от электромагнитов работающие
в генераторном режиме.
Электромагниты внешних и внутренних секции
(далее внешние и внутренние электромагниты)
расположены по окружности с одинаковым шагом
как с наружу статора так с внутренней стороны.
Количество внешних и внутренних электромагнитов
могут быть либо равным, либо неравным.
Критической условией является соосность
некоторых внешних и внутренних электромагнитов,
которые создает пару и работает в двигательным
режиме вращая ротор относительно статору.
Остальные внешние и внутренние электромагниты
работает в генераторном режиме, то есть
вырабатывает электрический ток.
Каждая пара электромагнитов работающие в
двигательном режиме состоит из двух катушек,
которые расположены соосно и находятся
относительно статору один с внешной, а другой с
3. 29657
3
внутренной стороны. Катушки намотаны
противоположно, то есть один по часовой, а другой
против часовой, и соединены последовательно,
чтобы создавать в концах разные полярности
полюсов. Количество пар электромагнитов
работающие в двигательном режиме равное n и
зависит от нужного крутящего момента и мощности,
а количество постоянных магнитов статора равное
m, подбирают таким образом, чтобы они
удовлетворяли соотношениям:
- n≤m, где n - целое число, принимающее
значения 1, 2, 3 и т.д;
- если n→min, то m→mах.
Количество электромагнитов, работающие в
генераторном режиме, как внутренние так и
внешние зависить от нужной вырабатываемой
электрической энергии и от габаритов
электрической машины. Внутренние и внешние
электромагниты, работающие в генераторном
режиме может быть соединены как последовательно
так и параллельно и могут быть как однофазными
так и многофазными.
Электрическая машина имеет два коллектора
закрепленные на корпусе статора, один коллектор
подключен к источнику постоянного тока и питает,
через щеток, электромагниты работающие в
двигательном режиме, а второй коллектор
подключен к накопителю и снимает электрическую
энергию через токосъемники от электромагниты
работающие в генераторном режиме. Первый
коллектор имеет расположенные по окружности
токопроводящие пластины, которые разделены
между собой диэлектрическими промежутками.
Количества токопроводящие пластины первого
коллектора равное k должно удовлетворять
соотношениям: k=2*n. И половина из них
соединены с чередованием полярности с
источником постоянного тока, а остальная половина
с накопителем, чтобы снимать противо ЭДС с
электромагнитов работающие в двигательном
режиме и не допустить искрение щеток. Второй
коллектор имеет расположенные по окружности
токопроводящие пластины, которые разделены
между собой диэлектрическими промежутками и
соединены с накопителем через диодное
соединение, чтобы ток текло только в сторону
накопителя. Количества токопроводящие пластины
второго коллектора зависеть от число фаз, от
количество электромагнитов и их схемы
соединении.
Сущность изобретения поясняется следующими
чертежами.
На фиг.1 изображена схема электродвигателя-
генератора, выполненного в соответствии с
настоящим изобретением, у которого статор
электродвигателя расположен между
электромагнитами ротора;
На фиг.1 представлен электродвигатель-
генератор, выполненный в соответствии с
настоящим изобретением, который может быть
использован как мотор-колесо для различных
транспортных средств, например велосипеда с
электроприводом. Электродвигатель-генератор
содержит внешний корпус 1, выполняющую роль
защитного кожуха, и непосредственно передающую
вращение на колесо. Корпус соединен посредством
спиц с ободом колеса (не показано). На него с
внутренний стороны насажен внешняя секция
ротора 2, которая содержит внешние
электромагниты 7. Статор 3 электродвигателя-
генератора расположен между внутренной секцией
5, которая насажена на обечайку 6, и внешной
секцией 2 ротора. Статор 3 имеет постоянных
магнитов 8 с одинаковым шагом и чередующейся
полярностью. В данном случае десять пар магнитов.
Ротор, состоит из внешних и внутренних секцией,
отделен от статора воздушным промежутком.
Внешние и внутренние секций ротора имеет
соответствующие внешние 7 и внутренние 9
электромагниты. В данном случае количество
внешних электромагнитов девять, а внутренних
шесть. Некоторые внешние и внутренние
электромагниты расположены соосно и образуют
пару электромагнита 10, работающая в режиме
двигателя, в данном случае их три и расположены
между собой по окружности на расстояние 120°.
Катушки указанных электромагнитов намотаны
противоположно, то есть один по часовой, а другой
против часовой, и соединены последовательно,
чтобы создавать в концах разные полярности
полюсов. Пары электромагнитов 10, работающая в
режиме двигателя соединены с первым коллектором
11 через щетки 12, а остальные внешние 7 и
внутренние 9 электромагниты с первым
коллектором 13 через токосъемники 14.
При работе электродвигателя-генератора пары
электромагнитов 10, запитываются от источника
постоянного тока (не показан) через первый
коллектор 11 через щетки 12. Коллектор 11
неподвижен относительно статора, а щетки 12
связаны с ротором и при его вращении
перемещаются относительно токоведущих пластин
15. Указанные пластины соединены с чередованием
полярности с постоянным источником тока и
разделены диэлектрическими промежутками 16.
При вращение ротора, когда ось постоянного
магнита 8 совпадает с осью пар электромагнита 10,
работающая в режиме двигателя питание от
источника постоянного тока прерывается, а противо
ЭДС возникающий в этот момент в паре
электромагнита 10, работающая в режиме двигателя
снимается токоснимающими пластинами 17
чередующими полярности (на Фиг.1 положительные
и отрицательные полярность отмечены буквами «п»
и «о» соответственно) для устранение искрение
между щетками и токопроводящими пластинами.
Внутренние электромагниты 9 соединены
последовательно и подключены через токосъемники
14 второму коллектору 13, следовательно
вырабатываемые электричества подается к
накопителю. Точно также и внешние
электромагниты 7 подает к накопителю
вырабатываемые электричества.
Принцип действия электродвигателя-генератора,
выполненного в соответствии с настоящим
изобретением, режим двигателя аналогичен
4. 29657
4
традиционному электродвигателю постоянного тока
и основан на силах электромагнитного притяжения
и отталкивания, возникающих при взаимодействии
электромагнитов 10 ротора и постоянных магнитов
8 статора. При прохождении электромагнитом
положения, когда его ось расположена между осями
постоянных магнитов, катушки электромагнита
запитаны так, что создают магнитный полюс,
противоположный полюсу последующего в
направлении вращения постоянного магнита и
одноименный с полюсом предыдущего постоянного
магнита. Таким образом, электромагнит
одновременно отталкивается от предыдущего и
притягивается к последующему постоянному
магниту. При прохождении электромагнитом
положения напротив оси постоянного магнита он
обесточен, поскольку токосъемник располагается
напротив токосъемной пластины и снимается
противо ЭДС с электромагнитов. Это положение
электромагнит проходит по инерции. И в режиме
генератора тоже аналогичен традиционному
электрогенератору на постоянных магнитах. Ротор
вращается с некоторой частотой. При этом в
обмотке катушек электромагнитов 7 и 9,
работающая в режиме генератора в соответствии с
явлением электромагнитной индукции наводится
ЭДС. Поскольку катушки отдельного
электромагнита имеют разное направление обмотки
и находятся в любой момент времени в зоне
действия различных магнитных полюсов, то
наводимая ЭДС в каждой из обмоток складывается.
В процессе вращения ротора электромагнитов 7 и 9,
работающая в режиме генератора вращается с
некоторой частотой над магнитными полями
постоянных магнитов, поэтому каждая из обмоток
электромагнитов попеременно оказывается то в зоне
северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного
(S) магнитного полюса. В следствие по закону
Фарадея на обмотках электромагнитов 7 и 9,
работающая в режиме генератора течет переменный
ток.
Преимущества настоящего электродвигателя-
генератора заключаются в возможности вернуть
некоторую часть электрической энергии
потраченных на вращения ротора.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Электродвигатель-генератор содержит: статор,
на котором прикреплены с одинаковым шагом
постоянные магниты и ротор содержащий,
относительно статору, из внешних и внутренних
секции, которые имеет электромагниты, далее
внешние и внутренние электромагниты,
расположенные по окружности с одинаковым
шагом, отличающийся тем, что имеет два
коллектора, закрепленный на корпусе статора, из
которых первый для электромагнитов работающие в
двигательном режиме соединен с источником
постоянного тока, а второй для электромагнитов
работающие в генераторном режиме соединен с
накопителем; закрепленные на корпусе ротора
щетки, которые контактирует с первым
коллектором; токосъемники, которые контактирует
со вторым коллектором.
2. Электродвигатель-генератор по п.1,
отличающийся тем, что электрическая машина
одновременно работая в режиме двигателя и
генератора возвращает с помощью электромагнитов
работающие в генераторном режиме часть
потраченной электрической энергии на
электромагнитов работающие в двигательном
режиме.
3. Электродвигатель-генератор по п.1,
отличающийся тем, что количество внешних и
внутренних электромагнитов могут быть равным
или неравным.
4. Электродвигатель-генератор по п.1,
отличающийся тем, что некоторые внешние и
внутренние электромагниты должны быть соосно и
создать пару электромагнитов, работающие в
двигательным режиме и вращающие ротор
относительно статору.
5. Электродвигатель-генератор по п.1,
отличающийся тем, что количество пар
электромагнитов работающие в двигательном
режиме равное n и зависит от нужного крутящего
момента и мощности, а количество постоянных
магнитов статора равное m, подбирают таким
образом, чтобы они удовлетворяли соотношениям:
- n≤m, где n - целое число, принимающее
значения 1, 2, 3 и т.д;
- если n→min, то m→max.
6. Электродвигатель-генератор по п.1,
отличающийся тем, что количества
токопроводящие пластины первого коллектора
равное к должно удовлетворять соотношениям:
k=2*n.
7. Электродвигатель-генератор по п.1,
отличающийся тем, что половина из
токопроводящих пластин соединены с
чередованием полярности с источником
постоянного тока, а остальная половина через
диодное соединение с накопителем, чтобы снимать
противо ЭДС с электромагнитов работающие в
двигательном режиме и не допустить искрение
щеток.
8. Электродвигатель-генератор по п.1,
отличающийся тем, что второй коллектор имеет
расположенные по окружности токопроводящие
пластины, которые разделены между собой
диэлектрическими промежутками и соединены с
накопителем через диодное соединение, чтобы ток
текло только в сторону накопителя.
