1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) B (11) 28876
(51) H02K 3/28 (2006.01)
H02K 25/00 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
(21) 2012/1058.1
(22) 12.10.2012
(45) 15.08.2014, бюл. №8
(76) Назаров Павел Анатольевич
(56) DE 3807377 A1, 21.09.1989
CN 102025200 A, 20.04.2011
RU 2152117 C1, 27.06.2000
KZ 12132 A, 15.10.2002
(54) СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ
ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ РОТОРА
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И
ОБРАТИМАЯ АНТИЦЕНТРОБЕЖНАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ ЕГО
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(57) Изобретение может быть использовано в
качестве мощного генератора переменного тока. А
также в качестве мощного электродвигателя на
транспорте, особенно водном и подводном, а также
в замкнутых энергосистемах. Антицентробежные
электродвигатели могут быть электроприводом для
постоянной механической нагрузки, например для
высокопроизводительных центробежных насосов и
вентиляторов.
Способ компенсации центробежной силы ротора
обратимой электрической машины, заключающийся
в сдерживании полюсов ротора магнитным полем,
отличающийся тем, что сдерживающее магнитное
поле полюсов ротора обусловлено не постоянными
магнитами-полюсами, а вызвано сонаправленно-
параллельным течением токов в крайних
точках(полюсах) ротора, величины этих токов
пропорциональны окружной скорости ротора.
Устройство для осуществления способа по
предыдущему пункту, использующее
сдерживающую магнитную силу Северного и
Южного (N-S) полюсов-магнитов ротора, или такой
усовершенствованный двигатель постоянного тока,
в котором сдерживание центробежной силы
происходит за счёт геометрического расположения
магнитов- секторов ротора вдоль окружности его
радиуса, которое позволяет этим секторам-
магнитам притягиваться друг к другу южными и
северными сторонами и частично компенсировать
центробежную силу при вращении ротора,
отличающееся тем, что принципиально изменена
конструкция ротора электрической машины,
позволяющая полностью компенсировать
центробежную силу магнитной силой, а также
применена более простая и традиционная
конструкция проводников статора и более простой
электрический режим работы электродвигателя.
Техническим результатом применения
антицентробежной электрической машины, в
качестве генератора и электродвигателя, является
существенное увеличение её удельной мощности
(Вт/кгэл. машины) по сравнению со всеми известными
современными электрическими машинам, а также
возможность использования антицентробежного
генератора и электродвигателя в замкнутой
электрической сети.
(19)KZ(13)B(11)28876
2. 28876
2
Изобретение относиться к быстроходным
электрическим машинам, в которых из-за
компенсации центробежных ускорений ротора
существенно увеличивается его угловая скорость и
мощность всей электрической машины. Изобретение
может быть использовано как электропривод для
мощных насосов, вентиляторов, а также быть
бесспорным основанием для создания новой
глобальной электрической системы трёхфазного
переменного тока с частотой 500 Гц и выше.
Известней способ и устройство, использующее
сдерживающую магнитную силу Северного и
Южного (N-S) полюсов-магнитов ротора, или такой
усовершенствованный двигатель постоянного тока в
патенте Hanson Walter,Н 02K-25/00, DE 3807377,
21.09.1989, «Verbesserter Gleichstrom-Motor», в
котором сдерживание центробежной силы
(тангенсальной составляющей) происходит за счёт
геометрического расположения магнитов-секторов
ротора вдоль окружности его радиуса, которое
позволяет этим секторам-магнитам притягиваться
друг к другу южными и северными сторонами и
частично компенсировать центробежную силу при
вращении ротора. Этот способ частичной
компенсации центробежной силы, действующей на
каждый сектор ротора посредством притягивания N-
S полюсов этих секторов, обусловлен
использованием магнитной силы, направленной
навстречу центробежной, приложенной к каждому
сектору. Известный способ и устройство имеют
небольшой сдерживающий эффект центробежной
(тангенсальной) силы, действующей на ротор
устройства и, как следствие, незначительно
увеличивает его удельную мощность (Вт/кг).
Задача изобретения - создание обратимой
электрической машины, которая при работе в
режиме генератора или электродвигателя сможет
иметь (т.е. выдавать или преобразовывать),
удельную мощность (Вт/кг) на прядок выше чем у
современных асинхронных электродвигателей. И
как следствие, создание высокочастотной,
компактной электрической системы на основе
антицентробежного генератора - трансформатора -
антицентробежного двигателя.
Поставленная задача достигается изменением
геометрического расположения проводников ротора,
таким образом, что центробежная и магнитная сила
сдерживания направлены встречно и полностью
компенсируют друг друга. Далее опишем способ
компенсации центробежной силы ротора
электрической машины и конструкцию
антицентробежный электрического генератора
(двигателя) более подробно.
Далее сущность изобретения поясняется
подробным описанием принципов, положенных в
основу способа, и схемами антицентробежной
электрической машины, где изображены:
на фиг.1 схема (конструкция) ротора
антицентробежной электрической машины;
на фиг.2 схема, иллюстрирующая направления
центростремительной Fц и центробежной силы Fцб,
приложенных к точке вращающегося тела.
Центростремительная сила Fц заставляет тело
двигаться по окружности и не позволяет телу
двигаться по инерции по прямой (касательной к
окружности). Сила инерции, противодействующая
центростремительной называется центробежной
силой и обозначается Fцб (фиг.2.). Обе силы равны
по величине и противоположны по направлению.
Если Fцб - центробежная сила, сила инерции,
действующая по радиусу от центра при движении по
окружности, тогда формула её определения(фиг.2).
R
R
Rm
R
m
Fцб
2
2
р
2
2
p а;ma ω
υ
ω
υ
===== (1)
Или, с учетом связи угловой скорости ω (рад/с=с-1
)
с частотой вращения вала ротора n(об/с=с-1
) имеем.
nf ππω 22 == (2)
RnmRnmRnm
R
m
Fцб
2222
2
4384,394)2( ==== ππ
υ (3)
где υ - скорость тела (м/с), ω - угловая скорость
тела (рад/с=1/с), m - масса тела (кг), R - радиус
окружности (ротора)(м), n - число оборотов ротора
(об/с), ар - радиальное ускорение точки ротора (м/с2
);
на фиг.3 изображено электромагнитное
взаимодействия двух соноправленных проводников
с электрическими токами I2.1 и I2.2,
l
D
III
l
a
II
F c
c
Лор
π
µ
µµµπ
µµ
22
2
1.2
0
2.21.22.21.2
0 =
=
=
== (4)
FЛор.2.1 = FЛор.2.2 при I2.1 = I2.2; Irot = I2.1 + I2.2 (5)
Условие равновесия центробежной силы Fцб
силой электромагнитного сдерживания (Лоренца)
FЛор.2.2 (см. фиг.3).В векторном виде
Fцб = - FЛор.2.1 (6)
l
D
I
Rnm c
π
µπ
2
)2(
2
1.22
= (7)
2
1.2
2
2
)4384,39( I
D
l
nRm c
π
µ
= (8)
2
1.2
2
1K In ×Κ=× 2 (9)
Где K1 и К2 - постоянные коэффициенты
пропорциональности.
2.1
2
2.1
2
I~n;I~n (10)
Очевидно, что при численном равенстве
коэффициентов K1 и K2 изменение тока(ов)
сдерживания ротора I2.1 = I2.2 обеспечит прямо
пропорциональное изменение частоты вращения
ротора n (об/с) (фиг.4,5). Т.е. равенства 11-14
математически доказывают, что возможно
подобрать такие численные значения, при которых
центробежные силы, действующие на ротор будут
полностью компенсированы
где µc = µ µ0 - магнитная проницаемость среды,
выражающая зависимость силы взаимодействия
электрических токов от среды.
µ0 - магнитная постоянная, равна 4π × 10-7
Н/А2
,
µ - относительная магнитная проницаемость -
отвлечённое число,
а - расстояние между поверхностями
проводников (м),
D - диаметр ротора антицентробежной машины,
с учётом толщины проводников (м),
3. 28876
3
I2.2 - ток проводника(части ротора) (А),
I2.1 - ток проводника(второй части ротора) (А),
FЛор.2.2 - сила(Н), действующая на левый
проводник и обусловленная его током I2.2,
FЛор.2.1 - сила(Н), действующая на правый
проводник и обусловленная его током I2.1,
l - отрезок длинного проводника(м), на который
действует сила(ы) FЛор.2.2, FЛор.2.1,
В2 - магнитная индукция поля левого
проводника(тока I2.2) (Тл);
на фиг.4 схема (конструкция) ротора
антицентробежной электромашины с двумя
проводниками, на(в) которой выполняются
соотношения:
=
=
=
=
+=
Лор.2.1Лор.2.2
Лор.2.1ц.б.2.1
Лор.2.2ц.б.2.2
1.22.2
1.22.2
FF
FF
FF
n~rot
rot
I
II
III
где, I2.2 - ток, текущий по верхнему проводнику
ротора,
I2.1 - ток, текущий по нижнему проводнику
ротора,
Fц.б.2.2 - центробежная сила, действующая на
верхний проводник ротора и на верхнюю часть
центробежноопасной области ротора b2.2,
Fц.б.2.1 - центробежная сила, действующая на
нижний проводник ротора и на нижнюю часть
центробежноопасной области ротора b2.1
а - центробежнобезопасная область ротора
ограниченная пределом твёрдости материала ротора,
при проектируемой скорости ротора(об/сек),
FЛор.2.2 - электромагнитная сила сдерживания,
действующая на верхний проводник ротора и
обусловленная силой тока I2,
FЛор.2.1 - электромагнитная сила сдерживания,
действующая на нижний проводник ротора и
обусловленная силой тока I2.1,
с = (D - 2h0) - расстояние между двумя крайними
проводниками ротора,
D - внешний диаметр ротора, h0- высота
проводника ротора;
на фиг.5 схема (конструкция) ротора
антицентробежной электрической машины, на
которой
а - центробежнобезопасная область ротора,
b - центробежноопасная область ротора или
область, которая разрушиться при отключении тока
сдерживания/возбуждения Irot,
и соотношения, которые выполняются на фиг.5:
Fц.б.= Frad, Fц.б..= FЛор.2.2, Fц.б = FЛор.2.1, Irot = const,
=
+=
1.22.2
1.22.2
II
IIIrot
а также на фиг.5 представлены разновидности
профилей ротора
а) - с 2-мя,
б) - с 4-мя(крест)
в) - 6-тью полюсами(снежинка),
причём а) применимо для электтродвигателя, а б)
и в) для электрогенераторов;
на фиг.6 схема (конструкция) ротора
антицентробежной электромашины с четырьмя
проводниками, на(в) которой выполняются
соотношения:
=
=
=
===
=
=
=
=
===
+++=
ц.б.2.1ц.б.2
ц.б.2.1Лор.2.1
ц.б.2Лор.2
Лор.2.3Лор.2.2Лор.2.1Лор.2
Лор.2.1Лор.2
Лор.2.3Лор.2.1
Лор.2.2Лор.2
Лор.2.3Лор.2.2
3.22.21.22
3.22.21.22
FF
FF
FF
FFFF
FF
FF
FF
FF
n~rot
rot
I
IIII
IIIII
Причём c1
=b2.2
=b2.1, c1< с (см. фиг.4,5а).
Где, I2 - ток, текущий по крайне-верхнему
проводнику ротора,
I2.2 - ток, текущий по верхнему проводнику
ротора,
I2.1 - ток, текущий по крайне-нижнему
проводнику ротора,
I2.3 - ток, текущий по нижнему проводнику
ротора,
Fц.б.2 - центробежная сила, действующая на
крайне-верхний проводник ротора и на верхнюю
часть центробежноопасной области ротора b2,
Fц.б.2.1 - центробежная сила, действующая на
крайне-нижний проводник ротора и на нижнюю
часть центробежноопасной области ротора b2.1
а - центробежнобезопасная область ротора
ограниченная пределом твёрдости материала ротора,
при проектируемой скорости ротора(об/сек),
FЛор.2 - электромагнитная сила сдерживания,
действующая на крайне-верхний проводник ротора
и обусловленная силой тока I2,
FЛор.2.2 - электромагнитная сила сдерживания,
действующая на верхний проводник ротора и
обусловленная силой тока I2.2,
FЛор.2.1 - электромагнитная сила сдерживания,
действующая на крайне-нижний проводник ротора и
обусловленная силой тока I2.1,
FЛор.2.1 - электромагнитная сила сдерживания,
действующая на нижний проводник ротора и
обусловленная силой тока I2.3,
c1 = (a - 2h0) - расстояние между двумя
ближайшими проводниками ротора,
а - центробежнобезопасная область ротора; h0-
высота проводника ротора;
4. 28876
4
на фиг.7 схема (конструкция) ротора
антицентробежной электрической машины с
дополнительными проводниками на которой
а - центробежнобезопасная область ротора,
b - центробежноопасная область ротора или
область, которая разрушиться при отключении тока
сдерживания/возбуждения Irot,
и соотношения, которые выполняются на фиг.7:
==
+++=
;; 3.22.21.22
3.22.21.22
IIII
IIIIIrot
=
=
=
=
Лор.2.1Лор.2
Лор.2.3Лор.2.1
Лор.2.2Лор.2
Лор.2.3Лор.2.2
FF
FF
FF
FF
FЛор.2 = FЛор.2.1, Fц.б
Причём а1 = b1, a1< с(см. фиг.4)
а также на фиг.7 представлены разновидности
профилей ротора
а) - с 2-мя,
б) - с 4-мя(крест)
в) - 6-тью полюсами(снежинка),
причём а) применимо для электтродвигателя, а б)
и в) для электрогенераторов;
на фиг.8 схема высокочастотной электрической
системы на базе антицентробежных электромашин,
на которой
1) - Стартовый блок электронного разгона
(частота от 0 до 1 кГц),
2) - Блок электронного выпрямления,
3) - Скоростной асинхронный электродвигатель с
8-мью парами полюсов ротора(7,5 тыс об/мин),
4) - Светодиодная лампа(осветительная
нагрузка),
5) - Соединение концов обмоток статора в
звезду,
6) - Антицентробежный генератор (n=5тыс
об/мин),
7) - Повышающий трансформатор,
8) - Линия электропередачи (частота тока
переменного тока в фазе f=1кГц),
9) - Понижающий трансформатор,
10) - Антицентробежный электродвигатель
(n=30тыс об/мин);
на фиг.9 схема (конструкция) ротора
вставленного в статор антицентробежной
электрической машины (режим генератора);
на фиг.10 схема (конструкция) ротора и статора
антицентробежной электрической машины с
изображением электрической схемы статора(режим
генератора);
на фиг.11-13 цикл работы антицентробежного
генератора (6-ть проводников статора);
на фиг.14 графики тока в фазах
антицентробежного генератора с 6-тью
проводниками статора (с 3-мя парами);
на фиг.15 схема (конструкция) ротора
вставленного в статор антицентробежной
электрической машины (режим электродвигателя);
на фиг.16 схема (конструкция) ротора и статора
антицентробежного электродвигателя с
изображением фазного и наведённых токов в
соседней(следующей) паре проводников статора.
на фиг.17 схема (конструкция) ротора и статора
антицентробежного электродвигателя в рабочем
режиме с выпрямленным (пульсирующим)
напряжением (блок электронного выпрямления не
показан);
на фиг.18-20 цикл работы антицентробежного
электродвигателя пульсирующего тока (6-ть
проводников статора);
на фиг.21 графики тока в фазах
антицентробежного электродвигателя с 6-тью
проводниками статора (с 3-мя парами), после
преобразования в блоке электронного выпрямления.
Далее приведём(опишем) конструкцию
антицентробежной электрической машины более
подробно.
Антицентробежная электрическая машина
(генератор, электродвигатель) состоит из статора и
ротора.
Ротор представляет собой прямоугольный сектор
из магнитомягкого материала (в идеале с
прямопропорциональной, малоплощадной петлёй
гестерезиса). Этот прямоугольный сектор из
магнитомягкого материала 2, обрамлён (медными)
проводниками 1, и сужается к концам (фиг.1).На
концах сектора ротора его обрамляющие медные
проводники оканчиваются полыми медными
цилиндрами 3 для коллекторного контакта. На оси
ротора должны быть «надеты» высокоскоростные
подшипники 4. Также магнитомягкий сектор ротора
и проводники ротора должно быть
электроизолированы друг от друга. Это достижимо,
например при применении изоляционных
прокладок, лаков или других электроизоляционных
напылений (с высокими прочностными
характеристиками на сжатие).
Надо сказать, что в идеале сечение проводников
у сужающихся концов ротора должно быть равным
сечению проводников в средней части ротора
(фиг.1).
S1 = S2 = const (11)
Сектор ротора (в сборе) насаживают на ось или
шкиф, закрепляют шпонками и гайками оси(по
бокам).
Сечение сектора ротора имеет прямоугольный
вид, или вид стрелки компаса(фиг.1а,б). Второе
сечение б) специально разработано для более
удобного распределения линий магнитной индукции
(для сдерживания проводников ротора).
Токи ротора I2.1, I2.2 должны быть постоянными и
быть равными друг другу, они текут соноправлено
или параллельно по обрамляющим проводникам
(фиг. 1,2)
I2.1 = I2.2 = const, Irot= I2.1 + I2.2 (12)
В рабочем режиме (при электровключённом
роторе) проводники ротора сдерживают
центробежные усилия, которые влияют на сектор
ротора при его вращении. Причём силы
электромагнитного сдерживания(силы Лоренца)
вызванные током проводников ротора сдавливают
5. 28876
5
сектор ротора пропорционально скорости вращения
подобно тискам, при условии пропорционального
изменения величины тока Irot.
Надо сказать, что в случае конструкции ротора
(фиг.4,5а) антицентробежный эффект сдерживания
не максимален т.к. расстояние с(м) достаточно
велико (до 0,5м), а относительная магнитная
проницаемость материала ротора (µ) и плотность
тока в проводниках (А/мм2
) - лимитированы.
Конструкция ротора антицентробежной машины
с четырьмя проводниками изображена на фиг. 6,7а.
Надо сказать, что в случае конструкции ротора
фиг.6,7а антицентробежный эффект сдерживания
существенно больше, чем в случае с двумя
проводниками фиг.4,5а т.к. расстояние с1 < с (м)
уменьшается (с 0,5м до 0,15м), а относительная
магнитная проницаемость материала ротора (µ) и
плотность тока в проводниках (А/мм2
) - остаются
такими же как и в первом случае.
Очевидно, что ротор с
дополнительными(четырьмя) проводниками
фиг.6,7а более эффективен для сдерживания
центробежной силы в центробежноопасной области
ротора, хотя и более сложен с точки зрения
технологического изготовления.
Статор антицентробежной электрической
машины имеет классическую конструкцию
(беличью клетку) и представляет собой три пары
проводников (т.е. 6 штук), вделанных в статор из
магнитомягкого материала, например из
трансформаторного железа (фиг.9).
Общее количество проводников может быть и
больше 6×2 = 12шт., 6×3 = 18шт,..., в зависимости от
диаметра статора и его внутреннего периметра.
Причём количество проводников статора 6 штук -
соответствует ротору с 2-мя проводниками; 12 штук
- соответствует ротору с 4-мя проводниками(крест);
18 штук - соответствует ротору с 6-тью
проводниками(снежинка) и т.д.
Схема подключения статора антицентробежной
машины, работающей в режиме генератора
представляет собой три чередующихся пары
проводников, включённых параллельно. Концы этих
проводников выведены наружу электрической
машины и имеют возможность подключения к
трёхфазной сети (фиг.10), другие же концы можно
соединить вместе (в звезду). Однако надо отметить,
что в режиме генератора используется ротор-
«снежинка» с 6-тью парами проводников ротора.
Это позволит не сильно увеличивая окружную
скорость ротора (до 5 тыс об/мин), добиться частоты
в проводниках одной фазы статора генератора,
равной 1КГц(фиг.8).
Антицентробежная машина, работающая в
режиме электродвигателя, работает по принципу
отталкивания проводников ротора от статора
(фиг.18-20), на выпрямленном пульсирующем
напряжении(токе) фиг.21, полученном посредством
блока электронного выпрямления 2 (фиг.8). Причём
стартовый режим разгона ротора
антицентробежного электродвигателя выполняет
«Стартовый блок электронного разгона» 1 (фиг.8).
Блок электронного выпрямления отключает
верхнюю полуволну переменного тока, разрывая
цепь и приводит 3-х фазный переменный ток
(напряжение) (фиг.14) к выпрямленному
пульсирующему току (фиг.21). Тем самым он
ограничивает не только фазные ток верхней
полуволны (iСфазн), но и наведённые токи в
соседних(следующих) проводниках статора
(iC наведенный), которые возникают из-за приближения
проводников ротора. Т.е. преобразует фиг.16 в
фиг.17. Блок электронного выпрямления также
отвечает за выпрямление и пропорциональное
изменение тока ротора от скорости его вращения.
О трёхфазной сети антицентробежных машин
(фиг.8) надо сказать особо, теоретически она
работает(подключается) также как и современная
трёхфазная сеть с той только разницей, что частота
такой сети больше традиционных 50Гц, она может
быть 500 Гц,1кГц, 10 кГц...Но тогда окружная
скорость антицентробежной электромашины с
одной парой проводников ротора и 3-мя парами
проводников статора будет равна 50 Гц =
1500об/мин; 500 Гц = 15000 об/мин
1кГц=30000об/мин, 10 кГц = 300000 об/мин.
Очевидно, что оптимум работы такой сети лежит в
пределах 1 кГц.
Отметим достоинства новой трёхфазной
электрической системы.
1. Повышенное индуктивное сопротивление, что
сделает возможным применение проводников
статора электромашин без удлинения, т.е. без
дополнительных катушек и обмоток статора в
традиционном понимании.
2. Применение новых материалов с номинально
более высокой плотностью тока чем у меди.
3. Генератор такой сети (с 6-тыо парами
проводников ротора и 3-мя парами проводников
статора) даст возможность выдавать в сеть 3-х
фазный ток высокой частоты (1КГц) при
относительно малом увеличении окружной скорости
ротора (5тыс об/мин)
4. Все трансформаторы и электродвигатели такой
сети (1000 Гц и выше), а также другое
электрическое оборудование будут более
компактными и лёгкими при той же мощности.
5. При применении частоты 1 кГц, возможность
подключения в такую сеть обычных асинхронных
двигателей с 8-мью парами полюсов, это снизит из
скорость вращения до 7500об/мин, что вполне
применимо для современных электроприборов
(фиг.10).
6. Применима современная осветительная
нагрузка т.е. светодиодные лампы.
Также о электроприводе применяемом в
высокочастотной электросети можно сказать
следующее.
1. Антицентробежный электродвигатель работает
на механическую нагрузку с постоянным моментом
(мощные насосы, вентиляторы и пр.)
2. Все остальные электродвигатели
(асинхронные, двигатели постоянного тока)
применимые в такой электросети могут работать на
6. 28876
6
переменную, тяжёлую и пульсирующую
механическую нагрузку.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ компенсации центробежной силы
ротора электрической машины, заключающийся в
сдерживании полюсов ротора магнитным полем,
отличающийся тем, что применяют ротор с
сонаправленным, параллельным течением токов в
его проводниках.
2. Электрическая машина для осуществления
способа по п.1, состоящая из ротора, статора,
отличающаяся тем, что ротор состоит из
магнитомягкого материала прямоугольной формы,
обрамлённого медными проводниками,
оканчивающимися полыми медными цилиндрами
для коллекторного контакта, причем проводники
изолированы от магнитомягкого материала ротора и
питаются от электронного выпрямителя.
