Изобретение относится к электрическим машинам, в частности, к генераторам- двигателям как линейным, так и вращающимся.

Линейные генераторы-двигатели, повторяют по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения.

Принципы действия этих устройств аналогичны как показано на Фиг.1, Данные устройства являются обратимыми машинами и могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

Универсальный г енератор-двигатель Бандиева может быть как линейными, так и вращающимися, и отличается друг от друга только видом траектории движения подвижного магнитоировода.

Возвратно-поступательное движение подвижного магнитоировода (ротора).

Представление об устройстве линейного генератора-двигателя можно получить, если мысленно разрезать, как показано на Фиг 1, статор (1) и ротор (4) с обмотками (2) и (3) обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость

Образовавшаяся «плоская» конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя, Если теперь обмотки 2 статора такого двигателя подключить к сети переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f

Известные линейные генераторы-двигатели в основном имеют два типа взаимного расположения магнитов и катушек .

На Фи г.2 а) показано устройство, состоящее из неподвижного корпуса (5) (ярмо) в котором закреплены постоянные магниты (6), Внутри корпуса размещается подвижный шток, на котором закреплены катушки (7) с электрическими обмотками. Шток установлен в корпусе в подшипниках скольжения (на фигуре не показан) и имеет возможность возвратно- поступательного движения слева на право и наоборот. При перемещении штока в обмотках наводится ЗДС, пропорциональная скорости изменения амплитуды его перемещения VA X Перемещение приводит к изменению магнитного потока Ф на величину А Ф Так как обмотки будут поочерёдно (то есть не одновременно) входить в области действия магнитов разной направленности, то в данной конструкции функция изменения магнитного потока Ф от величины перемещения будет выглядеть следующим образом.

А Ф - f (D X) Очевидным недостатком конструкции является необходимость использования скользящих контактов (на фигуре не показаны) для съёма электроэнергии с катушек, расположенных на двигающемся штоке

На Фиг.2 б) показано аналогичное устройство, но с обратным расположением магнитов и катушек. Функия изменения магнитного поля будет аналогичной. Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

Е АФ/ At , где

Е электродвижущая сила действующая вдоль произвольно выбранного контура, Ф ^. магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, t ^. время изменения магнитного потока.

Поочерёдное, изменение магнитного потока в традиционных конструкциях означает, что сначала в обмотке изменяется (возрастает или уменьшается) магнитное поле одной направленности, а потом противоположной направленности. Это приводит к медленному изменению магнитного потока внутри обмотки и является основным недостатко использующихся в настоящее время конструкций. Вторым недостатком является большое количество магнитов и обмоток, что приводит к удорожанию действующих конструкций. Третьим недостатком является то, что не все магниты и обмотки работают одновременно в течении всего цикла возвратнопоступательного движения. На Фиг. 2 видно, что часть магнитов ( 2 штуки) или обмоток ( 2 штуки) не всегда взаимодействуют друг с другом. Задачей заявляемого изобретения является повышение генерируемой ЭДС, минимизация количества используемых магнитов и обмоток и их максимальное использование во время всего цикла генерации.

Для этих целей используем такое конструктивное расположение магнита и обмоток в отдельном базовом элементе на неподвижном магнитопроводе, чтобы создать в обмотках противоположное изменение магнитных потоков. Базовый элемент состоит из одного машите и двух обмоток, как будет показано ниже по описанию.

На Фиг. 3 а) показана конструкция, лишённая вышеуказанных недостатков традиционных линейных генераторов. В конструкции используется базовый элемент ( 14), включающий в себя неподвижный магнитопровод (8), имеющий среднюю точку (9) с установленным на ней магнитом (10). По краям неподвижного магнитопровода расположены 2 обмотки (1 1 ), Подвижный магнитопровод (12) имеет возможность возвратно-поступательного движения (направление движения поз.13) на подшипниках качения ( на фигуре не показаны)· Направление магнитных полей проходящих через левую и правую обмотку показано синими стрелками.

Как показано на ФигЗ а), при расположении середины подвижного магнитопровода (12) против средней точки (9), линии магнитного ноля, проходящие через среднюю точку (9), в которой установлен магнит (10), равномерно распределены но двум обмоткам (11), противонаправлены и равны по величине.

При смещении подвижного магнитопровода (12) влево или вправо на D X как показано на Фиг 3 б) и в), происходит изменение величины магнитного сопротивления в зазорах между обмотками (11) и подвижным магнитопроводом (12). Изменение магнитного сопротивления в зазорах приводит к противонаправленному изменению величин магнитных потоков в правой и левой обмотке н величину :

А Ф - f (Л X)

Обмотки соединены последовательно и в результате образуют единую обмотку.

Совокупное изменение магнитного потока в единой обмотке составит : D Ф= f (D X) ~ (~ f (А X)) ~ 2 f (D X), то есть вырастет в 2 раза по сравнению с имеющим иея аиал о гам и. В отличии от имеющихся аналогов подвижный магнитопровод (ротор) не генерирует никакою магнитного поля, а является пассивным элементом как ферримагнитиый сердечник в соленоиде. Он переключает магнитные линии, проходящие через магнит и обмотки, уменьшая магнитное сопротивление между магнитом и правой обмоткой или магнитом и левой обмоткой

На Фиг. 4 показано изменение магнитных потоков в двух обмотках соединенных последовательно в устройстве, изображённом на Фиг. 3. Пунктирными стрелками показано направление магнитного поля индуцируемого возникающей при этом ЭДС, которое всегда направлено против изменения магнитного потока.

Фиг.4 а) - подвижный магнитопровод находится в нейтральном положении.

Фиг.4 б) - подвижный магнитопровод двигается вправо.

Фиг.4 в) - подвижный магнитопровод двигается влево.

При больших величинах смещения, используется подвижный магнитопровод с выступами (зубцами), позволяющий обеспечить изменение магнитных потоков при любой величине смещения. Эта конструкция изображена на Фиг,5 а), б) и в).

В случае использования кольцевого магнита и двух обмоток надо учесть, что его магнитные линии расположены, как изображено на Фиг.6.

Базовый элемент будет выглядеть как на Фиг.7 а) и включает в себя кольцевой магнит (15), помещённый в середину неподвижного магиитопровода (16) который изготовлен в виде двух колец, помещённых в разрезанный цилиндр с технологическим зазором A Y , подвижный магнитопровод (17), наружную обмотку (18) и внутреннюю обмотку (19). Наружная обмотка размещена с наружной части кольцевого магнита, Внутренняя обмотка находится между вну тренней поверхностью магнита и подвижным магнитопроводом (17).

Принцип действия данной конструкции аналогичен устройству, изображённому на Фиг. 5. Передвижение подвижного магиитопровода изменяет величину магнитных зазоров А X и соответственно плотность линий магнитного поля снаружи и внутри кольцевого магнита. При этом часть линий магнитного ноля переходит снаружи кольцевого магнита внутрь и обратно. Технологический зазор A Y предназначен для регулирования равномерности плотности линий магнитного поля снаружи и внутри кольцевого магнита и выставляется заводо изготовителем. При уменьшении зазора линии перераспределяются внутрь кольцевого магнита, при увеличении наружу. Регулирование равномерности плотности линий магнитного поля можно осуществлять и за счёт изменения толщины стенки цилиндра неподвижного машитопровода Ah в процессе изготовления, изменяя его магнитную проводимость как показано на Фиг.7 б). При увеличении толщины стенки Ah линии магнитного поля перераспределяются наружу кольцевого магнита, при уменьшении внутрь. Наружная и внутренняя обмотки соединены последовательно. На Фиг. 7 в) и г) показано изменение плотности линий магнитных потоков при перемещении подвижного мапштоировода. Для усиления возбуждающего магнитного поля в зоне расположения постоянного магнита можно поместить обмотку возбуждения (20) как показано на Фиг. 8. а) и б) Обмотка возбуждения (20) выделена красным цветом и запитываются с единой генерирующей обмотки через выпрямитель. Например, через управляемый выпрямитель на тиристорах, стандартная схема ко торого изображена на Фиг.9. При использовании обмотки подмагничивания можно вообще отказаться от применения постоянного магнита, если в зоне его размещения использовать магнитотвердый материал из углеродистой стали (21), сохраняющей остаточную намагниченность как показано на Фиг 10. Это позволит начать генерацию электроэнергии на начальном этапе движения с дальнейшим усилением возбуждающего магнитного поля за счёт обмоток подмагничивания. С помощью блока системы управления (СУ) можно изменять угол управления и время начала работы каждого тиристора, а следовательно и среднее выпрямленное напряжение и ток. Описание работы управляемого выпрямителя на тиристорах изложено на сайте: https : //stij d re f. com/311612/tehmka/upravlyaemye vypminiteii tinstorah Универсальный генератор-двигатель Банлиева является обратимой машиной и, так же как и его аналоги, может работать в двигательном режиме. В двигательном режиме на генерирующие и подмагничивающие обмотки надо подать переменное напряжение через генератор с блоком управления, изображённый на Фиг. 11 а). Диаграммы переменного питающего трехфазного напряжения показаны на Фиг. 11 б). Переменное магнитное поле создает усилие, которое приводит в движение подвижный маг нито про вод. Направление движения будет зависеть от сдвига фаз подаваемого напряжения. Скорость движения от частоты напряжения. Описание работы линейных двигателей подробно изложено на сайте: http://lcg.co. ua/iiifo/dektncheskie-inasiiiny/lineynyc--elektro vigateli.Iitml б

Для увеличения мощности универсального генератора-двигателя Баялиева как в генераторном, гак и в двигательном режиме можно использовать не один, а несколько (два и более) базовых элемента при одном и том же подвижном магиитопроводе, как это показано на Фиг.12. Базовые элементы можно располагать как с одной гак и с двух сторон подвижного мапштонровода если разместить дополнительные зубцы на его обратной стороне.

2.Врашающа тельное движение подвижного магнитонровода (ротора).

На Фиг.13 показана функциональная схема традиционно используемого двухполюсного трехфазного синхронного генератора. Частота тока ί выражается следующим соотношением: f ^: N/60, где N — число оборотов ротора в минуту.

Для машин, имеющих р пар полюсов, частота тока при п/60 об/сек будет в р раз больше, чем для двухполюсной машины, т е. f-pN/60

Отсюда формула для определения частоты вращения ротора будет иметь следующий вид:

N~60f/p

Для снижения частоты вращения генератора, при неизменной частоте тока f , например в ветроустановках, приходится использовать многополюсные машины, что приводит к их удорожанию, так как приходится использовать от 15 до 90 пар полюсов.

В этой конструкции, так же как и в традиционных линейных генераторах обмотки будут поочередно (то есть не одновременно) входить в области действия магнитов разной направленности и функция изменения магнитного потока Ф от величины перемещения будет выглядеть следующим образом.

А Ф - f (А b ) ,где р - угол поворота ротора.

На Фиг.14 показан многополюсный генератор используемый в современных ветроустановках. На кольцевом роторе расположены обмотки независимого возбуждения, формирующие магнитные полюсы, а на статоре ( справа) - обмотка статора.

Задачей заявляемого изобретения является повышение генерируемой ЭДС, снижение частоты вращения генератора, минимизация количества используемых магнитов и обмоток и их масимальное использование во время всего цикла генерации.

На Фиг 15 а) показано устройство е использованием базового элемента в виде двух обмоток и одного магнита. От универсального генератора-двигателя Каялиева изображённого на Фиг 5 оно отличается только тем, что подвижный магнитопровод (ротор) изготовлен в виде кольца и имеет возможность вращения вокруг базового элемента на подшипниках. Принцип действия универсального генератора- двигателя Баялнева с вращающимся подвижным магиитопроводом аналогичен для всех примеров описанных в разделе универсальный генератор-двигатель Баялнева с возвратно-поступательным движением подвижного магиитоировода, за исключением траектории движения подвижного магиитоировода. Функция изменения магнитного потока Ф от угла поворота будет выглядеть следующим образом :

А Ф - 2 f (А b),

Скорость изменения магнитного потока будет в два раза больше че у имеющихся в настоящее время аналогов.

Для увеличения мощности и более равномерного распределения нагрузки можно также использовать два и более базовых элемента при одном и том же подвижном магнитопроводе (роторе) как показано на Фиг.15 б). Количество фаз напряжения будет зависеть от количества базовых элементов. Базовые элемен ты также могут быть расположены как внутри, так и снаружи подвижного магиитоировода при соответствующем расположении зубцов.

Частота генерации будет зависеть от количества выступов (зубцов) на подвижном элемен те по формуле ; f ~ N*N:iy6 /60, где

N - число оборотов ротора в мину ту; Мзуб - количество зубцов на роторе.

Из формулы видно, что для увеличения частоты генерации достаточно увеличить количество зубцов в подвижном магиитопроводе, а значит на такую же величину можно снизить скорость вращения ротора, что очень важно для тихоходных генераторов, используемых в ветровых и гидро электростанциях. В частности, частота вращения вала устройства изображённого на Фиг. 15 б) при частоте генерации 50 Гц буде т равна :

N— dOί/Ntnd- 60*50/20- 3000/20 150 оборотов в минуту

Универсальный генератор-двигатель Баялиева с вращательным движением подвижного магнитол овода является обратимой машиной и, так же как и его аналоги, может работать в двигательном режиме. При использовании трех базовых элементов получим трехфазный синхронный двигатель, в котором можно использовать стандартный набор управления вращением.