Разработка электрической машины

Номинация: Лучшее конструкторское решение
Просмотреть картинки списком
Автор: Мажник Павел Анатольевич, 9 класс. Наставник: Мажник Анатолий Павлович
1ое, 2ое и 3е место: II место
Город: Краснодар
Место учебы: НЧОУ «Лицей ИСТЭК»

Цель работы:

- разработка и изготовление электрической машины с аксиальным магнитным потоком для её применения в промышленности.

Актуальность:

- технологии создания энергосберегающих систем и производства электроэнергии входят в перечень критических технологий РФ.

Предмет исследования:

- функционирование магнитных потоков в магнитопроводах с постоянными магнитами и электромагнитами.

Объект исследования:

- электромагнитные процессы в магнитопроводах с постоянными магнитами и электромагнитами.

Основными требованиями к электрическим машинам при работе в промышленности, являются возможность работать в условиях изменяющихся скорости приводного вала и нагрузок, и повышенная надежность машины. Поэтому важно, чтобы рабочим магнитным потоком в электрической машине было возможно легко управлять, и она не требовала частого ремонта. На сегодняшний день в промышленности применяются преимущественно радиальные электрические машины.

Радиальные машины делятся на синхронные, асинхронные, коллекторные машины постоянного и переменного тока и т.д.

В радиальных машинах можно хорошо управлять магнитным потоком, но у таких генераторов между ротором и подводящими элементами есть щёточный контакт. Из-за вращения приводного вала контакты изнашиваются, и машина требует длительного ремонта. Исключение составляет асинхронный радиальный двигатель - он бесконтактен, но в нём сложно управлять магнитным потоком.

Электрические машины же с аксиальным магнитным потоком не имеют контакта и могут путем простого переключения обмоток становиться как синхронными, так и асинхронными и т.д., но на сегодняшний день они мало распространены, а существующие образцы плохо управляемы.

В нашей работе предпринята попытка разработать и изготовить принципиально новую, легко управляемую и более надежную электрическую машину с аксиальным магнитным потоком для её во всех сферах промышленности. Важно отметить, что системы создания энергосберегающих систем транспортировки электроэнергии входят в перечень критических технологий РФ.

1. Способ управления магнитным потоком с магнитным шунтом

При изучении российской патентной базы, был найден интересный патент, в котором описывается управление магнитными потоками путём создания в шунте управляющего магнитного потока. (Рис.1).

Это устройство состоит из катушки, тороидального магнитного шунта, магнитопроводного элемента и двух магнитопроводов. Принцип его работы состоит в том, что до подачи напряжения в системе находиться только один магнитный поток, который создаётся постоянным магнитом и проходит через два магнитопровода и магнитный шунт. После подачи напряжения на катушку, создаваемый ею управляющий магнитный поток будет проходить через магнитный шунт. Значит, рабочий магнитный поток переместится в область магнитной перемычки. Таким образом осуществляется управление рабочим магнитным потоком.

Было решено, взяв этот способ за основу в качестве прототипа, усовершенствовать его так, чтобы расширить сферу его практического применения. В итоге пришла мысль, что можно использовать несколько таких устройств, вместе взятых, объединив их с помощью общей электрической обмотки. (рис. 2).

Если поместить их последовательно в круговой ряд, с проходящей через все шунты одной катушкой, можно добиться управления всеми магнитными потоками одновременно. А это уже позволяет создавать новые типы различных двигателей, трансформаторов и генераторов, уменьшает энергетические затраты, связанные с преобразованием магнитной энергии в другие виды энергии, в том числе, в механическую. Правильно будет использовать этот тип управления магнитными потоками и для создания электрических генераторов при преобразовании энергии ветра и воды.

Таким образом, был предложен новый способ управления магнитным потоком. На него получен патент на изобретение. (рис. 3), (приложение №1).

Подобный же результат можно получить, если использовать общий тороидальный магнитопровод. В этом случае, мы наматываем катушку в любой части магнитопровода. Подавая напряжение на катушку, мы управляем магнитными потоками сразу во всех магнитопроводных узлах. На эту разработку также подана заявка на изобретение. Но на этом исследования не закончились.

Мы решили исследовать зависимость магнитного потока через воздушный зазор от силы тока, протекающего через управляющую катушку. Для этого мы использовали датчик Холла, который был помещён в воздушный зазор. К двум выводам датчика холла мы подключили мили-вольтметр, а к остальным двум - источник напряжения на 9 В.

Мною разработана эквивалентная электрическая схема этой магнитной цепи.

2. Вариант практической реализации

При дальнейшем изучении патентной базы, нами были найдены изобретения Джо Флинна.

На рис. 4. представлены реализации способов, предложенных Д. Флинном. На двух левых рисунках показана работа двигателя и генератора с одним постоянным магнитом и четырьмя катушками. Когда правые катушки включены в работу, левые - выключены, и наоборот. На рисунках, которые изображены справа, когда правый магнит включен в работу, левый не работает. В другом положении магнитной перемычки всё происходит наоборот.

Недостатком вышеизложенного варианта практической реализации является недостаточно эффективное использование активных материалов (постоянных магнитов или катушек).

Поэтому было решено создать такую конструкцию, которая бы позволила обойтись одной катушкой и при этом использовать один или несколько магнитов.

Мы предложили новый способ управления магнитным потоком и новое устройство для его практической реализации.

Данный способ позволяет создавать целый класс новых электротехнических
устройств.

Рис. 5. Схема работы электрической машины.

Созданная нами машина состоит из группы мини-машин - ячеек (магнитопроводных узлов), представляющих собой два П-образных магнитопровода, вставленных один в другой. Между магнитопроводами размещены два постоянных магнита (может использоваться электромагнит). Вокруг магнитопроводов намотаны кольцевые (тороидальные) обмотки. (рис. 6).

Такие катушки позволяют выполнить их практически с любой электрической прочностью, а это позволяет обойтись без повышающего трансформатора (подстанции) для ГЭС. Одна обмотка охватывает сразу два магнитопровода, а вторая - только внешний.

В модели нашего генератора внутренняя катушка изготовлена с плоской намоткой, для того, чтобы уменьшить магнитные потоки рассеивания и сделать катушку менее объёмной. Такая катушка может быть получена непосредственно из листа или полосы электропроводного материала, в том числе путем лазерной резки. (рис.7)

Данная технология получения катушки и её конструкция защищены патентом РФ на изобретение. Патентом защищено несколько вариантов конструкции катушек. (рис.8), (приложение №2).

Для замыкания магнитного потока между параллельными магнитопроводами и создания параллельных путей магнитного потока используются магнитные клапаны (магнитные перемычки), расположенные на подвижной части генератора - роторе. Магнитные перемычки смещены относительно друг друга на 180 электрических градусов. При движении ротора, в катушках будет наводится переменная ЭДС в результате изменения величины магнитного потока и изменения его полярности.

При этом очень важным является тот факт, что как во внутреннем, так и во внешнем магнитопроводе, магнитный поток каждый раз направлен одинаково.

Если же на катушку мы будем подавать напряжение с изменяющейся полярностью, например, синусоидально, то в магнитопроводах будет возникать магнитный поток одновременно от постоянных магнитов и электрической катушки. Это приведёт к тому, что магнитные перемычки, в зависимости от полярности напряжения, будет перемещаться от воздействия магнитодвижущих сил.

То есть, в одном случае, подобное устройство может работать в качестве двигателя, а в другом случае - в качестве генератора.

При этом в отличие от варианта Флинна, оба магнита будут задействованы одновременно. А затраты электрической энергии направлены не только для создания намагничивающей силы, но одновременно и для управления магнитными потоками от постоянных магнитов. Это позволяет существенно экономить электроэнергию.

Таким образом, предложена новая конструкция бесконтактной электрической машины (генераторно- трансформаторного агрегата), позволяющей в одной конструкции путем простого переключения обмоток получать различные типы электрических машин - асинхронных, синхронных, с характеристиками коллекторных машин постоянного тока и т.д.

В предложенной конструкции машины используются новые технологии получения катушек индуктивности и преобразования магнитного потока. Модульная конструкция позволяет легко производить, обслуживать и утилизировать данную машину.

Бесконтактность позволяет сделать её надежной в эксплуатации. Доступ к обмоткам дает возможность упростить управление характеристиками машины.

Выводы

На основе исследований и экспериментов, представленных в данной работе, можно сделать следующие выводы:

1. Совокупность примененных технических решений позволила получить электрическую машину стабильную по величине переменного напряжения, имеющую постоянную частоту при различных оборотах приводного двигателя и изменяющейся нагрузке.

2. Результаты данной работы позволяют получить новое поколение энергоэффективных аксиальных электрических машин для любых отраслей экономики. Наиболее эффективно использование полученных технологий для возобновляемой энергетики.

3. По результатам исследования получены патенты РФ на изобретение №2336621 «Способ управления магнитным потоком и индукторная

электрическая машина для его осуществления», №2364001 «Способ получения катушки индуктивности (варианты) и катушка индуктивности (варианты)».

4. Подготовлена заявка на изобретение «Способ управления магнитным потоком (варианты) и устройство для его осуществления (варианты)», в которой предложены новые конструкции магнитно-электрических трансформаторов и энергоэффективные электрические машины.

5. Исследована зависимость магнитного потока через воздушный зазор от силы тока, протекающего через управляющую катушку.