巴亚利耶夫通用发电机/电动机

摘要

本发明涉及电机，更具体地，涉及线性和旋转发电机/电动机。要求保护的发明的目的是增加产生的EMF的量，最小化使用的磁体和绕组的数量，并在整个发电周期中最大化其使用。巴亚利耶夫通用发电机/电动机包括固定磁芯(定子)、可移动磁芯(转子)、磁体和绕组，其中固定磁芯包含以磁体形式配置的至少一个主元件，该磁体具有布置在其两侧的发电绕组，以便当可移动磁芯移动时在绕组中提供相反的磁通量反向。为了增强磁通量，励磁绕组安装在磁体的区域中，所述励磁绕组通过整流器由发电绕组馈电。为了在电动机模式下控制运动，交流电压从具有控制单元的发电机馈送到发电绕组和励磁绕组。

说明书

技术领域

本发明涉及电机，特别是线性和旋转的发电机/电动机。

背景技术

线性和旋转发电机/电动机的工作原理是相似的。

这些装置的工作原理如图1所示。这些装置是可逆机器，可以在发电机和电动机模式下运行。

巴亚利耶夫(Bayaliyev)通用发电机/电动机既可以是线性的，也可以是旋转的，两者的区别仅在于可移动磁芯的移动轨迹的类型。

1.可移动磁芯(转子)的往复运动。

如果我们将传统异步电动机的定子(1)和转子(4)连同绕组(2)和(3)一起沿着旋转轴线在脑海中切开，并将它们展开成如图1所示的平面，就可以理解线性发电机/电动机装置。

由此产生的“平坦”设计是线性电动机的基本电路。当这种电动机的定子绕组2连接到交流网络时，将形成磁场，其轴线将以与电源电压f的频率成比例的速度V沿着空气间隙移动。

通常，已知的线性发电机/电动机具有两种类型的磁体和绕组的相互布置。

图2a)示出了由固定体(5)(磁轭)构成的装置，永磁体(6)固定在该固定体中。具有带有电绕组的固定线圈(7)的可移动杆放置在固定体内。该杆安装在套筒轴承(图中未示出)中的壳体中，并且能够从左到右往复运动，反之亦然。当杆移动时，绕组中感应出与位移速率V和位移幅度ΔX成比例的EMF。位移导致磁通量Φ转换了值ΔΦ。

由于绕组将交替地(即不是同时地)进入不同定向磁体的工作区，在这种设计中，来自位移量的磁通量转换Φ的函数看起来如下。

ΔΦ＝f(ΔX)

该设计的明显缺点是必须使用滑动触点(图中未示出)来从位于移动杆上的线圈导电。

图2b)示出了具有磁体和线圈反向布置的类似装置。磁场转换的函数将是相似的。

对于可变磁场中的线圈，法拉第定律可以表示如下：

E＝-AΦ/Δt，其中，

E-沿任意选择的电路作用的电动势，

Φ-通过受该电路限制的表面的磁通量，

t-磁通量转换的时间。

传统设计中的交变磁通转换是指绕组中的磁场朝一个方向变化(增大或减小)，然后朝相反方向变化。这导致绕组内部磁通量的缓慢转换，并且是目前使用的典型设计的主要缺点。第二个缺点是大量的磁体和绕组导致这种设计的成本增加。第三个缺点是，在整个往复运动周期中，不是所有的磁体和绕组都同时工作。图2示出了一些磁体(2件)或绕组(2件)并不总是相互作用。

发明内容

要求保护的发明的目的是增加产生的EMF，最小化使用的磁体和绕组的数量，并在整个发电周期中最大化它们的利用率。

为了这些目的，在固定磁芯上的独立基础元件中的磁体和绕组的结构布置用于在绕组中产生相反的磁通量转换。基础元件由一个磁体和两个绕组构成，这将在后面的描述中示出。

图3a)显示了没有传统线性发电机的上述缺点的设计。

该设计使用包括固定磁芯(8)的基础元件(14)，磁体(10)安装在磁芯的中点(9)处。在固定磁芯的边缘有两个绕组(11)。可移动磁芯(12)在滚珠轴承(图中未示出)上往复运动(运动方向为项目13)。通过左右绕组的磁通量方向用蓝色箭头表示。

如图3a)所示，当可移动磁芯(12)的中心相对于中点(9)定位时，穿过安装有磁体(10)的中点(9)的磁场线沿着两个绕组(11)均匀分布，并且方向相反且大小相等。

如图3b)和c)所示的可移动芯(12)向左或向右移位ΔX导致绕组(11)和可移动芯(12)之间的间隙中的磁阻的大小变化。间隙中的磁阻变化导致左右绕组中磁通量大小的相反偏差，偏差值为：

ΔΦ＝f(ΔX)

这些绕组串联连接以形成单个绕组。

单个绕组中磁通量的总转换为：

ΔΦ＝f(ΔX)-(-f(ΔX))＝2f(ΔX)，因此与典型设计相比增加了2倍。

与典型设计相比，可移动磁芯(转子)不产生任何磁场，而是无源元件，就像螺线管中的铁磁芯。它通过磁体和绕组切换磁力线，减少磁体和右绕组或者磁体和左绕组之间的磁阻。

图4示出了图3所示的装置中串联连接的两个绕组中的磁通量的转换。虚线箭头示出了由所产生的EMF感应的磁场方向，该方向总是与磁通量的转换方向相反。

图4a)-可移动磁芯处于中间位置。

图4b)-可移动磁芯向右移动。

图4c)-可移动磁芯向左移动。

对于大位移值，使用具有突起(叉状件(prong))的可移动磁芯，这允许在任何位移值下提供磁通量的转换。这种设计如图5a)、b)和c)所示。

在使用环形磁体和两个绕组的情况下，应注意，磁力线如图6所示布置。

基础元件如图7a)所示，并包括放置在固定磁芯(16)中间的环形磁体(15)，固定磁芯(16)以放置在具有技术间隙ΔY的切割圆柱体中的两个环的形式制成，可移动磁芯(17)、外绕组(18)和内绕组(19)。外绕组放置在环形磁体的外部。内绕组位于磁体的内表面和可移动磁芯(17)之间。

这种设计的工作原理类似于图5所示的装置。可移动磁芯的位移改变了磁隙ΔX的值，并分别改变了环形磁体外部和内部的磁力线密度。这导致一些磁力线从环形磁体的外部进入内部，反之亦然。技术间隙ΔY用于调整环形磁体外部和内部的磁力线的均匀性且由制造商设定。较小间隙重新分布环形磁体内部的线，较大间隙重新分布环形磁体外部的线。也可以通过在制造过程中改变固定磁芯的圆柱体壁的厚度Δh，改变其导磁性来调整磁场线的均匀性，如图7b)所示。随着壁厚Δh增加，磁场线在环形磁体外部重新分布，而Δh减少则在内部重新分布。外部和内部绕组串联连接。图7c)和d)示出了当移位可移动磁芯时磁通线密度的变化。

为了增加磁场的激励，励磁绕组(20)可以放置在永磁体所在的区域中，如图8a)和8b)所示。励磁绕组(20)以红色突出显示，通过整流器从公共发电绕组馈电。例如，这可以通过具有图9所示的典型图的晶闸管控制整流器来实现。

对于磁化绕组，如果如图10所示使用保持剩余磁化的硬磁性碳钢材料(21)，则不必使用永磁体。这种方法允许在运动的初始阶段发电，同时由于磁化绕组而进一步放大磁场激励。控制系统单元(CS)可用于改变每个晶闸管的控制角度和接通时间，从而改变平均整流电压和电流。晶闸管控制整流器的操作说明在以下网站给出：https：//studref.com/31612/tehnika/upravlyaemye_vypryamiteli_tiristorah.

巴亚利耶夫通用发电机/电动机是可逆机器，可以像类似机器一样以电动机模式运行。在电动机模式下，交流电压必须通过带有控制单元的发电机施加到发电和磁化绕组上，如图11a)所示。图11b)中示出了交流三相电源电压的曲线图。交变磁场产生驱动可移动磁芯的力。位移的方向将取决于所施加电压的相位之间的偏移。位移的速度取决于交流电压的频率。线性马达的操作描述详细描述在以下网站：http://leg.co.ua/info/elekticheskie-mashiny/lineynyeelektrodvigateli.html.

为了在发电机和电动机模式下增加巴亚利耶夫通用发电机/电动机的功率，可以安装不是一个而是多个(两个或更多个)具有相同可移动磁芯的基础元件，如图12所示。通过在可移动芯的背面放置额外的叉状件，可以将基础元件放置在可移动芯的一侧或两侧。

1.可移动磁芯(转子)的旋转运动

图13示出了传统使用的双极三相同步发电机的功能图。电流f的频率由以下关系式表示：

f＝N/60，其中，

N是每分钟转子转数(rpm)。

对于具有p个极对的发电机，n/60rpm下的电流频率将比两极发电机大p倍，即：

f＝pN/60

因此，确定转子转速的公式如下：

N＝60f/p

为了在恒定电流频率f下降低发电机的转速，例如在风力涡轮机中，必须使用多极设计，这增加了它们的成本，因为必须使用15至90对极。

在这种设计中，以及在传统的线性发电机中，绕组将交替地(即不是同时地)进入不同极化的磁体的工作区，并且磁通量转换Φ相对于位移大小的函数看起来如下：

ΔΦ＝f(Δβ)，其中β为转子旋转角度。

图14示出了在现代风力涡轮机中使用的多极发电机。环形转子具有形成磁极的独立励磁绕组，定子绕组(右侧)位于定子上。

要求保护的发明的目的是增加产生的EMF，降低发电机转速，最小化使用的磁体和绕组的数量，并在整个发电周期中最大化它们的利用率。

图15a)示出了使用两个绕组和一个磁体形式的基础元件的装置。它与图5中所示的巴亚利耶夫通用发电机/电动机的不同之处仅在于，可移动磁芯(转子)以环的形式制成，并且可以在轴承上围绕基础元件旋转。除了可移动磁芯的位移轨迹之外，具有旋转可移动磁芯的巴亚利耶夫通用发电机/电动机的操作原理与在具有可移动磁芯部分的往复运动的巴亚利耶夫通用发电机/电动机中描述的所有示例相似。从旋转角度的磁通量转换Φ的函数如下：

ΔΦ＝2f(Δβ)

磁通量转换的速率将是目前可获得的类似物的两倍。

为了增加功率并实现更均匀的负载分布，也可以使用两个或更多个带有单个可移动磁芯(转子)的基础元件，如图15b)所示。电压相的数量将取决于基础元件的数量。基础元件也可以位于可移动芯的内部或外部，具有适当的叉状件布置。

输出频率将取决于移动元件上突起(叉状件)的数量，公式如下：

f＝N＊Nprong/60，其中，

N-每分钟转子转数：

Nprong-转子上的叉状件数量。

该公式表明，为了增加发电机的输出频率，增加可移动磁芯中的叉状件数量就足够了，因此，转子速度可以降低相同的量，这对于在风力和水力发电厂中使用的低速发电机是非常重要的。特别地，在50Hz的输出频率下，图15b)中所示的装置的轴的转速将等于：

N＝60f/Nprong＝60*50/20＝3000/20＝150rpm

具有可移动磁芯的旋转运动的巴亚利耶夫通用发电机/电动机是可逆机器，可以在电动机模式下运行。使用三个基础元件，三相同步马达可以通过一组典型的旋转控制来实现。