СИНХРОНЫЙ ПОПЕРЕМЕННО-ПОЛЮСНОЙ ГЕНЕРАТОР С МАШИНОЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Областью техники данного электрогенератора является электромашиностроение, а именно многофазные машины переменного тока с увеличенной удельной мощностью (по отношению к габаритам и весу) в широком диапазоне частот (50-400 Гц).
Уровень техники.
Существующие многофазные генераторы переменного тока имеют ротор, на валу которого смонтирован сердечник из ферромагнитного материала, имеющий выступы по числу пар магнитных полюсов, с размещенной на них обмоткой возбуждения. Обмотка ротора подсоединена к контактным кольцам коллектора для подачи напряжения возбуждения генератора. Количество пар магнитных полюсов ротора определяет частоту вырабатываемого генератором электрического тока при заданной угловой скорости его вращения.
Статор набран из пластин электротехнической стали в виде колец с внутренними пазами, в которых размещается многофазная обмотка статора генератора. Число катушек в каждой фазной обмотке статора равно числу пар магнитных полюсов ротора.
Известны конструкции бесколлекторных индукторных генераторов переменного тока, в которых обмотка индуктора смонтирована совместно со статорной и выполнена в виде кольца, расположенного концентрично относительно вала. Такие генераторы называются одноименно полюсными [1].
К недостатком данных электрогенераторов следует отнести низкий КПД (60-65%) из-за больших магнитных и электрических потерь, а так же большую металлоемкость по сравнению с коллекторными машинами. Кроме того, как правило, подобные генераторы изготавливаются однофазными по причине одноименно пульсирующего характера магнитной индукции поля индуктора.
Другим типом бесколлекторных электрогенераторов является устройство, в котором ротор-индуктор собран из постоянных магнитов, а статор по конструкции идентичен классическому [1]. Они надежны в эксплуатации, но к недостатком данных генераторов следует отнести:
1. отсутствие возможности регулировки выходных параметров генератора током возбуждения его индуктора;
2. потери коэрцетивной силы магнитов во времени от воздействия тепла и реактивных магнитных полей статора;
3. сложность схемы регулировки выходных параметров генератора по сетевому напряжению не позволяет изготавливать его на большие мощности.
Наиболее близким по устройству к рассматриваемой конструкции является генератор, в котором возбудителем его индуктора, расположенного на роторе, является вспомогательный генератор переменного тока, выполненный по обращенной схеме, статор которого совместно с диодным мостом закреплен на одном валу с ротором, а ярмо индуктора вынесено за пределы основного корпуса машины с целью уменьшения ее аксиальных размеров (авторское свидетельство Н 02 К 19/38 №1157623 А).
Такое техническое решение позволяет избавиться от коллектора и уменьшить длину вала в мощных синхронных генераторах, где это особенно важно, но не освобождает от основных недостатков классической компоновки:
1. Лобовые части статорной обмотки генератора не участвуют в получении ЭДС индукции генератора и, являясь соединительным балластом, приводят к дополнительным потерям, перерасходу дорогостоящей меди и утяжелению машины.
2. Вихревые токи от наведенной переменной ЭДС в железе статора замыкаются через общее кольцо его пластин и вместе с высокочастотными гармониками вызывают дополнительный нагрев и насыщение железа, что ухудшает технико-экономические показатели генератора. Эта же причина является главным препятствием создания многофазных высокочастотных генераторов (например, 400 Гц), так как приводит к недопустимым потерям в железе статора.
3. Особенности устройства и компоновки существующих мощных синхронных машин, при которых активная часть витка обмотки статора пропорциональна длине индуктора, приводит к значительным линейным размерам несущего вала, что неизбежно сказывается на общих габаритах машины, к тому же эта величина предельна по причинам недопустимого прогиба вала и прочностных характеристик его материала. Раскрытие полезной модели.
Очевидно, что дальнейшее серьезное повышение эффективности генератора возможно только за счет более полного использования в работе
витков обмотки статора путем радикального увеличения относительной длины их активной части. Решение поставленной задачи достигается тем, что статорная обмотка 5 генератора выполнена в виде катушек с сердечниками 4, размещенных внутри фигуры вращения; осью намотки катушек является ось поперечного сечения данной фигуры вращения, а ротор снабжен двумя дополнительными торцевыми индукторами 10,11, расположение полюсов которых согласовано с полюсами центрального индуктора 9, и все вместе они охватывают статорную обмотку по периметру фигуры вращения с рабочим зазором. При этом индукторы скоммутированы таким образом, что в сечении полуплоскостью, проходящей через полюса индукторов и началом которой является их ось вращения, эти полюса одноименны, чередуясь попеременно в смежных полуплоскостях. Такая форма сопряжения статора и ротора увеличивает активную длину витка катушки статора практически до 100% (при 40-60% в рассмотренных аналогах), что пропорционально увеличивает удельную мощность генератора. Предложенное устройство генератора позволяет не только увеличить активную часть витка катушки статора, но и сократить длину вала машины при равной активной длине витка в имеющихся аналогах в 1,5 раза. Статор генератора собран из лотков-магнитопроводов 4. Лотки-магнитопроводы, собранные и отштампованные из листов электротехнической стали, подгоняются друг к другу с минимальными зазорами и крепятся на тороидальном силовом кольце 3 треугольной формы, образуя соответствующую фигуру вращения. Эти лотки-магнитопроводы при сборке составляют каркасы катушек статорных обмоток и, одновременно, их полюсные выступы. Каркасы магнитопроводов смежных катушек так же должны сопрягаться между собой с минимальными зазорами. Такая конструкция статора в виде индивидуальных магнитопроводов для каждой катушки статорной обмотки сокращает до минимума саму причину возникновения вихревых токов и высокочастотных гармоник. Новый образец машины возбуждения конструктивно выполнен как и основной генератор. Лотки-магнитопроводы статора 29 с размещенной в них обмоткой 28 образуют фигуру вращения в виде четырехугольного тороида, который входит в общую узловую сборку с ротором-индуктором основного генератора и вращается совместно с ним. Индукторы 12, 12' неподвижны и смонтированы в задней крышке генератора. Эта компоновка позволяет разместить машину возбуждения в основном корпусе генератора, максимально используя его внутренний объем при минимальной длине общего вала, а так же уйти от
коллекторной подачи напряжения возбуждения ее индукторов и упростить общую сборку генератора. Для маломощных машин с целью обеспечения режима самовозбуждения внутренний индуктор 12' может быть собран из постоянных магнитов. При этом сохраняется возможность регулировки выходных параметров машины током возбуждения внешнего индуктора 12 и, дополнительно, снижается мощность ее управления. К недостаткам такого решения следует отнести неполное гашение магнитного поля индукторов основного генератора при его аварийном отключении.
Краткое описание чертежей.
Чертеж 1. Сборочный чертеж генератора (эскиз разреза по оси генератора). Чертеж 2. Несущая обечайка (позиция 1 сборочного чертежа). Чертеж 3. Функциональная структурная схема (изображение основных электрических и механических связей генератора).
Устройство и осуществление генератора.
Согласно предложенному сборочному чертежу 1, генератор устроен следующим образом.
Статор - состоит из несущей обечайки 1, на которой по наружной поверхности образующей приварены ребра жесткости в виде двух фланцев, а так же две поперечные накладки, между которыми проходит ее разрез (чертеж 2). Внутри обечайки на стойках-опорах 2 концентрично установлено силовое кольцо 3 в виде тороида треугольной формы. Стойки-опоры одной стороной при помощи болтов 35-40 крепятся к обечайке, другая сторона приваривается или припаивается к вершине полого треугольного тороида, а количество их определяется требованием прочности узловой сборки. Штуцера 41, 42, являясь входом и выходом для теплоносителя, герметично соединены с внутренней полостью тороида. На каждую плоскость треугольного тороида крепятся магнитопроводы 4 в форме лотков, которые образуют полюсные выступы статора по всему периметру поперечного сечения тороида. В лотки-магнитопроводы 4 укладывается обмотка статора 5, которая подсоединена к выводам 7, смонтированных через изоляторы на наружной поверхности обечайки 1. Узловая сборка, включающая в себя тороид 3, лотки-магнитопроводы 4 и размещенную в них обмотку статора 5, демонтируется из обечайки 1 путем изменения ее диаметра. Накладки (черт. 2) служат для увеличения или уменьшения внутреннего диаметра несущей обечайки
посредством их дистанционирования, что позволяет осуществлять демонтаж узловой сборки или ее фиксацию при установке, придавая полной сборке статора необходимую жесткость. Такое техническое решение позволяет упростить механическую обработку собранных в статор лотков-магнитопроводов, механизировать намотку статорной обмотки, повысить ее ремонтнопригодность.
Ротор - состоит из вала 6, на котором смонтированы индукторы 9, 10, 11, охватывающие полюсами статорную обмотку с рабочим зазором по всему ее периметру. Вал ротора - составной, что упрощает его изготовление и сборку всего узла. Индуктор 9 набран из шихтованного железа с пазами по количеству пар магнитных полюсов, в которых размещена обмотка возбуждения. Индукторы 10, 11 идентичны по конструкции и состоят из основания 15, 16, в которых закреплен керн в виде кольца, намотанного из ленты трансформаторной стали с нарезанными в нем пазами по количеству пар магнитных полюсов, в которых так же размещается обмотка возбуждения. Индукторы 9, 10, 11 крепятся на валу методом прессования и механически винтами 13 через втулки 17, 18. Взаимное расположение полюсов индукторов ротора обеспечиваются их сборкой и коммутацией обмоток возбуждения. Рабочий зазор между статором и ротором устанавливается регулирующей шайбой-проставкой 33, для торцевых индукторов 10, 11. На валу смонтированы так же статор с обмоткой машины возбуждения и диодный мост с емкостным фильтром.
Корпус генератора - состоит из несущей обечайки 1 статорной сборки и крышек 21, 22. В передней крышке 21 смонтирован подшипник 19, который фиксируется по наружной обойме щечкой 25, закрепленной посредством шпилек 50-55 к телу передней крышки. В задней крышке 22 установлен подшипник 20, который зафиксирован по наружной обойме щечкой 23 и винтами 44-49, а так же запрессованы несущие кольца 30,34 с индукторами 12, 12' машины возбуждения. Изолятор 14 служит для монтажа выводов индукторов машины возбуждения. В крышках предусмотрены вентиляционные отверстия. Корпус генератора собирается при помощи болтов 56-63; 64-71. Машина возбуждения индукторов основного генератора включает в себя:
1) индукторы 12 и 12';
2) подвижный статор 29, который через несущий корпус 27 закреплен на основании 16;
3) радиаторы 26, выполненные в форме полуколец, в которых запрессованы диоды выпрямителя, электрически скоммутированные с обмоткой 28 статора машины возбуждения, и индукторов 9, 10, 11 основного генератора (черт.3). Радиаторы 26 через изолирующую прокладку 31 так же закреплены на основании 16.
4) емкостной фильтр 24, который сглаживает пульсации выпрямленного
напряжения возбуждения основного генератора. Он так же неподвижен
относительно вала.
Охлаждение генератора - комбинированное: воздушное охлаждение осуществляется закрепленным на валу 6 основным 32 и дополнительным 8 вентиляторами; водяное - охлаждение статора генератора протоком воды во внутренней полости тороида 3.
Работа генератора.
Генератор работает следующим образом. После начала вращения его ротора от аккумулятора подается пусковое напряжение на индуктор машины возбуждения через блок управления I (черт.3), что приводит к появлению напряжения на статорной обмотке 28. Для маломощных передвижных электростанций может быть предусмотрен режим самовозбуждения генератора путем замены индуктора 12' на индуктор, собранный из постоянных магнитов. Переменное напряжение выпрямляется черед диодный мост, смонтированный на радиаторах 26, фильтруется емкостным фильтром 24 и поступает на индукторы 9, 10, 11 основного генератора, возбуждая их. ЭДС индукции возникает в фазных обмотках 5 статора в результате пересечения магнитных силовых линий многополюсных индукторов 9, 10, 11 его катушками. Направление ЭДС в каждой из сторон треугольной катушки согласованы и при этом суммируются, утраиваясь в каждом витке катушки, а форма определяется изменением магнитной индукции в межполюсном зазоре статора и индукторов ротора. Магнитопроводы 4 катушек статора выполняют роль усилителя их магнитной индукции и при появлении тока в фазных обмотках статора увеличивают его потокосцепление с ротором в μ раз. Переменное напряжение с выводов 7 статорной обмотки 5 поступает в сеть потребителя и линейным напряжением запитывает блок управления I, автоматически отключая пусковое напряжение. Электронная схема блока управления сравнивает выходное сетевое напряжение с эталонным и, изменяя ток возбуждения в индукторе 12 машины возбуждения, регулирует сетевое напряжение в установленных пределах. Защита генератора от перегрузки по току
осуществляется электронным устройством, состоящим из усилителя напряжения, блока индикации и порогового реле. Падение напряжения с шунтовой сборки 3 поступает на электронное устройство, преобразуется в сигнал управления блоком индикации и пороговым реле. При перегрузке электронное реле блокирует подачу напряжения возбуждения на индуктор машины возбуждения, погашая магнитное поле индукторов основного генератора, таким образом, осуществляется его аварийное отключение. Терморезистор 2 защищает статор генератора от перегрева. Напряжения возбуждения индукторов (9, 10, 11), (12, 12') подобраны по току насыщения.
Предложенная система управления и защиты генератора позволяет снизить в 5-6 раз управляемую мощность возбуждения генератора и повысить его надежность при эксплуатации.
Литература.
1. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник. «Энергия». Л., 1978 г., стр.780, 793.