Генератор маховичный
GENERATOR OF FLYWHEEL MECHANISM

Область техники
Изобретение относится к области электрооборудования двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в любых двигателях для питания системы зажигания, освещения и приборов автоматики.
Уровень техники
Известен генератор маховичный переменного тока для транспортного средства [патент России №2187690, дата публикации 2002.08.20], который содержит ротор в виде маховика с посадочным конусом и постоянного магнита, выполненного из магнитопласта на основе Nd-Fe-B в виде полюсных секторных участков, намагниченных последовательно N и S. В этом генераторе магнитодвижущая сила в магнитной цепи катушки создается двумя последовательно включенными разнополярными магнитами, суммарная толщина которых не менее суммы двух минимально возможных толщин каждого из магнитов. Это обуславливает значительное магнитное внутреннее сопротивление, сравнимое с сопротивлением воздушного зазора между полюсами статора и ротора.
Причины, по которым нельзя достичь технический результат:
Для достижения значительных мощностей генератора толщина магнита должна увеличиваться, и внутреннее магнитное сопротивление может стать больше магнитного сопротивления внешней магнитной цепи, состоящей из магнитопроводов и воздушных зазоров. Дальнейшее наращивание мощности генератора за счет увеличения толщины магнитов станет невозможным, а эффективность использования при вращении маховика если один из магнитных башмаков магнитопровода с силовой или управляющей обмоткой расположен напротив постоянного магнита с полюсным наконечником, то второй магнитный башмак этого магнитопровода всегда расположен напротив полюсного магнитопровода с минимально возможным воздушным зазором между ними.
Известен генератор магдино лодочного мотора «Нептун» [«Мотор лодочный подвесной «Нептун 23Э», руководство по эксплуатации. Москва, 2005]. Этот генератор встроен в маховик из немагнитопроводного материала (алюминий). Для создания замкнутой магнитной цепи в таком маховике по внутренней поверхности его обода расположены последовательно магнит с намагниченностью N-S или S-N, магнитопроводящий материал, магнит с противоположной намагниченностью S-N или N-S. При этом полюса магнита располагаются на расстоянии, равном длинной стороне магнита, магнитные внутренние сопротивления велики и также складываются.
Причины, по которым нельзя достичь технический результат:
При использовании магнитов высоких энергий Nd-Fe-B такая конструкция магнитной системы маховика дает очень низкую эффективность использования магнита. Кроме того, зазор между полюсами магнитопроводов статора и ротора генератора при вращении маховика изменяется скачком и поэтому диапазон регулировки угла опережения зажигания при изменении оборотов маховика мал - порядка (17÷20)°.
Известен магнетогенератор [патент России №2211365, дата публикации 2003.08.27], принимаемый в качестве прототипа. Этот генератор содержит подвижную часть - маховик с постоянными магнитами, снабженными полюсными наконечниками, и неподвижную - основание с размещенными на нем силовой и управляющей катушками на сердечниках со скругленными полюсными башмаками, причем башмаки сердечника управляющей катушки выполнены с размахом, равным 2/3 величины полюсных наконечников.
Причины, по которым нельзя достичь технический результат:
Если полюсный наконечник выполнен в виде сектора с площадью, равной 3/2 площади полюсного башмака, а площадь магнита равна площади полюсного наконечника, что ограничивает возможность снижения внутреннего магнитного сопротивления магнита. Выполнение полюсных наконечников в виде сектора ограничивает и диапазон автоматической регулировки угла опережения зажигания. Кроме того, такая конструкция магнетогенератора возможна только в маховиках из магнитопроводящего материла.
Т.е. ограниченные возможности использования, области применения генератора маховичного в различных лодочных моторах.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема заключается в создании генератора маховичного направленного на расширение области применения лодочных моторов.
Технический результат направлен на повышение эффективности использования магнитов, на увеличение диапазона регулировки угла опережения зажигания при изменении числа оборотов маховика в единицу времени.
Технический результат достигается тем, что генератор маховичный, содержащий подвижную часть - маховик с постоянными магнитами, снабженными ступенчатыми полюсными наконечниками, и неподвижную часть - основание с размещенными на нем силовой и управляющей и генераторной обмотками на магнитопроводах со ступенчатыми магнитными башмаками, дополнительно содержит постоянные магниты, которые располагаются по всей поверхности каждого полюсного наконечника ступенчатого типа и без зазора крепятся к внутренней поверхности кольца из магнитомягкого материала, при этом внешняя поверхность полюсного наконечника по площади больше внутренней его поверхности и определяется допустимым внутренним магнитным сопротивлением магнитной цепи эмпирическим путем.
Кроме того, генератор содержит полюсные магнитопроводы из магнитомягкого материала, установленные без зазора на внутреннюю поверхность кольца в промежутке между постоянными магнитами с полюсными наконечниками так, что при вращении маховика, если один из магнитных башмаков магнитопровода с силовой или управляющей обмоткой расположен напротив постоянного магнита с полюсным наконечником, то второй магнитный башмак этого магнитопровода всегда расположен напротив полюсного магнитопровода с воздушным зазором между ними от 0,2 мм до 0,7 мм.
Сущность изобретения поясняется фигурой.
Где:
1. Пластины заряжающей катушки
2. Пластины катушка генераторной
3. Катушка генераторная
4. Катушка заряжающая
5. Подвижная часть
6. Полюс магнитопроводящий ступенчатой конфигурации
7. Пластины управляющей катушки
8. Постоянные магниты
9. Катушка управляющая
10. Пазы регулировочные зажигания
11. Клемма потенциала массы
12. Крепеж позиционный пластин электротехнической стали
13. Компаунд
14. Крепеж сборочный позиционный
15. Ступня полюсная
16. Неподвижная часть
17. Проход отвода электрической проводки
18. Позиционные ступни
19. Болт фиксации сборки катушки управления
20. Кольцо магнитопроводящее
21. Ротор в сборе (маховик)
22. Статор в сборе
Генератор маховичный содержит кольцо магнитомягкого материалавстроенное в маховик, выполненный из магнитопроводящего или немагнитопроводящего материала. Внутри кольца жестко закреплены постоянные магниты полюсными ступенчатыми наконечниками и полюсные магнитопроводы (полюса) со ступенчатыми башмаками с управляющей и силовой обмотками закреплены на двигателе и являются статором генератора. Между полюсами катушками генератора, управления и заряжающей катушкой имеется воздушный зазор для обеспечения возможности вращения ротора относительно статора. Полюса и катушки расположены относительно друг друга так, что когда один из полюсов расположен напротив катушки, второй расположен напротив. Форма боковых поверхностей и ступеней полюса выбирается в зависимости от требуемого закона изменения угла опережения зажигания при изменении числа оборотов маховика.
При решении задачи учтены основные соотношения, описывающие работу генератора:
где U - ЭДС с обмотки генератора;
Ф - магнитный поток в магнитопроводе с обмоткой;
ЕМ - магнитодвижущая сила постоянного магнита;
VM - объем магнитного материала;
RM - магнитное сопротивление;
RBH. - внутреннее магнитное сопротивление постоянного магнита;
RMП - магнитное сопротивление магнитопровода;
ρм - удельное магнитное сопротивление постоянного магнита;
d - толщина постоянного магнита между его полюсами;
S - площадь постоянного магнита;
≡ - знак пропорциональности.
Из приведенных соотношений видно, что эффективность использования магнитов возрастает с увеличением площади магнита S и уменьшением его толщины d при постоянном объеме VM.
Осуществление изобретения
Генератор маховичный работает следующим образом. При вращении маховика 21 с полюсами ступенчатыми 6 и постоянными магнитами 8 залитыми магнитопроводящим компаундом 13 проходят около магнитных катушек 3, 4, 9, при этом магнитный поток в замкнутой магнитной цепи, состоящей из постоянного магнита 8 с управляющей 9 или силовой 3 и заряжающей катушками, замыкает магнитный поток проходящий в момент времени через пластины управляющей катушки 7, пластины заряжающей катушки 1 и пластины генераторной катушки 2 вначале нарастает, а затем уменьшается. Это изменение наводит ЭДС в управляющей 7 и силовой 8 обмотках. Закон изменения магнитного потока, а значит и ЭДС в обмотках определяется законом изменения магнитного сопротивления всей магнитной цепи в целом, в которой переменной величиной при вращении ротора относительно статора 22. Именно закон изменения этого зазора и определяет величину и форму ЭДС в обмотке. В предлагаемом изобретении изменение зазора плавное и длительное, а в аналогах скачкообразное. Плавное изменение ЭДС управляющей обмотки позволяет увеличить диапазон регулировки угла опережения зажигания и установить на регулировочных пазах 10.
Эффективность использования постоянного магнита увеличивается за счет увеличения внешней поверхности полюсной накладки и, следовательно, площади постоянного магнита (S), который на ней располагается, что позволяет уменьшить толщину (d) постоянного магнита. Оба эти параметра уменьшают внутреннее магнитное сопротивление (РВН) при постоянной магнитодвижущей силе (ЕМ) и увеличивают магнитный поток (Ф) и наводимую в обмотке ЭДС. При заданной ЭДС обмотки можно уменьшить объем дорогостоящего магнитного материала VM.
Область применения генератора маховичного расширяется за счет применения кольца 1 из магнитомягкого материала, которое придает магнитной системе функциональную завершенность. Такая магнитная система будет работать как в магнитопроводном маховике 2, так и в маховике 2 из немагнитопроводного материала.
Таким образом, поставленные задачи полностью решены в генераторе маховичном предлагаемой конструкции.
Изобретение реализовано в опытных образцах генераторов маховичных лодочных моторов «Нептун», «АЗП» (маховики из алюминия) и лодочного мотора «Вихрь» (маховик из стали). В маховиках этих лодочных моторов применена унифицированная магнитная система. Фотография генератора маховичного лодочного мотора приведена на чертеже. Магниты постоянные из сплава Nd-Fe-B толщиной до 6 мм. Площадь магнита 2160 мм2, площадь внутренней поверхности полюсной накладки 1138 мм2, то есть выигрыш по площади в 1,9 раза, а по магнитному сопротивлению постоянных магнитов в 3,8 раза. Экономия магнитного материала примерно 30%. Диапазон регулировки угла опережения зажигания расширен с 20° до 32° при изменении числа оборотов маховика от 200 об/мин до 6000 об/мин.
Пластины заряжающей катушки, пластины катушка генераторной, катушку генераторную, катушку заряжающую, подвижную часть, полюс магнитопроводящий ступенчатой конфигурации, пластины управляющей катушки, постоянные магниты, катушку управляющую, пазы регулировочные угла зажигания, клемму потенциала массы, крепеж позиционный пластин электротехнической стали, компаунд магнитопроводящий, крепеж сборочный позиционный, ступня полюсная, неподвижная часть, проход отвода электрической проводки, позиционные ступни, болт фиксации сборки катушки управления, кольцо магнитопроводящее замыкающее для наглядности генератор маховичный показан с обратной стороны.