АКСИАЛЬНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР
AXIAL CONTACT-FREE ENGINE-GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам постоянного тока и предназначено для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока, а также для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию вращения, и может быть использовано, например, для запуска двигателей внутреннего сгорания автомобилей и авиационных двигателей, а также для генерирования электрической энергии для нужд бортовой электрической сети автомобилей, летательных аппаратов и других локальных подвижных объектов.
Известен стартер-генератор радиальной конструкции (Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1995. - 303 с.), являющийся по существу двигатель-генератором, содержащим коллекторный двигатель постоянного тока, механическую передачу и генератор переменного тока с выпрямителем и обмоткой возбуждения на роторе, присоединенной через контактные кольца к устройству регулирования напряжения генератора, и механически подсоединенный к валу двигателя внутреннего сгорания через ременную передачу, ротор коллекторного двигателя в режиме работы его стартером соединен механически с маховиком вала двигателя внутреннего сгорания.
Однако технология изготовления такого двигатель-генератора сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора, необходимости выполнения обмоточных работ внутри цилиндрического статора, а качество вырабатываемой таким генератором электрической энергии постоянного тока недостаточно высоко из-за высокого коэффициента пульсации выпрямленного напряжения. Кроме того, стоимость такого генератора велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке. Недостатком такого двигатель-генератора является также наличие подвижных контактов - щеточно-коллекторного узла и контактных колец - что снижает надежность работы электрической машины в целом, увеличивает потери энергии, усложняет конструкцию.
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является стабилизированный аксиальный генератор постоянного тока (патент РФ №2470446, опубл. 20.12.2012 г., бюл. №35, авт. Гайтов Б.Х., Кашин Я.М. и др.), содержащий корпус и ротор, на котором установлены постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и аксиальные вращающиеся магнитопроводы возбудителя и основного генератора. В известном стабилизированном аксиальном генераторе постоянного тока в пазы бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны внутреннего аксиального магнитопровода уложена дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, а в нижней части корпуса генератора установлен регулятор напряжения, состоящий из измерителя отклонений напряжения, предварительного усилителя, блока усиления мощности и силовой части, причем измеритель отклонений напряжения включен на выходное напряжение генератора, а дополнительная обмотка возбуждения возбудителя подключена к силовой части регулятора напряжения.
Однако известная из патента РФ №2470446 электрическая машина может работать только в генераторном режиме.
Задачей предлагаемого изобретения является создание аксиальной электрической машины, работающей в двух режимах: двигательном и генераторном - двигатель-генератора.
Технический результат заявленного изобретения - обеспечение возможности выполнения одной аксиальной электрической машиной двух функций: преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока высокого качества и преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию вращения при одновременном повышении надежности работы электрической машины, упрощении технологии ее производства и снижении стоимости.
Технический результат достигается тем, что в корпусе аксиального бесконтактного двигатель-генератора, содержащего корпус и ротор, на котором установлены постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и аксиальные вращающиеся магнитопроводы возбудителя и основного генератора, дополнительно со стороны постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя устанавливается боковой аксиальный магнитопровод с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого укладывается многофазная обмотка. Постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя выполняется с датчиками положения ротора. Каждый датчик положения ротора состоит из чувствительного элемента, закрепляемого на постоянном многополюсном магните индуктора подвозбудителя по внешнему радиусу, и сигнальной обмотки, устанавливаемой посредством штанги на внутренней поверхности корпуса на линии пересечения плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора и проходящей через оси симметрии чувствительных элементов, с внутренней поверхностью корпуса. Каждая сигнальная обмотка устанавливается равноудаленной от соседних сигнальных обмоток, а в нижней части корпуса устанавливается блок управления.
Предлагаемое изобретение, выполняя функцию стабилизированного аксиального генератора постоянного тока, как и прототип, в то же время, в отличие от него, позволяет обеспечить возможность выполнения одной аксиальной электрической машиной двух функций: преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока высокого качества и преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию вращения при одновременном повышении надежности работы электрической машины по сравнению с известным (Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1995. - 303 с.) стартер-генератором за счет выполнения ее без подвижных контактов - щеточно-коллекторного узла и контактных колец. Упрощение технологии производства электрической машины и снижение ее стоимости при внедрении предлагаемого изобретения достигается за счет замены операции «штамповка», используемой для изготовления магнитопроводов цилиндрической конструкции, на операцию «намотка» стальной ленты с пазами и более эффективного использования магнитного материала за счет магнитной изоляции модулей аксиальных магнитопроводов друг от друга (пат. РФ №2475924, Гайтов Б.Х., Кашин Я.М. и др.).
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого аксиального бесконтактного двигатель-генератора в разрезе и его сечение по плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора и проходящей через оси симметрии чувствительных элементов; на фиг.2 - электрическая схема предлагаемого аксиального бесконтактного двигатель-генератора.
Аксиальный бесконтактный двигатель-генератор содержит: корпус 1, постоянный многополюсный магнит 2 индуктора подвозбудителя, по внешнему радиусу которого закреплены чувствительные элементы 23 датчиков положения ротора (ДПР), внутренний аксиальный магнитопровод 3 с многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя, однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя и дополнительной однофазной обмоткой 6 возбуждения возбудителя; внутренний аксиальный магнитопровод 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя и однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора, боковой аксиальный магнитопровод 10 с многофазной обмоткой 11 якоря основного генератора, вал 12, закрепленный в подшипниковых узлах 13 и 14 и жестко связанный с постоянным многополюсным магнитом 2 индуктора подвозбудителя посредством диска 15 и с внутренним аксиальным магнитопроводом 7 посредством диска 16.
Однофазная обмотка 5 возбуждения возбудителя (фиг.2) подключается к многофазной обмотке 4 якоря подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель 17. Однофазная обмотка 9 возбуждения основного генератора подключается к многофазной обмотке 8 якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель 18. Многофазная обмотка 11 якоря основного генератора подключается к многофазному двухполупериодному выпрямителю 19 через блок управления 20, установленный в нижней части корпуса 1 двигатель-генератора.
В корпусе 1 со стороны постоянного многополюсного магнита 2 индуктора подвозбудителя закреплен боковой аксиальный магнитопровод 21 с многофазной обмоткой 22, которая подключена к многофазному двухполупериодному выпрямителю 25 через блок управления 20, а на линии пересечения плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора и проходящей через оси симметрии чувствительных элементов 23 датчиков положения ротора, установлены сигнальные обмотки 24 датчиков положения ротора. Расстояния между соседними сигнальными обмотками 24 одинаковы. Каждая сигнальная обмотка 24 закреплена на корпусе 1 посредством штанги 26.
Аксиальный бесконтактный двигатель-генератор может работать в генераторном и двигательном режимах.
В генераторном режиме аксиальный бесконтактный двигатель-генератор работает следующим образом. При вращении постоянного многополюсного магнита 2 индуктора подвозбудителя и внутреннего аксиального магнитопровода 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя и однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора магнитный поток многополюсного постоянного магнита 2 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3, жестко установленного в корпусе генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 17 и подается на однофазную обмотку 5 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы бокового аксиального магнитопровода 3. При этом в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя создается магнитный поток.
Созданный магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 18 и подается на однофазную обмотку возбуждения 9 основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7. Магнитный поток однофазной обмотки возбуждения 9 основного генератора взаимодействует с многофазной обмоткой 11 якоря основного генератора, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 10, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 19 и подается в сеть.
Кроме того, при вращении постоянного многополюсного магнита 2 индуктора подвозбудителя магнитный поток магнита 2 взаимодействует с многофазной обмоткой 22, выполняющей в генераторном режиме роль обмотки якоря дополнительного генератора, наводя в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 25 и подается в сеть.
Выходное напряжение генератора на обмотке 11 якоря основного генератора является стабилизированным, а на обмотке 22 якоря дополнительного генератора - нестабилизированным.
В двигательном режиме аксиальный бесконтактный двигатель-генератор работает следующим образом.
При подаче стартовых импульсов от блока управления 20 на многофазную обмотку 22, выполняющую в двигательном режиме роль обмотки основного индуктора двигатель-генератора, магнитный поток, создаваемый обмоткой 22, взаимодействует с постоянным многополюсным магнитом 2 и приводит во вращение ротор двигатель-генератора (постоянный многополюсный магнит 2 и внутренний аксиальный магнитопровод 7 с обмотками 8 и 9).
При вращении ротора на каждой из сигнальных обмоток 24 датчиков положения ротора блоком управления 20 формируются управляющие сигналы, которые после преобразования в блоке управления 20 подаются в виде импульсов на соответствующие фазы многофазной обмотки 11, выполняющей в двигательном режиме роль обмотки вспомогательного индуктора двигатель-генератора, и на соответствующие фазы многофазной обмотки 22, выполняющей в двигательном режиме роль обмотки основного индуктора двигатель-генератора.
При вращении постоянного многополюсного магнита 2 индуктора подвозбудителя и внутреннего аксиального магнитопровода 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя и однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора магнитный поток многополюсного постоянного магнита 2 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 3, жестко установленного в корпусе генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 17 и подается на однофазную обмотку 5 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы бокового аксиального магнитопровода 3. При этом в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя создается магнитный поток.
Созданный однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 18 и подается на однофазную обмотку 9 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7.
При подаче импульсов напряжения на многофазную обмотку 11 основного индуктора от блока управления 20 магнитный поток, созданный этой обмоткой, взаимодействует с магнитным потоком, созданным однофазной обмоткой 9 якоря, сообщая ротору дополнительный момент вращения.
Регулирование частоты вращения ротора в двигательном режиме осуществляется изменением величины и полярности напряжения, подаваемого на дополнительную обмотку 6 от блока управления 20.
При подаче напряжения на дополнительную однофазную обмотку 6 в зависимости от полярности подаваемого напряжения создается магнитный поток, направленный согласно или встречно магнитному потоку, создаваемому однофазной обмоткой 5. При изменении величины и полярности прикладываемого к дополнительной однофазной обмотке 6 напряжения изменяется величина суммарного магнитного потока, получаемого в результате сложения магнитных потоков, создаваемых обмотками 5 и 6. Этот суммарный магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 18 и подается на однофазную обмотку 9. Далее процесс преобразования энергии осуществляется, как описано выше. В результате этого сила взаимодействия магнитных потоков, создаваемых обмотками 9 и 11, а соответственно и частота вращения ротора двигатель-генератора изменяются.
При подаче на обмотку 6 напряжения, создающего согласованное направление магнитных потоков, создаваемых обмотками 5 и 6, увеличение напряжения в обмотке 6 приведет к усилению взаимодействия магнитных потоков, создаваемых обмотками 9 и 11, а значит, к увеличению частоты вращения двигателя; уменьшение напряжения в обмотке 6 приведет к уменьшению частоты вращения двигателя. Напряжение, создающее согласованное направление магнитных потоков, создаваемых обмотками 5 и 6, целесообразно подавать в дополнительную обмотку 6 для разгона двигателя.
При подаче на обмотку 6 напряжения, создающего встречное направление магнитных потоков, создаваемых обмотками 5 и 6, увеличение напряжения в обмотке 6 приведет к ослаблению взаимодействия магнитных потоков, создаваемых обмотками 9 и 11, а значит, к уменьшению частоты вращения двигателя; уменьшение напряжения на обмотке 6 приведет к увеличению частоты вращения двигателя. Напряжение, создающее встречное направление магнитных потоков, создаваемых обмотками 5 и 6, целесообразно подавать в дополнительную обмотку 6 для торможения двигателя.