Однофазный синхронно-шаговый генератор переменного напряжения

Предлагаемая полезная модель относится к электрическим машинам, а именно к однофазным синхронным генераторам переменного напряжения преимущественно повышенной мощности.
Известен трехфазный синхронный генератор, содержащий ротор, на валу которого расположены полюсы с прикрепленными на них катушками возбуждения, к которым подключен источник постоянного напряжения, и статор, в пазах которого уложены катушки индуктивности. Источник постоянного напряжения, необходимый для питания катушек возбуждения полюсов ротора, подключен к последним через кольца на роторе и подвижные щеточные контакты (Кузнецов М.И. Основы электротехники / М.И. Кузнецов. - М.: Высшая школа, 1964. - С. 334).
Однако описанный трехфазный синхронный генератор имеет следующие недостатки: дополнительный расход электрической энергии на источник постоянного напряжения, необходимый для питания катушек возбуждения полюсов ротора; низкая надежность вследствие наличия подвижных щеточных контактов для подачи питающего постоянного напряжения.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является шаговый двигатель, содержащий ротор, на котором расположены постоянные магниты, и статор, на котором расположены отдельные катушки. Каждая катушка связана с изолированным источником постоянного напряжения и с системой управления. Питание постоянным током подается на каждую катушку отдельно, причем поочередно с помощью системы управления, что обеспечивает шаговое движение ротора и его фиксацию при обесточенных обмотках возбуждения. Количество катушек зависит от шага двигателя (Емельянов А.В. Шаговые двигатели: учеб. пособие / А.В. Емельянов, А.Н. Шилин. - Волгоград: ВолгГТУ, 2005. - С. 6).
Основным недостатком этого устройства является отсутствие генерации однофазного переменного напряжения ввиду обеспечения движения ротора только при поступлении извне постоянного напряжения от изолированного источника на катушки в определенной последовательности, что связано с дополнительным расходом электроэнергии.
В основе полезной модели лежит техническая проблема обеспечения генерации однофазного переменного напряжения при отсутствии использования дополнительного источника постоянного напряжения и системы управления, подающей это напряжение на катушки.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в однофазном синхронно-шаговом генераторе переменного напряжения, содержащем ротор, на котором расположены постоянные магниты, и статор, на котором расположены катушки, согласно полезной модели ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в катушках переменного напряжения. Количество катушек на статоре четное и равно числу полюсов на роторе. Катушки соединены параллельно таким образом, что все концы катушек объединены, а начала противоположно расположенных на статоре катушек объединены попарно, и объединенные начала одной пары катушек подключены к началу нагрузки, а объединенные начала другой пары катушек подключены к концу нагрузки.
Обеспечение генерации однофазного переменного напряжения при отсутствии использования дополнительного источника постоянного напряжения и системы управления, подающей это напряжение на катушки, обусловлено тем, что в катушках, расположенных на статоре, наводится переменное напряжение, поэтому нет необходимости питать эти катушки постоянным напряжением.
Оптимальное количество катушек на статоре - четное и равно числу полюсов на роторе, что позволяет повысить мощность, снимаемую с генератора.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема однофазного синхронно-шагового генератора переменного напряжения с учетом положения ротора в промежуток времени I и III; на фиг. 2 изображено параллельное соединение катушек; на фиг. 3 приведен график изменения напряжения, наводимого в катушках в разные промежутки времени; на фиг. 4 представлена схема однофазного синхронно-шагового генератора переменного напряжения с учетом положения ротора в промежуток времени II.
Кроме того, на чертеже дополнительно изображено следующее:
- L1 - L4: катушки, расположенные на статоре;
- R - нагрузка;
- нн - начало нагрузки;
- кн - конец нагрузки;
- н - начало катушки;
- к - конец катушки;
- S - южный полюс магнита;
- N - северный полюс магнита;
- I-III - промежутки времени, соответствующие различным положениям ротора;
- Р - ротор;
- С - статор;
- t - время;
- U - напряжение в катушках.
Однофазный синхронно-шаговый генератор переменного напряжения содержит ротор 1, на валу которого расположены постоянный магнит 2 с северным полюсом 3 и южным полюсом 4, постоянный магнит 5 с северным полюсом 6 и южным полюсом 7, статор 8, на котором расположены первая 9 (L1), вторая 10 (L2), третья 11 (L3), четвертая 12 (L4) катушки, соединенные параллельно. Ротор 1 выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии (на чертеже не показан) для наведения в катушках 9 (L1), 10 (L2), 11 (L3), 12 (L4) переменного напряжения.
Количество катушек на статоре 8 четное и равно числу полюсов на роторе 1.
Все концы катушек 9 (L1), 10 (L2), 11 (L3), 12 (L4) объединены в общую точку 13.
Начала противоположно расположенных на статоре 8 катушек 9 (L1) и 11 (L3), 10 (L2) и 12 (L4) объединены попарно, то есть начала катушек 9 (L1) и 11 (L3) объединены в общую точку 14, и начала катушек 10 (L2) и 12 (L4) объединены в общую точку 15.
Объединенные начала пары катушек 9 (L1) и 11 (L3) в общую точку 14 подключены к началу 16 (нн) нагрузки 17 (R), а объединенные начала пары катушек 10 (L2) и 12 (L4) в общую точку 15 подключены к концу 18 (кн) нагрузки 17 (R).
Однофазный синхронно-шаговый генератор переменного напряжения работает следующим образом.
При принудительном вращении ротора 1 в промежуток времени I (фиг. 1) северные полюса 3 и 6 магнитов 2 и 5 соответственно наводят в первой 9 (L1) и в третьей 11 (L3) катушках положительную полуволну напряжения (фиг. 3). Южные полюса 4 и 7 (фиг. 1) магнитов 2 и 5 соответственно наводят во второй 10 (L2) и в четвертой 12 (L4) катушках отрицательную полуволну напряжения (фиг. 3).
При принудительном вращении ротора 1 в промежуток времени II (фиг. 4) северные полюса 3 и 6 магнитов 2 и 5 соответственно наводят в первой 9 (L1) и в третьей 11 (L3) катушках отрицательную полуволну напряжения (фиг. 3). Южные полюса 4 и 7 (фиг. 4) магнитов наводят во второй 10 (L2) и четвертой 12 (L4) катушках положительную полуволну напряжения (фиг. 3).
При принудительном вращении ротора 1 в промежуток времени III (фиг. 5), северные полюса 3 и 6 магнитов 2 и 5 наводят в первой 9 (L1) и в третьей 11 (L3) катушках положительную полуволну напряжения (фиг. 3). Южные полюса 4 и 7 (фиг. 5) магнитов 2 и 5 наводят во второй 10 (L2) и в четвертой 12 (L4) катушках отрицательную полуволну напряжения (фиг. 3).
Далее расположение ротора 1 повторяется, и наводимые полюсами в катушках полуволны напряжения будут соответствовать промежуткам времени I-II.
Кроме того, параллельное соединение катушек позволяет при одной и той же величине напряжения увеличить ток в нагрузке, тем самые увеличивая мощность вырабатываемой энергии.
Таким образом, предложенное устройство позволяет генерировать однофазное переменное напряжение повышенной мощности при экономии электроэнергии вследствие отсутствия использования источника постоянного напряжения для питания катушек и системы управления, подающей это напряжение на катушки.