Полифазный генератор

Полезная модель относится к области электротехники в части электрических машин постоянного тока. Устройство предназначено для преобразования механической энергии в электрическую.
Термин «полифазный» (от греч. сл. πολύς — многий) означает, что число рабочих фаз такого электрического генератора может быть более трёх. В настоящей модели число фаз отличается на одну единицу от числа магнитных полюсов ротора в большую или меньшую сторону.
Известен синхронный электрический двигатель-генератор RU 181979 U1, характеризующийся тем, что он содержит статор с трехфазной обмоткой и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами. Заявленный двигатель-генератор при работе на сверхнизких оборотах в режиме генерации с подключенным на выходе выпрямителем имеет высокий уровень пульсаций выходного напряжения постоянного тока, снижение которого невозможно без применения дорогостоящего блока сглаживающих конденсаторов большой ёмкости – суперконденсаторов или ионисторов.
Задача настоящей полезной модели заключается в необходимости разработки простой конструкции генератора, позволяющей работать в большом диапазоне оборотов в составе ветро- или гидроэлектростанции без применения блока сглаживающих суперконденсаторов с высоким рабочим напряжением на выходе выпрямителя.
Техническим результатом реализации данной полезной модели является создание простой конструкции электрического генератора со сниженной амплитудой пульсаций выпрямленного выходного напряжения при работе на сверхнизких оборотах.
Поставленная задача решается тем, что в полифазном синхронном электрическом генераторе с числом фаз более трёх, содержащем статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с зубцами с симметричными шляпками, разделёнными пазами, фазные катушки статора размещены каждая на своём отдельном зубце, расположенном по окружности статора, согласно заявленному техническому решению, число магнитных полюсов статора всегда нечётное и отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов ротора в большую или меньшую сторону.
Полезная модель поясняется чертежом: фиг. 1, на котором изображена активная часть генератора в разрезе. На чертеже номерами обозначены следующие элементы электрической машины:
1 – магнитопровод ротора;
2 – магнитные полюса ротора;
3 – магнитопровод статора;
4 – фазные обмотки статора.
Полифазный электрический генератор (фиг. 1) включает в себя магнитопровод ротора 1 с установленными на нём по окружности чередующимися магнитными полюсами 2 и магнитопровод статора 3 с размещёнными на нём фазными обмотками 4. Ротором является наружная часть электрического генератора, статор размещён в центральной части. Соотношение количества полюсов ротора и статора рассчитано следующим образом. Количество магнитных полюсов статора может быть любым нечётным более трех. Число полюсов ротора при этом отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов статора в большую или меньшую сторону. Магнитопровод статора 3 выполнен с зубцами с симметричными шляпками, разделёнными пазами и фазные обмотки статора 4 размещены каждая на своем отдельном зубце, расположенном по окружности магнитопровода статора 3. К выходу каждой фазной обмотки статора 4 подключены выпрямительные диодные мосты. Диодные мосты, вместе образующие выпрямитель выходного напряжения, размещены в корпусе генератора, их выходы соединены параллельно.
Вместо постоянных магнитов в устройстве ротора может быть использован магнитопровод с обмотками возбуждения.
Поскольку число полюсов ротора отличается от числа полюсов статора на одну единицу, то на поверхности зубцов статора при любом положении ротора всегда присутствует равномерно распределённый градиент напряжённости магнитного поля, который при работе обеспечивает необходимое фазовое смещение, при котором число фаз генератора равно числу зубцов его статора с обмотками.
φ
Таким образом, получают генератор с множеством фаз, смещённых друг относительно друга на угол , равный:
ϕ
/N
3
=2⋅360, (1)
ϕ
N
3
где - угол смещения между фазами; - количество зубцов магнитопровода статора.
Частота пульсаций выпрямленного выходного напряжения при этом составляет:
f
N
N
п
м
3
= ⋅⋅ν/60,  (2)
f
N
N
п
м
3
где  – частота пульсаций выходного напряжения после выпрямителя при параллельном включении, Гц;  – количество магнитных полюсов ротора; - количество зубцов статора; ν - частота вращения подвижной части генератора, оборотов в секунду.
ϕ
При вращении ротора генератора на выходе выпрямителя происходит взаимное наложение эпюр напряжения каждой фазы друг на друга с угловым смещением  и осциллограмма выпрямленного выходного напряжения генератора представляет собой прямую линию на уровне с величиной в  больше эффективного значения напряжения одной фазной обмотки, то есть представляет собой сглаженное выпрямленное напряжение с величиной пульсаций на уровне погрешности измерений, и которая не зависит от скорости вращения ротора.
Пример реализации:
2
В соответствии с описанной моделью, был изготовлен полифазный электрический генератор для ветровой электростанции. Генератор имеет вращающийся внешний ротор с неодимовыми магнитами в количестве 52-х штук, статор расположен в центральной части, имеет 51 фазную обмотку, размещённые на каждом зубце магнитопровода статора. К выходу каждой обмотки подключены выпрямительные диодные мосты на напряжение 200 В, ток 3 А, в общем количестве 51 штука. Диодные мосты размещены в корпусе генератора, их выходы соединены параллельно. Выпрямитель собран без сглаживающего фильтра на выходе. Генератор имеет два вывода проводом с сечением по 6 мм. При толщине магнитов 4 мм генератор имеет очень низкий момент страгивания и плавный ход, что крайне важно для эффективной работы генератора для ветровой электростанции.
Генератор имеет следующие параметры:
внешний диаметр – 220 мм;
толщина – 80 мм;
вес – 8,8 кг;
выходная мощность при 1000 об/мин – 4 кВт;
выходное напряжение – 81 В;
выходной ток – 50 А;
охлаждение – естественное, воздушное.
При увеличении оборотов до 1600 об/мин выходное напряжение постоянного тока составило 127 В при токе 48 А, максимальная выходная мощность генератора при этом составила 6,3 кВт. При этом частота пульсаций на выходе установлена на уровне 70 кГц при их эффективном значении 23 мВ. В режиме максимальной мощности температура корпуса генератора не превышала 65ºС, что допустимо для нормальной работы неодимовых магнитов. При номинальной нагрузке температура корпуса не поднимается выше 50ºС. Измеренная частота пульсаций выходного напряжения при 60 об/мин составила 2650 Гц, напряжение 4,8 В при токе 33 А. Измеренное эффективное значение пульсаций составило 1,2 мВ, что составляет 0,04% от уровня выходного напряжения.
Результаты испытаний генератора показывают, что коэффициент пульсаций выпрямленного выходного напряжения на сверхнизких оборотах установлен на уровне 0,04%. Эта величина более чем достаточна для стабильной работы электронного контроллера генератора для ветровой электростанции и применения элементов фильтрации пульсаций в этой модели генератора напряжения не требуется. Поставленная техническая задача достигнута без применения блока сглаживающих конденсаторов большой ёмкости, суперконденсаторов и ионисторов.