УЛУЧШЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электротехнике и представляет собой электрическую машину, предназначенную для генерации и питания нагрузки постоянным током высокого качества.
Уровень техники. Из уровня техники известен униполярный генератор тока [патент РФ на изобретение №2518461], содержащий вращающийся ротор и неподвижный статор. В качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска. В качестве неподвижного статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля, а количество секторов ротора равно количеству полюсов статора или больше, причем полюса статора вращающегося магнитного поля могут быть созданы вращающимися магнитами, либо электромагнитами, либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающееся постоянное или переменное поле. Количество вращающихся полюсов может быть 2 или больше при соблюдении условия, что направления ЭДС, создаваемые в роторе диаметрально расположенными полюсами, сонаправлены, а соседние полюса (по периметру) создают чередования направлений диаметральной полярности ЭДС на роторе.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие скользящего контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.
Также известна многовальная униполярная электрическая машина [патент РФ на изобретение №2634350], содержащая систему возбуждения, токопроводящие диски, имеющие общую точку соприкосновения, а также два токосъемника. При этом оси токопроводящих дисков располагаются параллельно и вращаются в разном направлении, а система возбуждения выполнена наборной из ряда индукторов, выполненных в виде П-образного магнитопровода и содержащих обмотки возбуждения. Индукторы расположены параллельно плоскостям вращения дисков, а число индукторов равно количеству дисков плюс один. Каждый из индукторов обхватывает обе половинки двух рядом расположенных дисков, а два крайних индуктора охватывают половинки двух крайних дисков, токосъем реализован парой токосъемников с крайних точек окружностей крайних дисков.
Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие механического контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин [1]. Во многих из них используются постоянные магниты для получения магнитного потока возбуждения, который приводит к появлению переменной ЭДС в обмотках генератора при их механическом вращении. Возможны и решения, использующие обмотки возбуждения для получения магнитного потока - большинство из них для своей работы требует механического контакта, например колец на роторе с щетками. Таким образом, применение постоянных магнитов для получения магнитного потока упрощает конструкцию, и позволяет исключить контакты для передачи тока в обмотку возбуждения. Кроме того, постоянные магниты позволяют улучшить КПД электрической машины, и зачастую существенно снизить массу и габариты.
Успехи современной промышленности в части добычи и переработки редкоземельных металлов, а также изготовления постоянных магнитов с высоким значением коэрцитивной силы (и магнитной индукции) обеспечили серийный выпуск различных электрических машин с магнитными полюсами из постоянных магнитов. Доступны значительные мощности, вплоть до 1-3 МВт, что позволило использовать их в системах электродвижения. Доступно изготовление постоянных магнитов самой разной формы.
И хотя двигатели составляют значительную часть выпускаемых машин с постоянными магнитами, актуально также и генерирование электроэнергии. Замена обмотки возбуждения ротора синхронного генератора на постоянные магниты позволяет избавиться от контактных колец на роторе и щеточного аппарата для передачи тока к обмоткам ротора, однако обеспечивает на выходе только переменный ток.
Различают генераторы переменного и постоянного рода тока, причем в последнее время получает все большие перспективы питание потребителей постоянным током. Это обусловлено широким использованием в составе электропривода и прочих систем электронных блоков питания и частотных преобразователей, имеющих в своей структуре звено постоянного тока. Таким образом, любой потребитель может получать резервное питание от сети постоянного тока. Кроме того, существуют особые технологические процессы, требующие питания постоянным током - что делает актуальным создание надежных генераторов постоянного тока большой мощности.
Одним из путей повышения надежности генераторов постоянного тока является исключение или минимизация числа токосъемов и механических щеточных контактов [1]. Наличие в конструкции классических генераторов постоянного тока коллектора и щеточного аппарата на нем ведет к износу щеток и необходимости их частого обслуживания, а также к выделению в окружающий воздух угольной пыли. Также использование коллектора ведет к ограничению предельной мощности, отдаваемой в нагрузку.
Задача по созданию бесконтактного генератора постоянного тока, не имеющего в своей конструкции любого рода токосъема, остается открытой. Причина этого кроется в том, что в известных из уровня техники решениях в обмотках генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, которая выпрямляется при помощи скользящего контакта или блока диодов.
Любой постоянный магнит имеет направление своего намагничения, и два полюса: северный (N) и южный (S), силовые линии которых замыкаются между собой, образуя замкнутый контур для магнитного потока.
В известных из литературы конструкциях генераторов постоянного тока возбуждение магнитного поля осуществляется установкой постоянных магнитов на роторе генератора, причем всегда магнитные полюса чередуются своей полярностью - что определяет их взаимодействие между собой. Известен различные конструкции ротора с постоянным магнитом, в том числе и в виде когтеобразных полюсов [2], однако во всех из них полюса располагаются с чередованием их полярности.
Поочередное прохождение магнитного потока северного и южного полюсов через обмотку генератора постоянного тока, ведет к наведению в ней переменной ЭДС. Это делает неизбежным применение разного рода коммутации (механической или при помощи диодов) для выпрямления тока и питания нагрузки генератора постоянным током [1].
Предлагаемое решение лишено подобного недостатка, и не содержит в своей конструкции любого рода коммутационной аппаратуры и токосъемов. Благодаря этому значительно повышается надежность работы, и снижается время, необходимое для обслуживания персоналом. Кроме того, решается проблема получения значительных мощностей и высоких напряжений, так как отсутствуют ограничивающие мощность элементы.
На фигуре 1 показано поперечное сечение предлагаемого генератора в районе установки первого комплекта полюсов. Видно, что полярность зубцов комплекта одинакова, что отличает такое решение от классических машин постоянного тока. На статоре располагаются зубцы, на которых установлены катушки выходной обмотки. При вращении ротора происходит изменение магнитного потока от зубцов, установленных на нем, однако полярность его остается неизменной. Таким образом, в установленных на зубцах катушках всегда наводится напряжение одной полярности, с биениями, вызванными зубцовой структурой магнитопровода генератора.
Можно различить два взаимных положения зубцов ротора и статора, когда зубцы совпадают и магнитный поток максимален, и положение когда зубцы ротора располагаются в промежутке между зубцами статора, в таком случае магнитный поток возбуждения уходит в поля рассеяния. Генератор работает в непрерывном цикле между этими двумя крайними положениями, наводя в катушках статора пульсирующую ЭДС одной полярности.
На фигуре 2 показано поперечное сечение предлагаемого генератора в районе установки второго комплекта полюсов. Видно, что полярность зубцов является обратной к полярности первого комплекта магнитов.
При вращении ротора генератора, второй комплект будет наводить катушках ЭДС, имеющую другую полярность относительно ЭДС в катушках статора первого комплекта.
На фигуре 3 показано продольное сечение генератора для случая двух комплектов постоянных магнитов, установленных на роторе. Видно, что показанные пунктирными линиями со стрелками линии магнитного поля замыкаются в продольной оси генератора. Таким образом, в отличие от всех известных на данный момент решений, решение имеет другое направление замыкания магнитного потока возбуждения. Однако в случае использования постоянных магнитов, располагаемых по окружности ротора, как показано на фигуре 3, требуется повышенное количество постоянных магнитов, а также усложняется технология их сборки. Воздействие угловой скорости снаружи ротора накладывает ограничения на размер ротора генератора, и скорость его вращения для предотвращения разрушения магнитов.
Создаваемый комплектами магнитов поток возбуждения замыкается между разноименными полюсами магнитов разных комплектов, проходя при этом через статор и по ротору вдоль его оси вращения. Другими словами, магнитный поток постоянных магнитов проходит не в поперечной плоскости генератора, а в его продольной оси, параллельно оси вращения. При этом магнитное поле никогда не меняет свою полярность в зубцах статора, также и магниты из одного комплекта не взаимодействуют между собой.
Для уменьшения числа магнитов, упрощения конструкции, повышения ее надежности, в предлагаемом решении используются комплекты полюсов изготовленные из шихтованного ферромагнитного материала (например, из листов электротехнической стали), устанавливаемые с торцов ротора. Для получения магнитного потока возбуждения используется цилиндрический магнит, как это показано на фигуре 4 - где представлено продольное сечение предлагаемого генератора.
Постоянный магнит, устанавливаемый на роторе, имеет продольное к его оси вращения направление намагничения, благодаря чему его магнитный поток поступает в комплекты полюсов, расположенные с торцов. Симметрия магнитной системы комплектов полюсов обеспечивает распределение потока равномерно между зубцами комплектов полюсов ротора, причем каждому зубцу ротора соответствует один полюс, а полярность смежных полюсов одинакова. Это исключает взаимодействие смежных зубцов между собой, а магнитный поток замыкается в продольной оси генератора.
На фигуре 5 показа электрическая принципиальная схема соединения катушек первого и второго комплектов последовательно и согласно, так что напряжения обеих комплектов катушек суммируются между собой.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая питание нагрузки постоянным током без какого-либо рода механических контактов и коммутаторов. В основе его действия лежит возбуждение ЭДС одной полярности в катушках выходной обмотки, поскольку направление магнитного потока через них никогда не изменяется. При вращении ротора обеспечивается чередование одинаковых полюсов - либо N, либо S. Благодаря этому не требуется выпрямление напряжения и применение щеточного аппарата.
Диэлектрическая прокладка между комплектами полюсов и ротором исключает замыкание корпуса упомянутых комплектов и протекание токов Фуко через ротор из немагнитного металла, выполненного шихтованным из изолированных лаком или окалиной пластин.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
- вращающийся ротор оснащен цилиндрическим магнитом со сквозным отверстием в центре;
- комплекты полюсов ротора выполняются из ферромагнитного шихтованного материала;
- комплекты полюсов ротора имеют отверстие в центре, причем упомянутое отверстие оснащается диэлектрической прокладкой для изоляции от вала ротора;
- число зубцов статора и ротора равно, а воздушных зазор между статором и ротором минимален.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату -упрощению конструкции генератора и повышению его надежности.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображено поперечное сечение предлагаемого генератора в районе первого комплекта полюсов ротора. На фигуре 2 изображено поперечное сечение предлагаемого генератора в районе второго комплекта полюсов ротора. На фигуре 3 изображено продольное сечение генератора с двумя комплектами постоянных магнитов. Здесь 1 - статор, 2 - вал ротора, 3 - постоянный магнит, 4 - катушка. На фигуре 4 изображено продольное сечение предлагаемого генератора. Здесь 1 - статор, 2 - вал ротора, 3 - постоянный магнит, 4 - катушка, 5 - диэлектрическая прокладка. На фигуре 5 изображена принципиальная электрическая схема выходной обмотки предлагаемого генератора.
Список использованной литературы.
1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М: Изд-во «Юрайт», 2014.
2. Штелтинг Г., Байссе А. Электрические машины. М: Изд-во «Энергоатомиздат», 2015.