Бесконтактный многофазный генератор переменного тока
NON-CONTACT MULTIPHASE AC GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам переменного тока, и может быть использовано, например, для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока.
Известен бесконтактный синхронный генератор с вращающимися выпрямителями (см. Кашин Я.М., Кириллов Г.А., Ракло А.В. Авиационное оборудование самолетов, Ч. 1. Мин-во обороны Рос. Федерации, Красн. высш. воен. авиац. уч-ще летчиков. - Краснодар: КВВАУЛ, 2006, с. 33-35, Кашин Я.М., Кириллов Г.А., Варенов А.Б. Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы. Часть 1. Электрооборудование воздушных судов. - Краснодар: филиал ВУНЦ ВВС ВВА, 2012, с. 18-20), содержащий корпус, в котором на одном валу установлены три электрические машины радиальной конструкции: подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, при этом подвозбудитель, являющийся магнитоэлектрической синхронной машиной с вращающимся индуктором и неподвижной обмоткой якоря, состоит из вращающегося постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя с радиально направленным магнитным полем и магнитопровода с установленной на статоре обмоткой якоря подвозбудителя; возбудитель, являющийся трехфазной синхронной машиной с установленной на статоре обмоткой возбуждения и вращающейся обмоткой якоря, состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря возбудителя; основной генератор, являющийся трехфазной синхронной машиной с вращающейся обмоткой возбуждения и установленной на статоре обмоткой якоря, состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с обмоткой якоря основного генератора.
Однако технология изготовления такого генератора сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора, необходимости выполнения обмоточных работ внутри цилиндрического статора. Кроме того, стоимость такого генератора велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке.
Недостатком такого генератора являются также низкие массогабаритные показатели (большой осевой размер), так как входящие в его состав подвозбудитель, возбудитель и основной генератор выполнены радиальными, а как известно, из всех электрических машин (ЭМ) одинаковой мощности ЭМ радиальной конструкции имеют наибольший осевой размер.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятый авторами за прототип является аксиальный бесконтактный генератор постоянного тока (патент РФ №2402858, опубликован 27.10.2012, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М. и др.), содержащий корпус, корпус; подвозбудитель, состоящий из постоянных магнитов индуктора подвозбудителя и магнитопровода с рабочей обмоткой (обмоткой якоря) подвозбудителя; возбудитель, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с рабочей обмоткой (обмоткой якоря) возбудителя; и основной генератор, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с рабочей обмоткой (обмоткой якоря) основного генератора, установленные на одном валу, при этом постоянные магниты индуктора подвозбудителя и магнитопроводы, в пазы которых уложены обмотки подвозбудителя, возбудителя и основного генератора, выполнены аксиальными, при этом боковые аксиальные магнитопроводы жестко установлены в корпусе, а постоянные магниты индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод жестко установлены на валу с возможностью вращения относительно боковых аксиальных магнитопроводов, при этом постоянные магниты индуктора подвозбудителя установлены с торца одного бокового аксиального магнитопровода, а внутренний аксиальный магнитопровод установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами, внутренний аксиальный магнитопровод и боковой аксиальный магнитопровод, с торца которого установлены постоянные магниты индуктора подвозбудителя, выполнены с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами, а другой боковой аксиальный магнитопровод выполнен с одной активной торцовой поверхностью с пазами, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны постоянных магнитов подвозбудителя уложена многофазная рабочая обмотка (обмотка якоря) подвозбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, которая подключена к рабочей обмотке (обмотке якоря) подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, в пазы внутреннего аксиального магнитопровода со стороны обмотки возбуждения возбудителя уложена многофазная рабочая обмотка (обмотка якоря) возбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, которая подключена к рабочей обмотке (обмотке якоря) возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью уложена многофазная рабочая обмотка (обмотка якоря) основного генератора, которая подключена к многофазному выпрямителю.
Однако недостатком известного из пат. РФ №2402858 генератора являются низкие массогабаритные показатели (большие размеры при малой массе), обусловленные большими осевыми и диаметральными размерами генератора и нерациональным использованием свободного пространства внутри его корпуса.
Большие осевые и диаметральные размеры обусловлены тем, что аксиальные постоянные магниты индуктора подвозбудителя и аксиальные магнитопроводы, в которые уложены обмотки подвозбудителя и возбудителя, имеют такие же размеры, как и аксиальные магнитопроводы основного генератора, при этом мощность подвозбудителя и возбудителя значительно ниже мощности основного генератора.
Кроме того, низкие массогабаритные показатели (большие диаметральные размеры) известного из пат. РФ №2402858 генератора обусловлены тем, что входящие в его состав подвозбудитель, возбудитель и основной генератор выполнены аксиальными, а как известно, из всех ЭМ одинаковой мощности ЭМ аксиальной конструкции имеют наибольший диаметр.
Недостатком известного из пат. РФ №2402858 генератора также является сложность конструкции, обусловленная тем, что его ротор, представляющий собой аксиальные постоянные магниты индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложены многофазная обмотка якоря возбудителя и однофазная обмотка возбуждения основного генератора, жестко закрепленные на одном валу, содержит две части - аксиальные постоянные магниты индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод, между которыми находится один из боковых аксиальных магнитопроводов, закрепленный в корпусе (статоре). Это усложняет технологию изготовления и сборку генератора, его обслуживание и ремонт.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных показателей генератора с одновременным упрощением способа его изготовления.
Технический результат заявленного изобретения - уменьшение осевых и диаметральных размеров генератора при его неизменной мощности, за счет рационального использования свободного пространства внутри корпуса генератора и упрощение технологии сборки генератора.
Технический результат достигается тем, что в бесконтактном многофазном генераторе переменного тока, содержащем корпус, подвозбудитель, состоящий из аксиальных постоянных магнитов индуктора подвозбудителя и аксиального магнитопровода, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, возбудитель, состоящий из магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения возбудителя, подключенной к многофазной обмотке якоря подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, и магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя, и основной генератор, состоящий из магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, подключенной к многофазной обмотке якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, и магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, установленные на одном валу, закрепленном в переднем и заднем подшипниковых узлах, при этом аксиальные постоянные магниты индуктора подвозбудителя жестко закреплены на валу посредством первого диска, при этом корпус разделен на переднюю, заднюю и среднюю секции, при этом передняя и средняя секции выполняются в форме усеченных конусов с различными углами раствора, а задняя секция выполняется цилиндрической, при этом внешнее основание задней секции образуется крышкой корпуса, на внутренней поверхности которой закрепляется многофазный двухполупериодный выпрямитель, а в центре устанавливается второй подшипниковый узел, основание средней секции совпадает с внутренним основанием задней секции, а усеченная часть средней секции совпадает с основанием передней секции, при этом магнитопровод с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора выполняются в форме усеченного конуса, а магнитопровод с однофазной обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя выполняются радиальными, при этом магнитопровод с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора жестко закрепляется на валу посредством второго и третьего дисков, а радиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя жестко закрепляется на валу посредством четвертого диска, при этом аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя выполняется с одной активной торцовой поверхностью с пазами, расположенными со стороны аксиальных постоянных магнитов индуктора подвозбудителя, установленных на валу внутри усеченной части средней секции корпуса, и жестко закрепляется на внутренней усеченной части передней секции корпуса, магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора жестко закрепляется на внутренней стороне боковой поверхности средней секции корпуса, а радиальный магнитопровод с однофазной обмоткой возбуждения возбудителя жестко закрепляется на внутренней боковой поверхности задней секции корпуса.
Предлагаемое изобретение, выполняя, как и прототип, функцию преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию, позволяет обеспечить улучшение массогабаритных показателей генератора, а также упростить способ его изготовления.
Улучшение массогабаритных показателей достигается путем уменьшения осевых и диаметральных размеров генератора при его неизменной мощности и рационального использования свободного пространства внутри корпуса генератора.
Уменьшение осевых и диаметральных размеров генератора достигается за счет уменьшения соответствующих размеров аксиальных постоянных магнитов индуктора подвозбудителя и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя в соответствии с величиной мощности, преобразуемой подвозбудителем энергии. Уменьшение размеров аксиальных постоянных магнитов индуктора подвозбудителя и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя приводит к уменьшению их габаритных размеров, а соответственно расхода электротехнических материалов на их изготовление и, следовательно, к уменьшению массы всего генератора в целом.
Уменьшение размеров, а соответственно и массы генератора обеспечивается также за счет разделения корпуса на переднюю, заднюю и среднюю секции и выполнения передней и средней секции в форме усеченных конусов с различными углами раствора, а задней секции - в форме цилиндра с основанием, образованным крышкой корпуса, в центре которой установлен второй подшипниковый узел. Секции рационально сочленяются между собой за счет того, что основание средней секции совпадает с внутренним основанием задней секции, а усеченная часть средней секции совпадает с основанием передней секции. За счет того, что магнитопровод с однофазной обмоткой возбуждения возбудителя, жестко закрепленный на внутренней боковой поверхности задней секции корпуса, и магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя, жестко закрепленный на валу посредством четвертого диска, выполняются радиальными, основание заявляемого генератора имеет меньший диаметр, чем диаметр прототипа, т.к. диаметр радиальных ЭМ при одной и той же мощности меньше диаметра аксиальных ЭМ.
Поскольку диаметр усеченной части средней секции корпуса генератора меньше диаметра ее основания, равного диаметру основания задней секции, а диаметр усеченной части передней секции меньше диаметра ее основания, совпадающего с усеченной частью средней секции, то размеры заявляемого генератора, а, соответственно, и его масса, меньше, чем у прототипа.
Рациональное использование свободного пространства внутри корпуса заявляемого генератора достигается за следующим образом.
Выполнение магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, жестко закрепляемого на валу посредством второго и третьего дисков, и магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, жестко закрепляемого на внутренней боковой поверхности средней части корпуса, в форме усеченного конуса позволяет рационально разместить их в средней секции.
Выполнение передней секции в форме усеченного конуса, диаметр усеченной части которой меньше диаметра усеченной части средней секции, позволяет рационально разместить в ней аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя с уменьшенными в соответствии с преобразуемой ими мощности габаритными размерами и, соответственно, массой.
Выполнение средней секции в форме усеченного конуса, диаметр основания усеченной части которой меньше диаметра основания генератора, позволяет рационально разместить в ее усеченной части аксиальные постоянные магниты индуктора подвозбудителя с уменьшенными в соответствии с преобразуемой ими мощности габаритными размерами и, соответственно, массой.
Благодаря рациональному использованию свободного пространства внутри корпуса генератора его размеры уменьшаются при его неизменной мощности и массе.
Упрощение способа изготовления генератора достигается за счет упрощения технологии его сборки. Механическое соединение трех частей ротора (аксиальных постоянных магнитов индуктора подвозбудителя, магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора и радиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя) между собой обеспечивает возможность жесткого закрепления всех элементов ротора на валу вне корпуса (статора). Собранный таким образом вне корпуса (статора) ротор целиком устанавливается в корпус (статор) и закрепляется в нем в переднем и заднем подшипниковых узлах, при этом исключается необходимость сборки ротора (закрепления на валу генератора аксиальных постоянных магнитов индуктора подвозбудителя, магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора и радиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя) внутри корпуса (статора).
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого бесконтактного многофазного генератора переменного тока с вращающимися выпрямителями в разрезе, на фиг. 2 - его электрическая схема.
Бесконтактный многофазный генератор переменного тока содержит: корпус 1, в котором установлены подвозбудитель, возбудитель и основной генератор.
Корпус 1 разделен на переднюю, заднюю и среднюю секции, при этом передняя и средняя секции выполнены в форме усеченных конусов с различными углами раствора α и β, а задняя секция выполнена цилиндрической, при этом внешнее основание задней секции образовано крышкой 17 корпуса 1, основание средней секции совпадает с внутренним основанием задней секции, а усеченная часть средней секции совпадает с основанием передней секции.
Подвозбудитель состоит из расположенных внутри усеченной части средней секции корпуса 1 аксиальных постоянных магнитов 2 индуктора подвозбудителя, жестко установленных посредством первого диска 6 на валу 19, закрепленном в переднем 5 и заднем 18 подшипниковых узлах, и жестко установленного на внутренней стороне усеченной части передней секции корпуса 1 аксиального магнитопровода 3, выполненного с одной активной торцовой поверхностью с пазами, расположенными со стороны аксиальных постоянных магнитов 2 индуктора подвозбудителя, в которые уложена многофазная обмотка 4 якоря подвозбудителя.
Возбудитель состоит из жестко закрепленного на внутренней боковой поверхности задней секции корпуса 1 радиального магнитопровода 13 с однофазной обмоткой 14 возбуждения возбудителя, подключенной к многофазной обмотке 4 якоря подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель 22, закрепленный на крышке 17, и радиального магнитопровода 16 с многофазной обмоткой 15 якоря возбудителя, жестко закрепленного посредством четвертого диска 20 на валу 19.
Основной генератор состоит из выполненных в форме усеченного конуса жестко закрепленного посредством второго 8 и третьего 7 дисков на валу 19 магнитопровода 10 с однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора, подключенной к многофазной обмотке 15 якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель 21, и магнитопровода 11 с многофазной обмоткой 12 якоря основного генератора, жестко закрепленного на внутренней боковой поверхности средней секции корпуса 1. Магнитопровод 10 с однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора и магнитопровод 11 с многофазной обмоткой 12 якоря основного генератора выполнены в форме усеченных конусов с различными углами раствора α и β.
Бесконтактный многофазный генератор переменного тока работает следующим образом. При вращении аксиальных постоянных магнитов 2 индуктора подвозбудителя, жестко установленных посредством первого диска 6 на валу 19, закрепленном в переднем 5 и заднем 18 подшипниковых узлах, жестко установленного на валу 19 посредством четвертого диска 20 радиального магнитопровода 16 с многофазной обмоткой 15 якоря возбудителя и выполненного в форме усеченного конуса и жестко установленного посредством второго 8 и третьего 7 дисков на валу 19 магнитопровода 10 с однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора, магнитный поток аксиальных постоянных магнитов 2 индуктора подвозбудителя взаимодействует с уложенной в пазы жестко установленного на внутренней усеченной части передней секции корпуса 1 аксиального магнитопровода 3 многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя и наводит в ней многофазную систему ЭДС. Эта ЭДС выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 22, закрепленным на внутренней поверхности крышке 17 корпуса 1, и подается на однофазную обмотку 14 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы радиального магнитопровода 13, жестко закрепленного на внутренней боковой поверхности задней секции корпуса 1. При этом по однофазной обмотке 14 возбуждения возбудителя протекает электрический ток, который создает магнитный поток.
Созданный током, протекающим по однофазной обмотке 14 возбуждения возбудителя магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 15 якоря возбудителя, уложенной в пазы радиального магнитопровода 16, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 21 и подается на однофазную обмотку 9 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы магнитопровода 10. При этом по однофазной обмотке 9 возбуждения основного генератора протекает электрический ток, который создает магнитный поток. Магнитный поток, созданный током, протекающим по однофазной обмотке 9 возбуждения основного генератора, взаимодействует с многофазной обмоткой 12 якоря основного генератора, уложенной в пазы магнитопровода 11, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая подается в сеть.
Преимуществом предлагаемого бесконтактного многофазного генератора переменного тока по сравнению с известным генератором переменного тока типа ГТ с вращающимися выпрямителями, принятым за аналог, являются лучшие массогабаритные показатели, достигаемые за счет того, что постоянные магниты 2 индуктора подвозбудителя выполняются аксиальными, магнитопровод 3 якоря подвозбудителя с трехфазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя выполняется аксиальным, магнитопровод 10 индуктора основного генератора с однофазной обмоткой 9 индуктора основного генератора выполняется коническим, магнитопровод 11 якоря основного генератора с трехфазной обмоткой 12 якоря основного генератора выполняется коническим.
Подвозбудитель аксиальной конструкции и основной генератор конической конструкции в предлагаемом бесконтактном многофазном генераторе переменного тока имеют меньший осевой размер, чем соответственно подвозбудитель и основной генератор радиальной конструкции в известном генераторе переменного тока типа ГТ с вращающимися выпрямителями. В связи с этим осевой размер предлагаемого бесконтактного многофазного генератора переменного тока меньше, чем у известного генератора переменного тока типа ГТ с вращающимися выпрямителями. Учитывая, что диаметр предлагаемого бесконтактного многофазного генератора переменного тока не превосходит диаметр известного аналога, предлагаемый бесконтактный многофазный генератор переменного тока имеет лучшие массогабаритные показатели по сравнению с известным генератором переменного тока типа ГТ с вращающимися выпрямителями.
Преимуществом предлагаемого бесконтактного многофазного генератора переменного тока по сравнению с известным аксиальным генератором постоянного тока, принятым за прототип, являются лучшие массогабаритные показатели, достигаемые за счет того, что магнитопровод 13 индуктора возбудителя с однофазной обмоткой 14 возбуждения возбудителя и магнитопровод 16 якоря возбудителя с многофазной обмоткой 15 якоря возбудителя выполняются радиальными, магнитопровод 10 индуктора основного генератора с однофазной обмоткой 9 индуктора основного генератора выполняется в форме усеченного конуса, магнитопровод 11 якоря основного генератора с многофазной обмоткой 12 якоря основного генератора выполняется в форме усеченного конуса. Возбудитель радиальной конструкции и основной генератор, выполненный в форме усеченного конуса в предлагаемом бесконтактном многофазном генераторе переменного тока, имеют меньший диаметр, чем соответственно возбудитель и основной генератор аксиальной конструкции в известном аксиальном бесконтактном генераторе постоянного тока. Учитывая, что в предлагаемом бесконтактном многофазном генераторе переменного тока диаметр аксиального подвозбудителя меньше, чем в известном аксиальном генераторе постоянного тока (его размер уменьшен в соответствии с величиной преобразуемой подвозбудителем мощности), диаметр всего предлагаемого бесконтактного многофазного генератора переменного тока будет меньше, чем диаметр генератора, принятого за прототип, а значит, предлагаемый бесконтактный многофазный генератор переменного тока обладает лучшими массогабаритными показателями по сравнению с известным аксиальным генератором постоянного тока.
Недостаток известного генератора переменного тока типа ГТ с вращающимися выпрямителями, связанный с низкими массогабаритными показателями (большой осевой размер) устраняется тем, что подвозбудитель выполняется аксиальным, а основной генератор выполняется в форме усеченного конуса, за счет чего уменьшается осевой размер, то есть достигается улучшение массогабаритных показателей.
Недостаток известного аксиального бесконтактного генератора постоянного тока, связанный с низкими массогабаритными показателями (большой диаметральный размер) устраняется тем, что аксиальный подвозбудитель выполняется с уменьшенным диаметром, возбудитель выполняется радиальным (то есть с меньшим диаметром при той же преобразуемой мощности), а основной генератор выполняется в форме усеченного конуса, за счет чего достигается улучшение массогабаритных показателей.