БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР МОДУЛЬНОГО ТИПА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
COLLECTORLESS SYNCHRONOUS GENERATOR OF MODULAR TYPE WITH PERMANENT MAGNETS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к бесколлекторным электрическим машинам, в частности электрогенераторам постоянного тока, и может быть использовано в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания.
Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами [патент №2303849 от 27.07.2007], который состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, устройство для выпрямления электрического тока. Постоянные магниты закреплены на магнитопроводе таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов постоянных магнитов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Количество электромагнитов в генераторе обычно не превышает число (n-2).
Основными недостатками указанного бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами является применение кругового магнитопровода  секций ротора, что повышает массу ротора и требует повышенной мощности подведенной к валу синхронного бесколлекторного генератора. Применяемые в конструкции постоянные магниты прямоугольной формы снижают технологичность исполнения, однако, при использовании в конструкции бесколлекторного генератора постоянных магнитов,  имеющих коэрцитивную силу больше 700 кА/м,  актуальным является поиск технологичной конструкции магнитной системы, обеспечивающей при значительных электромагнитных усилиях фиксацию электромагнитов на неподвижном статоре с возможностью регулирования положения подковообразных электромагнитов с целью изменения межполюсного зазора. Экспериментально было подтверждено, что  возможно использовать постоянные магниты с любой формой полюса, так как определяющим фактором является площадь полюса расположенного напротив полюса электромагнита, например, можно использовать круглую форму полюса постоянного магнита,  что повышает технологичность не только исполнения постоянного магнита, но и сборки бесколлекторного синхронного генератора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами» [патент №2565775, опубл. 20.10.2015], состоящий из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор, на котором закреплено четное количество постоянных магнитов, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, устройство для выпрямления электрического тока. Постоянные магниты образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты ориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из обмоток электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению n=6+2k, где k - целое число. Количество электромагнитов в бесколлекторном синхронном генераторе, как правило, не меньше (n+2).
Основным недостатком указанного типа бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами является применение большого количества выпрямительных блоков, каждый из которых соединен с отдельной обмоткой электромагнита. Это обуславливает дополнительные потери мощности в синхронном генераторе и, соответственно, повышает его активное сопротивление.
Задачей изобретение является упрощение конструкции синхронного генератора за счет уменьшения количества выпрямителей, а также повышение маневренности за счет возможности подключения/отключения отдельных электромагнитных модулей бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами.  Под маневренностью понимается комплекс средств автоматического управления, обеспечивающих изменение его мощности в соответствии с условиями работы в энергосистеме (ГОСТ 27625-88 «Блоки энергетические для тепловых электростанций. Требования к надежности, маневренности и экономичности»). Режим работы синхронного генератора с постоянными магнитами связанный с подключением/отключением отдельных его модулей определяется результирующим графиком электрических нагрузок потребителей, а также приводным крутящим моментом генератора.
Решение указанной задачи позволяет уменьшить момент страгивания, обеспечить самостоятельный старт синхронного генератора при малой величине внешнего вращающего момента, снизить уровень автоколебаний, обеспечить ограничение частоты вращения ротора. Указанные преимущества в целом позволят повысить удельные энергетические показатели, снизить габариты и массу активных материалов.
Экспериментально установлено, что при соблюдении определенного соотношения количества электромагнитов на статоре и постоянных магнитов на роторе генератор представляет собой совокупность отдельных изолированных замкнутых магнитных цепей не связанных с друг другом, а подключение определенных катушек  электромагнитов последовательно/параллельно в прямом и встречном направлении создает возможность получения близкой к удвоенному значению синусоидальной ЭДС, что в свою очередь позволяет использовать бесколлеторный синхронный генератор для питания нагрузки переменным синусоидальным током или, в случае необходимости, использовать только один выпрямитель в составе генератора для питания нагрузки постоянным током. Учитывая, что электромагниты в составе генератора являются независимыми, т.е. имеют независимые друг от друга замкнутые магнитные цепи, возникает возможность использовать схемы переключения катушек на релейно-контактных или на бесконтактных логических элементах для обеспечения широкого диапазона режимов работы синхронного генератора под нагрузкой.
На фиг. 1 представлен внешний вид бесколлекторного синхронного генератора модульного типа с постоянными магнитами.
На фиг. 2 представлена конструкция магнитной системы бесколлекторного синхронного генератора модульного типа с постоянными магнитами.
На фиг. 3 представлена векторная диаграмма выходного напряжения генератора при различных вариантах подключения модулей. Векторная сумма комплексов действующих значений напряжений при различных вариантах подключения модулей электромагнитов:  - подключено два модуля; - подключено 4 модуля;  - подключено 6 модулей;  - подключено 8 модулей.
0
0
0
0
Бесколлекторный синхронный генератор модульного типа с постоянными магнитами включает ротор 1, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов 2, статор 3, несущий четное число подковообразных электромагнитов 4, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки 5, устройство для выпрямления электрического тока (на фиг. 1 и фиг.2 не показано), постоянные магниты 2 закреплены таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек 5 электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора 1, количество полюсов в одном ряду, равное n, статор 3 выполнен из магнитопроводящего или из не магнитопроводящего материала, в котором выполнены прорези для установки в них подковообразных электромагнитов 4 (например, П-образных), электромагниты 4 выполнены шихтованными и закреплены на статоре 3 при помощи удерживающего устройства, представляющего собой скобы и накладки (на фиг. 1 и фиг. 2 не показано), охватывающие электромагнит 4 и жестко механически связанные со статором 3, скоба крепится к накладке, причем в том случае, если скоба и накладка выполнены металлическими с целью исключения короткозамкнутого витка, между скобой и накладкой размещена неметаллическая пластина, количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=6+2k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д., количество электромагнитов 4 в генераторе должно быть не меньше (n+2), причем, с целью уменьшения момента страгивания ротора 1 относительно неподвижного статора 3 число полюсов электромагнитов статора 3 не должно быть кратно числу полюсов n ротора 1 (например, при n=6, число электромагнитов не должно быть равно 12, 18, 24 и т.д.), форма полюса постоянного магнита 2 может быть цилиндрической или призматической, определяющим фактором является площадь полюса под подковообразным магнитопроводом, например, для повышения технологичности, в предлагаемой конструкции форма полюса постоянного магнита 2 выбрана  цилиндрической, постоянные магниты 2 размещены в стаканах 6, снабженных крышками 7, которые закреплены в стаканах 6, таким образом, что они закрывают постоянный магнит 2 внутри стакана 6, стаканы размещены на роторе 1, причем для создания замкнутого магнитного потока от двух постоянных магнитов 2 через подковообразный электромагнит 4 со стороны, обращенной к валу генератора закреплена ферромагнитная пластина 8, шунтирующая разноименные полюса постоянных магнитов и служащая для проведения магнитного потока по замкнутому пути, согласно предложенному техническому решению каждый отдельный подковообразный электромагнит 4 с катушками 5 представляет собой отдельный модуль, катушки которого могут быть независимо от катушек других модулей отключены/подключены к нагрузке на переменном или постоянном токе через выпрямительный блок (на фиг. 1 не показана). Причем, отключение/подключение катушек происходит одновременно для пары диаметрально противоположных электромагнитов 4, для того чтобы исключить силы действующие в радиальном направлении на ротор синхронного генератора. Реализованная система управления позволяет осуществлять ступенчатое регулирование выходного напряжения (фиг. 3). Причем соотношение количества постоянных магнитов n=6+2k и электромагнитов (n+2) позволяет исключить пространственное совпадение полюсов постоянных магнитов и полюсов электромагнитов. Так, например, для случая, когда количество полюсов постоянных магнитов в одном ряду, равно n=6,  количество электромагнитов (n+2)=8, постоянные магниты сдвинуты друг относительно друга на угол 360/6=60 , а электромагниты сдвинуты друг относительно друга на угол 360/8=45. Таким образом, постоянные магниты размещаются на роторе в соответствии со следующими углами: 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°, в то время как электромагниты размещены на статоре в соответствии с углами: 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°, т.е. только одна пара полюсов постоянных магнитов оказывается против полюсов электромагнитов. Такое размещение постоянных магнитов и электромагнитов способствует уменьшению момента страгивания и может быть использовано для упрощения процесса самостоятельного старта синхронного генератора. Исключение одновременного совпадения в пространстве более чем одной пары полюсов постоянных магнитов и одной пары электромагнитов возможно только при удовлетворении общего условия связывающего количество полюсов постоянных магнитов и электромагнитов выражениями n=6+2k и (n+2).
Рассмотрим работу предлагаемого бесколлекторного синхронного генератора модульного типа с постоянными магнитами.
От внешнего приводного двигателя, например, источника механической энергии, например, ветроколеса (на фиг.1, 2, 3 не показано)  момент вращения передается на вал синхронного бесколлекторного генератора. Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор 1 генератора вращается, т.е. вал вместе с закрепленным на нем ротором приводится во вращение. На роторе 1 закреплены постоянные магниты 2, которые при вращении создают переменный магнитный поток, проходящий через подковообразные электромагниты 4 размещенные на неподвижном статоре 3, в соответствии с законом электромагнитной индукции в катушках 5 наводится ЭДС. В процессе вращения ротора 1 магнитное поле постоянного магнита 2 вращается с некоторой частотой, поэтому каждая из катушек 5 электромагнитов 4 попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитного полюса. При этом смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в катушках 5 электромагнитов 4. Выводы катушек 5 присоединены к устройству для выпрямления электрического тока (на фиг. не показано). В том случае, когда нагрузка генератора уменьшается, система управления отключает модули генератора, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. В случае, когда нагрузка возрастает, система управления подключает дополнительные модули, тем самым повышая напряжение на выходе генератора. В случае необходимости получения переменного напряжения на выходе генератора учет указанных соотношений количества постоянных магнитов и количества электромагнитов позволяет получить синусоидальное напряжение на выходе генератора. Для случая, когда в конструкции генератора используются шесть постоянных магнитов в одном ряду и восемь подковообразных электромагнитов векторная диаграмма индуцированных напряжений в катушках генератора приведена на фиг. 3.
Предложенная конструкция уменьшает потери напряжения в выпрямителях, кроме этого за счет модульности появляется возможность регулирования напряжения простым переключением электромагнитов.