Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой
SYNCHRONOUS GENERATOR WITH TWO-CIRCUIT MAGNETIC SYSTEM

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, в частности касается усовершенствования конструкции синхронного генератора на постоянных магнитах, используемого в системах автономного электроснабжения.
Уровень техники
Известен «Тихоходный электрический генератор на постоянных магнитах», содержащий ротор в виде двух плоских дисков, статор размещен между дисками ротора и выполнен в виде кольца, соединенного с неподвижным валом спицами, якорную обмотку, намотанную на кольцо - тороид, магниты с чередующимися полюсами, установленными на боковых частях ротора в пазах в количестве от 80 до 250 на каждом диске (патент RU 2559028 C1 Н02K 1/27, Н02K 16/02, Н02K 3/28).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием большого количества магнитов и плоских дисков большего диаметра, на которых они расположены, низкая надежность за счет использования большого количества элементов и открытости конструкции к внешней среде, высокая стоимость в связи с необходимостью применения большого количества магнитов, относительно малая мощность генератора из-за конструктивного расположения якорной обмотки к магнитам.
Известна «Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной МДС якоря», содержащая статор, сердечник якоря которого набран из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и имеет явно выраженные полюса с катушечной m-фазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на полюсе, а также ротор, содержащий индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности явно выраженными полюсами с чередующейся полярностью, возбуждаемыми постоянными магнитами (патент RU 2414040 C1 Н02K 21/12, Н02K 19/10, Н02K 19/16).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующей сложного технического решения, связанного с использованием большого количества магнитов, сложной конфигурации якоря и статора, низкая надежность за счет использования большого количества, высокая стоимость в связи с необходимостью применения большого количества магнитов, большие массогабаритные показатели.
Известен «Торцевой синхронный генератор», содержащий корпус, элементы электромагнитной системы, выполненные в виде дисков, на дисках роторов закреплены постоянные магниты (RU 162783 U1, Н02K 1/06).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующей сложного технического решения, связанного с использованием плоских дисков большего диаметра, большого количества роторных и статорных дисков, низкая надежность за счет использования большого количества элементов и открытости конструкции к внешней среде, большие массогабаритные показатели.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, принятым авторами за прототип является «Радиальный синхронный генератор», состоящий из ротора, имеющего вид кольца, выполненного из прочного немагнитного материала, на внутреннюю сторону которого закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с треугольными магнитными полюсами и имеющие с противоположных сторон воздушные промежутки. Поверх ферромагнитных пластин в радиальном направлении по окружности ротора параллельно установлены постоянные магниты с чередующейся полярностью, имеющие посреди треугольные магнитные полюса (RU 2558661 С2, Н02K 21/42).
Недостатком данного устройства является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием большого количества магнитов и сложной конфигурации ротора, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения большого количества магнитов, относительно малая мощность генератора, большие массогабаритные показатели.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом предлагаемого изобретения является удешевление конструкции за счет оптимизации магнитной системы генератора и использования дополнительных магнитных полюсов, увеличение мощности генератора и повышение КПД за счет использования двухконтурной магнитной системы, уменьшение удельной металлоемкости генератора на единицу мощности.
Технический результат достигается с помощью синхронного генератора с двухконтурной магнитной системой, содержащего ротор в виде кольца, выполненного из прочного немагнитного материала, разделенного на две кольцевые части, внешний и внутренний ротор, причем как на внешнем, так и на внутреннем роторе закреплены ферромагнитные пластины с прикрепленными к ними магнитными полюсами и постоянными магнитами с одинаковой полярностью, между внешним и внутренним ротором с закрепленными на них элементами расположены обмотки статора, соединенные электрически между собой, при этом внешний и внутренний ротор соединены с валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора, а также дополнительные магнитные полюса выполнены в прямоугольной форме.
Новизна технического решения обусловлена тем, что синхронный генератор содержит разделенный ротор, состоящий из внешнего и внутреннего ротора, на которых закреплены ферромагнитные пластины, прямоугольные магнитные полюса и постоянные магниты. Между внутренним и внешним ротором расположены обмотки статора, при этом магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами пронизывает обмотки статора в одном направлении. Вал статора прикреплен подшипниками к корпусу синхронного генератора.
Новизна технического решения обусловлена тем, что статор синхронного генератора разделен на две части и имеет внешний и внутренний ротор с закрепленными на них ферромагнитными пластинами, прямоугольными магнитными полюсами и постоянными магнитами, причем магнитное поле постоянных магнитов внешнего и внутреннего ротора однонаправлено, что повышает магнитную индукцию в обмотках статора, расположенных между магнитами внешнего и внутреннего ротора, повышая мощность синхронного генератора. Прямоугольные магнитные полюса концентрируют обратный магнитный поток в обмотках статора, расположенных между прямоугольными магнитными полюсами, что позволяет получить магнитную индукцию в обмотках статора, расположенных между прямоугольными магнитными полюсами и использовать энергию обратных магнитных потоков.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволила выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен общий вид синхронного генератора с двухконтурной магнитной системой;
На фиг. 2 представлен вид сбоку синхронного генератора с двухконтурной магнитной системой;
На фиг. 3 представлена секция магнитопровода с распределением магнитного потока.
Осуществление изобретения
Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой состоит из внешнего ротора 1 в виде кольца и внутреннего ротора 2 в виде кольца, на внешнем роторе 1 закреплены ферромагнитные пластины 3, к которым закреплены прямоугольные магнитные полюса 4 и постоянные магниты 5, на внутреннем роторе 2 закреплены ферромагнитные пластины 6, к которым закреплены прямоугольные магнитные полюса 7 и постоянные магниты 8, между внешним ротором 1 и внутренним ротором 2 с закрепленными на них элементами расположены обмотки статора 9, внешний ротор 1 и внутренний ротор 2 соединены с валом 10 ротора, который закреплен в подшипниках 11 корпуса 12 синхронного генератора.
Внешний ротор 1 и внутренний ротор 2 выполнены из немагнитного материала, магниты 5 и 8 неодимовые (NdFeB) с аксиальным намагничиванием, обмотки статора 9 выполнены медным проводом, корпус 12 синхронного генератора выполнен из немагнитного материала.
Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой работает следующим образом.
Вращающий момент от первичного двигателя (ветродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, гидротурбины и т.д.) передается на вал 10 ротора синхронного генератора, соединенный с внешним ротором 1 в виде кольца и внутренним ротором 2 в виде кольца, что приводит их во вращение вместе с закрепленными на них ферромагнитными пластинами 3 и 6, прямоугольными магнитными полюсами 4 и 7, постоянными магнитами 5 и 8. В результате вращения внешнего ротора 1 и внутреннего ротора 2 образуются переменные циркулирующие магнитные потоки через обмотки статора 9 (на фиг. 3 обозначено Ф), в которых наводится электромагнитная индукция, электродвижущая сила и электрический ток. Магнитные силовые линии, образованные постоянными магнитами 5 и 8, пронизывают обмотку статора 9 и притягиваются к ферромагнитной пластине 3 (исходя из магнитных свойств ферромагнетика) и проходят по ее объему, не заходя за границы внешнего ротора 1, тем самым не создавая значительных магнитных потоков рассеяния. К ферромагнитной пластине 3 присоединены прямоугольные магнитные полюса 4, магнитный поток (на фиг. 3 обозначено Ф) проходит через ферромагнитную пластину 3 и прямоугольные магнитные полюса 4, разделяясь на два потока (на фиг. 3 обозначено Ф1 и Ф2), и пронизывают так же обмотки статора 9, притягиваясь к прямоугольным магнитным полюсам 7 и ферромагнитной пластине 6, соединяясь в магнитный поток (на фиг. 3 обозначено Ф). Использование прямоугольных магнитных полюсов 4 и 7 позволяет направить магнитные потоки потока Ф (на фиг. 3 обозначено Ф1 и Ф2) через обмотки статора 9, образуя магнитный потенциал, в результате образуется электромагнитная индукция в обмотке статора 9. Использование постоянных магнитов 5 и 8 позволяет направить магнитный поток (на фиг. 3 обозначено Ф) через обмотки статора 9, образуя магнитный потенциал, в результате образуется электромагнитная индукция в обмотке статора 9.
Корпус синхронного генератора 12 защищает его от воздействий внешней среды.
Результатом совокупности перечисленных элементов новизны обеспечивает повышение магнитного потока магнитной системы синхронного генератора за счет использования внутреннего ротора 2, что приводит к увеличению магнитной индукции в обмотках статора 9 в 2 раза и мощности генератора в 2 раза.
Габаритные показатели синхронного генератора при введении внутреннего ротора 2 не увеличиваются, так как внешний ротор 1 имеет вид кольца, мощность генератора при этом можно регулировать длиной постоянных магнитов 5 и 8 и размерами обмоток статора 9.
Использование прямоугольных магнитных полюсов 4 и 7 позволяет сократить количество постоянных магнитов 5 и 8, необходимых для работы синхронного генератора.
Таким образом, технический результат изобретения позволяет повысить КПД магнитной системы генератора за счет использования прямоугольных магнитных полюсов 4 и 7, уменьшив необходимое количество постоянных магнитов в 2 раза, что приводит к удешевлению синхронного генератора в целом, повышает мощность синхронного генератора в 2 раза, при неизменных габаритных показателях, увеличивает производительность электрической энергии за счет использования внутреннего ротора 2 с ферромагнитными пластинами 6, прямоугольными магнитными полюсами 7 и постоянными магнитами 8.