УЛУЧШЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР С ПРОДОЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электротехнике и представляет собой электрическую машину, предназначенную для генерации напряжения.
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 известен бесщеточный генератор [патент РФ на полезную модель №195231], содержащий неподвижный статор с выходной обмоткой, состоящей из катушек, оснащенный цилиндрическим постоянным магнитом ротор, комплекты полюсов из ферромагнитного материала, установленные с его торцов и имеющие по сквозному отверстию в своем центре каждый, с диэлектрическими прокладками изнутри для изоляции пластин комплекта полюсов от вала ротор, ротор выполнен составным с валом из немагнитного материала в центре, а статор выполняется из немагнитного материала и оснащается прорезями для магнитопроводов, каждый магнитопровод установлен в соответствующей ему прорези продольно к направлению оси вращения ротора и имеет два выступающих внутрь полости статора зубца, соответственно комплектам полюсов. Количество полюсов в комплекте на один больше половины количества магнитопроводов статора, при количестве магнитопроводов статора кратному двум.
Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие зубчатой зоны магнитопроводов статора, что усложняет их конструкцию, а также делает невозможным сглаживание магнитного потока путем изготовления зубцов с расширениями.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин [1, 2]. 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 требуют 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 - поскольку современные материалы для магнитов имеют высокое значение коэрцитивной силы и способны в малых габаритах заменить обмотки возбуждения с высокими значениями потока возбуждения, а обмотки возбуждения определяют габариты машины в целом.
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. Возможно 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. Одним из путей повышения надежности генераторов постоянного и переменного рода тока является исключение или минимизация числа токосъемов и механических щеточных контактов [1]. Наличие в конструкции классических генераторов щеточного аппарата ведет к износу щеток и необходимости их обслуживания, а также к выделению в окружающий воздух угольной пыли.
Предлагаемое решение является последующим развитием конструкции генератора постоянного тока с протеканием магнитных силовых линий в продольном к оси вращения ротора направлении и направлено на улучшение конструкции и технологии сборки такого генератора.
В основе предлагаемого автором решения лежит использование поля возбуждения одинаковой полярности для формирования выходного напряжения. Как известно, любой источник магнитного поля имеет полюса: северный (N) и южный (S), силовые линии которых замыкаются между собой, образуя замкнутый контур для прохождения магнитного потока. Не требуется чередования полярности полюсов для генерации напряжения на выходе, однако единственный путь избежать смены полярности - продольное к оси вращения ротора возбуждение магнитного поля.
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 "S" и "N". Известны различные конструкции ротора с постоянным магнитом, в том числе в виде когтеобразных полюсов [2], однако во всех из них полюса располагаются с чередованием их полярности. При таком построении магнитной системы электрических машин, магнитный поток замыкается в поперечной к оси вращения ротора плоскости, что ведет к необходимости изготовления статора целиком из магнитного материала. В свою очередь такой статор будет неизбежно массивным, а его производство будет технологически сложным из-за круглой формы листов, из которых и набирается пакет магнитопровода такого статора.
Однако возможна альтернативная конструкция машины, изображенная на фигуре 1, где дан внешний вид генератора с продольным возбуждением в сборе. Из рисунка очевидно, что ротор генератора не имеет когтеобразных загибов пакетов полюсов, установленных по его торцам. В таком случае, направление магнитного потока возбуждения никогда не меняет свой знак. Полюсами в пакете обеспечивается распределение потока возбуждения по магнитопроводам статора, на которых устанавливаются катушки выходной обмотки. Магнитный поток, проходящий через катушки статора, не меняет свой знак, его абсолютное значение колеблется от нуля до максимума одного знака полярности.
На фигуре 2 показана магнитная система генератора с продольным возбуждением. На рисунке видна зубчатая структура полюсов в комплектах, установленные продольно к оси вращения магнитопроводы с размещенными в их середине катушками выходной обмотки. Также можно видеть кольца статора, установленные изнутри его полости в районе полюсов ротора. Такие кольца устанавливаются для сглаживания магнитного потока от полюсов ротора и формирования более качественного напряжения. Такие кольца заменяются собой расширения зубцов статора, как это реализовано в классических электрических машинах при полузакрытом пазе. Размещение катушек выходной обмотки по середине магнитопроводов, устанавливаемых в прорезях немагнитного корпуса статора, облегчает процесс сборки. При прямоугольном сечении магнитопроводов статора, на которых расположены отдельные катушки, то есть при отсутствии выступов (зубцов) - возможно изготовление катушек на станке, далее легкая установка их (надевание) на магнитопровод. После чего, магнитопровод с катушкой вставляется в прорезь изнутри немагнитного корпуса статора, а катушка одной своей стороной выходит в сквозное отверстие в корпусе статора. Это облегчает тепловой режим ее работы (отвод тепла наружу корпуса). Такая конструкция является наиболее простой и легкой в плане технологии изготовления частей и сборки. Это дает экономические преимущества такому генератору.
На фигуре 3 показано продольное сечение предлагаемого генератора, где видны составляющие его части - немагнитный корпус статора, сделанные из магнитного материала магнитопроводы, на которых установлены катушки выходной обмотки. Также виден комплект полюсов ротора, откуда очевидно отличие от когтеобразного ротора - отсутствует загиб полюсов в комплектах на роторе. На рисунке показано направление силовых магнитных линий, протекающих в продольном к оси вращения направлении и возбуждаемых от магнита в центре ротора. Направленность магнитного потока никогда не меняет свой знак.
На фигуре 4 показано поперечное сечение улучшенного генератора с продольным возбуждением в районе установки катушек. То есть сечение сделано по середине генератора поперек оси его вращения. На рисунке видны катушки, установленные на магнитопроводах, также показано сечение постоянного магнита в центре ротора. Здесь не показаны кольца, поскольку они устанавливаются по концам магнитопроводов, и не отображаются на поперечном сечении, сделанном в середине генератора.
На фигуре 5 показано поперечное сечение улучшенного генератора с продольным возбуждением в районе комплекта полюсов ротора. На рисунке виден немагнитный корпус статора, оснащенный прорезями во внутренней полости, в которые установлены магнитопроводы с катушками на них. Также виден пакет полюсов ротора и установленные изнутри кольца из магнитного материала для сглаживания распределения магнитного потока, поскольку прямоугольная форма магнитопроводов статора не позволяет получить по окружности достаточно равномерное распределение магнитного потока. Это может приводит к существенным нелинейностям и биениям напряжения, для этого в предлагаемом решении применены вставки (кольца) изнутри полости статора в районе комплектов полюсов. Их толщина определяется в каждом случае индивидуально при проектировании генератора, с учетом баланса между качеством напряжения и его уровнем.
Однако, в случае выполнения колец сплошными, часть магнитного потока всегда будет замыкаться по кругу, что приводит к падению скорости изменения магнитного потока, а значит, и уменьшению размаха выходного напряжения генератора. На решение этой задачи (повышение эффективности использования витков выходной обмотки при сглаживании распределения магнитного потока возбуждения) и направлено заявляемое решение.
Для этого снаружи колец предлагается выполнить выемки, которые приблизят форму конструкции в сборе к конструкции классических машин с полузакрытыми пазами статора, обеспечив сглаживание магнитного потока, при сохранении общей эффективности по числу витков выходной обмотки. Выемки располагаются снаружи колец с пространственным размещением между магнитопроводами статора. В этом случае сужение сечения колец в районе выемок воздействует на магнитный поток, ограничивая постоянную составляющую магнитного потока - что в свою очередь ведет к увеличению скорости изменения магнитного потока (индукции) через катушки выходной обмотки генератора, и росту выходного напряжения генератора. Возрастает эффективность использования катушек выходной обмотки.
На фигуре 6 показано поперечное сечение кольца, устанавливаемого внутри полости статора в районе одного из комплектов полюсов ротора. На рисунке видно, что снаружи кольца выполняются выемки, которые сужают сечение кольца по окружности, что приводит к более грубому распределению магнитного потока при вращении полюсов ротора, а значит и возрастание скорости изменения индукции. В отличие от машин с полузакрытым пазом такая конструкция имеет преимущество простоты изготовления и сборки, так как исключается сложная конфигурация статора. Порядок сборки в таком случае упрощается максимально: установка катушек на магнитопроводы, установка магнитопроводов в продольные прорези статора, установка колец внутрь полости статора, далее установка ротора в сборе. Все элементы такой магнитной системы могут быть изготовлены путем простой штамповки или фрезеровки, отличаются простой формой и легкостью изготовления. В этом и заключается преимущество описанного генератора с продольным магнитным потоком возбуждения.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая простоту изготовления составных частей и процесса сборки генератора с продольным возбуждением. Реализуется исключение из конструкции сложной формы магнитопроводов статора с выступами, вместо чего предлагается расположение (надевание) катушек посередине каждого из магнитопроводов, и установка колец из ферромагнитного материала изнутри полости статора, что обеспечивает сглаживание распределения магнитного потока полюсов по окружности и формирование более качественной формы выходного напряжения, причем за счет выемок на наружной части колец обеспечивается большая крутизна изменения магнитного потока, и большая эффективность использования витков выходной обмотки.
Элементы магнитной системы предлагаемого генератора выполняются из магнитных материалов - электротехнической стали или других имеющих свойства ферромагнетика материалов. Для уменьшения потерь на вихревые токи желательно применять шихтованные магнитопроводы.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
- кольца из магнитного материала имеют выемки снаружи;
- количество выемок в кольце равно количеству магнитопроводов;
- выемки располагаются между смежными магнитопроводами при установке колец внутрь полости статора.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату -повышению эффективности использования витков обмотки статора.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен внешний вид генератора с продольным возбуждением в сборе. На фигуре 2 изображен внешний вид магнитной системы генератора с продольным возбуждением с установленными катушками. На фигуре 3 изображено продольное сечение улучшенного генератора с продольным возбуждением. Здесь 1 - корпус статора, 2 - магнитопровод, 3 - кольцо, 4 - комплект полюсов ротора, 5 - катушка. На фигуре 4 изображено поперечное сечение улучшенного генератора с продольным возбуждением в районе установки катушек. На фигуре 5 изображено поперечное сечение улучшенного генератора с продольным возбуждением в районе комплекта полюсов ротора. Здесь 1 - корпус статора, 2 - магнитопровод, 3 - кольцо, 4 - комплект полюсов ротора, 6 - выемка. На фигуре 6 изображено поперечное сечение кольца. Здесь 3 - кольцо, 6 - выемка.
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.