ИНДУКТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электромеханики, а более конкретно к устройству индукторных генераторов и может быть использовано в автономных электроэнергетических установках, в которых привод генераторов осуществляется от высокоскоростных устройств, и имеются ограничения на частоту производимой генераторами электроэнергии.
Известно множество индукторных генераторов, которые по совокупности существенных признаков их устройства близки к генератору предлагаемому в качестве полезной модели (см.. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин. - М.: Высшая школа, 1982. стр.206, рис.6.2). Эти генераторы выполняются в одно- или многопакетном исполнении и соответственно с одной или несколькими катушками возбуждения.
Недостатком известных индукторных генераторов является ограниченный верхний предел частоты вращения их роторов, при котором генератор вырабатывает электроэнергию требуемой частоты при сохранении естественной механически сбалансированной конструкции ротора.
Максимальная частота вращения ротора известных конструкций индукторных генераторов, на которую они могут быть выполнены на заданную частоту тока при механически сбалансированной конструкции определяется из выражения
max
P
n=60f/Z=60f/2=30f,
max
p
где: n - максимальная частота вращения ротора, при которой частота вырабатываемой им электроэнергии (частота тока f) равна требуемой; Z - число зубцов на магнитопроводе ротора.
p
Выполнение известных конструкций индукторных генераторов на ту же частоту тока f при более высоких частотах вращения n, и за счет этого с лучшими массогабаритными показателями (меньшими массой и габаритами) сопряжено с необходимостью выполнения их с одним зубцом на магнитопроводе ротора Z=1, и следовательно, с явно выраженной механической несимметрией его относительно вала.
p
Недостатком является смещение центра тяжести магнитопровода ротора с оси вала в сторону зубца прогиб вала за счет воздействия на ротор центробежных сил и возникающих вследствие этого сил одностороннего магнитного тяжения и, в конечном счете - разрушение конструкции генератора. Известные индукторные генераторы по этой причине выполняются с числом зубцов на магнитопроводе ротора равным или большем двух (Z≥2).
Наиболее простым в конструктивном отношении из известных индукторных генераторов является однопакетный индукторный генератор, выполненный по конструктивной схеме рисунка 6.1 (см. в Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин. - М.: Высшая школа, 1982. (стр.205, рис.6.1).
Этот генератор содержит расположенный в корпусе статор с пазами и размещенными в них секциями (катушками) обмотки якоря, установленный на закрепленной на валу ротора ферромагнитной втулке зубчатый магнитопровод и неподвижную расположенную концентрично валу обмотку возбуждения. Обмотка якоря выполняется либо распределенной по пазам, либо в виде отдельных расположенных на зубцах катушек. Обмотка возбуждения в данном генераторе неподвижна и закреплена на одной из крышек генератора.
p
max
Этот генератор также, как и все другие нашедшие применение в промышленности и технике электроснабжения автономных объектов индукторные генераторы выполнены с числом зубцов на роторе Z, равном или большем двух, в связи с чем максимальная частота вращения, на которую они могут быть выполнены при наличии ограничений на частоту тока не может превысить n=30f.
Недостатком известного устройства является наличие ограничения на выполнение индукторных генераторов на более высокие частоты вращения, что является серьезным препятствием для снижения массы и габаритов различного рода турбогенераторных электроэнергетических установок, используемых на летательных аппаратах и других автономных объектах.
max
Технический результат полезной модели заключается в расширении диапазона допустимых частот вращения роторов индукторных генераторов в сторону частот вращения больших 30f за счет устранения механического небаланса ротора при выполнении его с одним зубцом, повышении частоты вращения ротора при заданной частоте тока в два раза (до n=60f) и в уменьшении за счет этого массы генератора при выполнении его на ту же номинальную мощность.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном генераторе, содержащем установленный в корпусе статор с пазами и с размещенными в них секциями обмотки якоря, установленный на закрепленной на валу генератора ферромагнитной втулке зубчатый магнитопровод и неподвижную, расположенную концентрично валу над втулкой обмотку возбуждения, магнитопровод ротора выполнен однозубцовым и имеется охватывающая свободную от зубца боковую поверхность магнитопровода ротора и связанная с ним металлическая вставка в виде изготовленной из немагнитного сплава (например из нержавеющей стали) скобы, наружная поверхность которой, противоположная расточки зубца ротора, имеет форму дуги окружности с центром на оси вала и диаметром, равным
,
вст
где: D - наружный диаметр вставки;
D - диаметр расточки зубца ротора;
z
zp
α=2b/πD - коэффициент полюсного перекрытия при одном зубце на роторе (b - ширина зубца ротора по его расточке);
z
S - площадь зубца ротора в поперечном сечении генератора;
1
2
ρ, ρ - плотности материалов зубца ротора и немагнитной вставки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны продольный и поперечный разрезы электромашинной части индукторного однопакетного генератора с однозубцовым ротором, а на фиг 2 и фиг.3 два из наиболее просто реализуемых способа конструкции механически сбалансированного ротора генератора. Фигура 4 приведена для иллюстрации процесса формирования механически сбалансированной конструкции ротора при одном зубце на его магнитопроводе.
Индукторный генератор содержит, расположенный в корпусе 1 статор 2 с пазами и размещенными в них секциями обмотки якоря 3; установленный на закрепленной на валу 4 ферромагнитной втулке 5 и выполненный с одним зубцом магнитопровод ротора 6; неподвижную, расположенную концентрично валу 4 над втулкой 5 обмотку возбуждения 7 и охватывающую свободную от зубца боковую поверхность магнитопровода ротора 6 металлическую вставку 8 в виде изготовленной из немагнитного сплава скобы, наружная поверхность которой, противоположная расточки зубца ротора, имеет форму дуги окружности с центром на оси вала и диаметром, равным
,
вст
где: D - наружный диаметр вставки;
D - диаметр расточки зубца;
z
zp
α=2b/πD - коэффициент полюсного перекрытия (b - ширина зубца по его расточке);
z
S - площадь зубца в поперечном сечении генератора;
1
2
ρ, ρ - плотности материалов зубца и немагнитной вставки.
Показанные на рис.2 и 3 формы немагнитных вставок являются наиболее простыми с точки зрения их изготовления и обеспечения гарантированного размещения центра тяжести ротора на оси вала.
1
2
вст
2
1
При равенстве плотностей материалов магнитопровода ротора ρ и немагнитной вставки ρ наружный диаметр вставки D равен диаметру расточки зубца D (см. фиг.4). Для исключения негативных последствий, связанных с необходимостью увеличения воздушного зазора над зубцом ротора, для изготовления немагнитных вставок следует применять сплавы, плотность которых ρ больше плотности магнитопровода ротора ρ Обязательным условием выполнения сбалансированной однозубцовой конструкции магнитопровода ротора является симметрия размещенной на нем вставки относительно оси зубца.
z
abcdefgkl
вст
При выборе для изготовления немагнитногосплава с плотностью большей плотности материала магнитопровода ротора центр тяжести ротора смещается с продольной оси вала вниз вследствие неравенства массы зубца, занимающего в поперечном его сечении магнитопровода площадь S=S и массы сплава немагнитной вставки в объеме, ограниченным контуром зеркального отражения этого зубца относительно горизонтальной оси ротора, охватывающим площадь . Для обеспечения механически сбалансированной конструкции ротора необходимо уменьшить площадь, охватываемую контуром зеркального отражения зубца, уменьшив диаметр расточки наружной поверхности вставки с диаметра, равного D до D.
Требуемый диаметр вставки определяется из уравнения
Решение этого уравнения относительно диаметра расточки вставки приведено выше. Выборку части материала немагнитной вставки можно ограничить углом απ (выбрать материал вставки в пределах криволинейного четырехугольника c'd'e'f'g') или, что является более технологичным и способствует уменьшению массы ротора, выбрать его на этапе изготовления вставки по всему ее внешнему диаметру (см. фиг.2). Для облегчения конструкции ротора можно выполнить немагнитную вставку по форме, показанной на фиг.3.
p
Выполнение магнитопровода ротора с одним зубцом и введение в его конструкцию немагнитной вставки не оказывает влияния на качественные и количественные характеристики происходящих в генераторе процессов электромеханического преобразования энергии. Изменение потокосцепления секций (катушек) обмотки якоря при однозубцовой конструкции ротора также, как и при наличии на нем 2-х и более зубцов происходит за счет периодического изменения магнитных проводимостей воздушных зазоров под охваченными секциями обмотки якоря сегментах его расточки с частотой f=Zn/60. При одном зубце на роторе f=n/60. Для обеспечения высокого уровня массогабаритных показателей длина расточки зубца ротора должна составлять около 0,6 полюсного деления ротора (α=0,6).
Магнитопровод ротора может быть выполнен монолитным из высокопрочной стали с хорошими магнитными свойствами (например из стали 30ХГСА) или в виде шихтованного пакета, набранного из листов электротехнической стали или другого магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью.
Для придания ротору предложенного генератора механической прочности, достаточной для надежной работы его при высоких частотах вращения, немагнитная вставка и ферромагнитная часть ротора могут быть объединены в целостную конструкцию с использованием соответствующих посадок, сварки и других современных технологически процессов. Могут быть применены с этой целью скрепленные с немагнитной вставкой и магнитопроводом ротора немагнитные шайбы, установленные с торцевых сторон магнитопровода.
max
Использование полезной модели позволяет расширить диапазон допустимых частот вращения роторов индукторных генераторов в сторону частот вращения больших 30f за счет устранения механического небаланса ротора при выполнении его с одним зубцом, повысить частоту вращения ротора при заданной частоте тока в два раза (до n=60f) и в уменьшить за счет этого массу генератора при выполнении его на ту же номинальную мощность.