ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ОБМОТКАМИ
ALTERNATING CURRENT GENERATOR WITH DISTRIBUTION WINDINGS

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть применено, например, в автономных устройствах ветроэнергетики, гидроэнергетики и других.
Известны генераторы электрического тока, имеющие сосредоточенные обмотки якоря, в которых индуктируется электродвижущая сила (ЭДС). Поток магнитного поля индуктора, проходящий через витки этих обмоток якоря, сцепляется со всеми витками сосредоточенной обмотки, тем самым порождая генерацию целого спектра гармоник, многие составляющие которых являются паразитными для эдс генератора.
Такой недостаток снижает кпд всей системы преобразования в процессе генерации электроэнергии, увеличивает тепловые потери, уменьшает надежность системы.
Известны магнитные торцевые генераторы переменного тока, содержащие корпус, приводной вал, на котором закреплен ротор с магнитопроводом и постоянными магнитами, размещенными по окружности магнитопровода, статор в виде диска с катушками рабочих обмоток. (Заявка Великобритании №1491026, Кл. Н02К 21/00, 1977).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является «Торцевой генератор переменного тока» (патент СССР №1835116, Кл. Н02К 21/12, БИ №30,1993), содержащий корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором жестко закреплен статор, выполненный в виде двух связанных между собой дисковых магнитопроводов и аксиально намагниченных постоянных магнитов, которые расположены дискретно по окружности и обращены одна к другой стороне магнитопровода, статор в виде диска из электроизоляционного материала с катушками рабочей обмотки, с элементами для регулирования величины воздушных зазоров между ротором и статором.
Недостатками известного генератора являются низкие кпд и удельная мощность, а также высокие потери от гармоник высокого порядка.
Задачей изобретения является уменьшение потерь от высокочастотных составляющих спектра полезной мощности, увеличение кпд преобразования механической энергии в электрическую, повышение удельных характеристик системы преобразования, улучшение технологичности устройства и повышение его надежности.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается кпд устройства из-за минимизации энергии гармоник высоких порядков, увеличивается удельная мощность устройства из-за использования всего тела якоря при заполнении его распределенными обмотками, существенно улучшается теплоотведение с рабочих обмоток якоря, вырастает надежность устройства.
о
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом генераторе с распределенными обмотками, содержащем приводной вал, на котором жестко закреплен якорь, якорь выполнен в виде кольца, с противоположных сторон которого через равные промежутки имеются пазы, в которые укладываются распределенные обмотки в столбец один провод на другой, а каждая из обмоток соединена с другой последовательно в каждой фазе, при этом обмотки каждой фазы чередуются между собой по окружности кольцеобразного якоря, имея сдвиг по фазе между собой на 90.
Предлагаемый генератор переменного электрического тока строится по принципу последовательного размещения отдельных обмоток якоря в пазах магнитопровода по его окружности, при этом через равные промежутки фазные обмотки меняются местами, имея сдвиг по фазе генерируемых токов на 90 град. Обмотка каждой фазы генератора укладывается в «столбец», то есть провод на провод в узкий паз, при этом не выходя за уровень той части магнитопровода якоря, где проходят полюсы индуктора для обеспечения минимально необходимого воздушного зазора между ротором и якорем.
Весь кольцевой магнитопровод якоря через равные промежутки имеет углубления - пазы на высоту одной распределенной обмотки всей обмотки якоря с каждой из сторон кольцевого магнитопровода.
Такое размещение обмоток позволяет надежно отвести тепло от каждой из отдельных составляющих всей обмотки каждой фазы генератора, увеличивая динамический диапазон устройства по нагрузке, не снижая при этом его надежности по перегреву и пробою.
Ротор-индуктор может выполняться либо из постоянных магнитов, либо из электромагнитов в качестве возбудителя магнитного потока. В зависимости от конфигурации генератора, а именно аксиальную или радиальную ориентацию имеют распределенные обмотки якоря, также будет изменяться и ротор-индуктор. Он может быть выполнен в виде дисков с аксиально расположенными полюсами, попеременно формирующими направления потоков индукции магнитного поля, либо иметь радиальную ориентацию.
В зависимости от необходимой мощности генератора может изменяться количество полюсов индуктора, диаметр ротора, глубина пазов каждой распределенной обмотки и число витков этой обмотки. При этом для увеличения эдс генератора распределенные обмотки соединяются последовательно в каждой фазе обмотки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2 и фиг. З.
На фиг. 1  представлена схема якоря генератора и фрагмент размещения распределенных обмоток 1-й и 2-й фаз.
На фиг. 2 представлена схема генератора в разрезе в варианте аксиального размещения полюсов индуктора.
На фиг. 3 представлен фрагмент столбцов распределенных обмоток якоря, в разрезе.
Генератор переменного электрического тока с распределенными обмотками содержит
1 - фазная обмотка якоря 1,
2 - фазная обмотка якоря 2,
3 - кольцеобразный якорь с пазами для распределенных обмоток,
4 - распределенные обмотки фазных обмоток,
5 - вал генератора,
6 - ротор индуктора,
7 - полюсы индуктора,
8 - подшипниковые узлы,
9 - пазы распределенных обмоток.
На вал генератора 5 неподвижно крепится кольцеобразный якорь 3 и через подшипниковые узлы 8 ротор индуктора 6, которые центрируются между собой на валу 5.
Полюсы индуктора 7 могут быть выполнены либо из постоянных магнитов, либо в электромагнитном исполнении, они расположены приблизительно на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности индуктора, полностью покрывая своим потоком магнитного поля фазные обмотки 1 и (или) 2.
Распределенные обмотки 4 фазных обмоток 1 и 2 укладываются последовательно в столбец в пазы 9 магнитопровода кольцеобразного якоря 3.
Распределенные обмотки 4 соединены между собой последовательно, образуя фазную обмотку 1 или 2 по отдельности.
Фазные обмотки 1 и 2 укладываются попеременно по окружности якоря 3 и не имеют между собой гальванической связи.
Генератор работает следующим образом.
Магнитные силовые линии основного потока замыкаются через полюсы 7 индуктора 6 и магнитопровод кольцеобразного якоря 3, при этом проходят через витки распределенных обмоток 4.
о
При приведении ротора индуктора 6 во вращательное движение внешним источником механической энергии происходит последовательное пересечение распределенных обмоток 4 силовыми линиями магнитного поля вначале фазных обмоток 1, а затем со сдвигом в 90 - фазных обмоток 2, с периодическим изменением знака вектора магнитного поля.
Это является условием, в соответствии с законом электромагнитной индукции, создания в фазных обмотках 1 (2) эдс, которая при включении всей фазной обмотки 1 и всей фазной обмотки 2 на внешние нагрузки создает переменный электрический ток, мощность которого пропорциональна величине этого тока и наведенной в обмотках генератора ЭДС.
Предлагаемый генератор предназначен для работы в различных режимах, как в тихоходных, так и в высокооборотных системах генерации. Для увеличения мощности генератора увеличиваются диаметр якоря 3, высота распределенных обмоток 4 и число витков в них, ширина или высота кольцеобразного якоря 3.
При движении магнитного потока через витки обмоток потокосцепление пропорционально числу витков не всей фазной обмотки, находящейся под полюсом индуктора, а только числу витков одного крайнего «столбца» распределенной обмотки, набегающего на полюс и убегающего из-под полюса.
о
При этом индуктивно связанные через магнитопровод 3 фазные обмотки 1 и 2, имеющие смещение по фазе в 90, компенсируют скачки индукции (положительные и отрицательные) при переходе магнитного потока от одной распределенной обмотки 4 к другой.
Якорь 3 выполнен из листов электротехнической стали, изолированных электрически друг от друга для уменьшения потерь на вихревые токи.
Ротор индуктора 6 изготавливается из магнитопроводящей конструкционной стали, а полюсы 7 либо из постоянных магнитов с высокой остаточной индукцией, либо из шихтованной стали с обмотками возбуждения.
Обмотки выполнены из медного изолированного провода круглого (прямоугольного) сечения.