Стабилизированный радиально-аксиальный бесконтактный электрический генератор
STABILIZED RADIAL-AXIAL CONTACTLESS ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока.
Известна аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор (патент РФ №2450411, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М. и др.), содержащая корпус, вал, закрепленный в подшипниковых узлах, на котором установлены подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, при этом подвозбудитель состоит из постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря возбудителя, основной генератор состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с обмоткой якоря основного генератора, причем постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и магнитопроводы, в пазы которых уложены обмотки подвозбудителя, возбудителя и основного генератора, выполнены аксиальными, при этом боковые аксиальные магнитопроводы жестко установлены в корпусе, а постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод жестко установлены на валу с возможностью вращения относительно боковых аксиальных магнитопроводов, при этом постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя установлен с торца одного бокового аксиального магнитопровода, а внутренний аксиальный магнитопровод установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами, внутренний аксиальный магнитопровод и боковой аксиальный магнитопровод, с торца которого установлен постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя, выполнены с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами, а другой боковой аксиальный магнитопровод выполнен с одной активной торцовой поверхностью с пазами, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны постоянного многополюсного магнита подвозбудителя уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, которая подключена к обмотке якоря подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, и дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная к источнику постоянного тока, в пазы внутреннего аксиального магнитопровода со стороны обмотки возбуждения возбудителя и дополнительной обмотки возбуждения возбудителя уложена многофазная обмотка якоря возбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, которая подключена к обмотке якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью уложена многофазная обмотка якоря основного генератора.
Однако, эта известная аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор имеет недостаточно хорошие массогабаритные показатели из-за размещения на роторе аксиального постоянного многополюсного магнита наряду с аксиальным магнитопроводом с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, в то время как пространство внутри аксиальных магнитопроводов остается свободным. Длина этого пространства равна длине машины-генератора, а диаметр равен:
так как при изготовлении аксиальной электрической машины, оптимальной с точки зрения максимума удельной мощности, основное соотношение наружного и внутреннего диаметров равно:
H
B
где D - наружный диаметр аксиальных магнитопроводов, D - внутренний диаметр аксиальных магнитопроводов. (Кашин Я.М., Кашин А.Я., Пауков Д.В. Обоснование и разработка перспективных конструкций генераторных установок для систем автономного электроснабжения. // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. №1. С. 46-53.)
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности и принятой авторами за прототип является радиально-аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор (пат. РФ №2585222, опубл. 27.05.2016 г.), содержащая корпус, внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, вал, закрепленный в подшипниковых узлах, на котором установлены подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, при этом подвозбудитель состоит из постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода, в пазы которого уложены дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя и основная однофазная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря подвозбудителя, и многофазной обмотки якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, основной генератор состоит из однофазной обмотки возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода с одной торцовой активной поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, подключенная к многофазному двухполупериодному выпрямителю, причем внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами и жестко связан с валом посредством диска, при этом однофазная обмотка возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, а многофазная обмотка якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с основной и дополнительной однофазными обмотками возбуждения возбудителя, при этом вал выполнен полым, боковой аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложены основная и дополнительная однофазные обмотки возбуждения возбудителя, выполнен с одной активной торцовой поверхностью, а в корпусе установлена неподвижная ось, расположенная соосно с полым валом, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси, при этом неподвижная ось закреплена в подшипниковых узлах, установленных в полом валу, и жестко связана с корпусом одним концом, расположенным со стороны корпуса, на которой закреплен боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, которая подключена к многофазному двухполупериодному выпрямителю, а магнитопровод, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, выполнен цилиндрическим и жестко закреплен на неподвижной оси, при этом постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя установлен на внутренней поверхности полого вала таким образом, что создаваемый постоянным многополюсным магнитом индуктора подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса цилиндрического магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя.
Однако выходное напряжение такой машины-генератора зависит от частоты вращения постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и внутреннего аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя и однофазной обмоткой возбуждения основного генератора:
где С - конструктивный коэффициент, w - частота вращения, Ф - магнитный поток возбуждения.
Это ограничивает область применения электрической машины-генератора: известная электрическая машина-генератор может быть использована для питания потребителей, некритичных к качеству выпрямленного напряжения.
Возможная установка привода постоянной частоты вращения ухудшает массогабаритные показатели электрической машины-генератора, а также снижает надежность ее работы.
Задачей предполагаемого изобретения является расширение области применения радиально-аксиального бесконтактного электрического генератора.
Техническим результатом заявленного изобретения является стабилизация выпрямленного напряжения.
Технический результат достигается тем, что в нижней части корпуса предлагаемого стабилизированного радиально-аксиального бесконтактного электрического генератора, содержащего корпус, внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, полый вал, закрепленный в подшипниковых узлах, на котором установлены подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, жестко связанную с корпусом одним концом неподвижную ось, расположенную соосно с полым валом, имеющим возможность вращения вокруг нее, и закрепленную в установленных в полом валу подшипниковых узлах, при этом подвозбудитель состоит из цилиндрического магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, жестко закрепленного на неподвижной оси, и постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя, установленного на внутренней поверхности полого вала таким образом, что создаваемый постоянным многополюсным магнитом индуктора подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса цилиндрического магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря подвозбудителя, и многофазной обмотки якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, основной генератор состоит из однофазной обмотки возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода с одной торцовой активной поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, подключенная к многофазному двухполупериодному выпрямителю, причем внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами и жестко связан с полым валом посредством диска, при этом однофазная обмотка возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, а многофазная обмотка якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения возбудителя, дополнительно устанавливается стабилизатор напряжения, содержащий блок питания, выполненный с возможностью подключения к аккумуляторной батарее, обеспечивающий питание электронных элементов стабилизатора напряжения, реактор, блок сравнения, блок формирования пилообразного сигнала, выход которого подключается к инвертирующему входу блока сравнения, блок формирования управляющего сигнала, выход которого подключается к неинвертирующему входу блока сравнения, полевой транзистор, база которого подключается к выходу блока сравнения, а эмиттер подключается к положительному выходу многофазного двухполупериодного выпрямителя, при этом коллектор полевого транизистора подключается к первой клемме реактора, ко второй клемме которого, выполненной с возможностью подключения к аккумуляторной батарее, подключается сглаживающий конденсатор.
Блок сравнения предлагаемого стабилизированного радиально-аксиального бесконтактного электрического генератора выполняется на первом операционном усилителе, а блок формирования пилообразного сигнала содержит:
- генератор прямоугольных импульсов, состоящий из второго операционного усилителя генератора прямоугольных импульсов, первого резистора положительной обратной связи, подключенного к выходу и неинвертирующему входу второго операционного усилителя генератора прямоугольных импульсов;
- генератор пилообразного сигнала, состоящий из третьего операционного усилителя генератора пилообразного сигнала, второго резистора положительной обратной связи, подключенного к выходу третьего операционного усилителя генератора пилообразного сигнала и неинвертирующему входу второго операционного усилителя генератора прямоугольных импульсов, интегрирующего конденсатора отрицательной обратной связи, подключенного к выходу и инвертирующему входу третьего операционного усилителя генератора пилообразного сигнала;
- подключенный к блоку питания делитель напряжения, состоящий из первого и второго резисторов делителя напряжения, выход которого подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя генератора прямоугольных импульсов и к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя генератора пилообразного сигнала;
- резистор, подключенный к выходу второго операционного усилителя генератора прямоугольных импульсов и инвертирующему входу третьего операционного усилителя генератора пилообразного сигнала.
Блок формирования управляющего сигнала (БФУС) содержит
- четвертый операционный усилитель формирования управляющего сигнала;
- регулировочный резистор, подключенный к блоку питания;
- первый понижающий резистор, подключенный к положительному выходу многофазного двухполупериодного выпрямителя и инвертирующему входу четвертого операционного усилителя формирования управляющего сигнала;
- второй понижающий резистор, подключенный к регулировочному резистору и неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя формирования управляющего сигнала;
- резистор отрицательной обратной связи, подключенный к выходу и инвертирующему входу четвертого операционного усилителя формирования управляющего сигнала;
- резистор смещения, подключенный к неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя формирования управляющего сигнала, определяющий величину смещения напряжения на неинвертирующем входе четвертого операционного усилителя формирования управляющего сигнала.
Стабилизация выпрямленного напряжения осуществляется на выходе стабилизатора напряжения путем изменения скважности импульсов на эмиттере полевого транзистора. Для этого в блоке сравнения осуществляется сравнение пилообразного сигнала, формируемого блоком формирования пилообразного сигнала, с управляющим сигналом постоянного напряжения, формируемым блоком формирования управляющего сигнала в зависимости от величины отклонения фактического значения выпрямленного напряжения от заданного. Сигнал на выходе блока сравнения является управляющим, а сигнал на выходе полевого транзистора - силовым. При этом частота и скважность импульсов управляющего и силового сигналов формируются одинаковыми.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого стабилизированного радиально-аксиального бесконтактного электрического генератора, на фиг. 2 - электрическая схема предлагаемого стабилизированного радиально-аксиального бесконтактного электрического генератора, на фиг. 3 - электрическая схема блока стабилизации выходного напряжения, на фиг. 4 - принцип формирования широтно-импульсной модуляции сигнала в стабилизаторе, на фиг. 5 - принцип формирования широтно-импульсной модуляции сигнала в стабилизаторе при изменении величины выпрямленного напряжения.
Стабилизированный радиально-аксиальный бесконтактный электрический генератор содержит: корпус 1, внутренний аксиальный магнитопровод 2 с двумя активными торцовыми поверхностями, полый вал 3, закрепленный в подшипниковых узлах 4, на котором установлены подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, жестко связанную с корпусом 1 одним концом неподвижную ось 5, расположенную соосно с полым валом 3, имеющим возможность вращения вокруг нее, и закрепленную в установленных в полом валу 3 подшипниковых узлах 6.
Подвозбудитель состоит из цилиндрического магнитопровода 8 с многофазной обмоткой 9 якоря подвозбудителя, жестко закрепленного на неподвижной оси 5, и постоянного многополюсного магнита 7 индуктора подвозбудителя, установленного на внутренней поверхности полого вала 3 таким образом, что создаваемый постоянным многополюсным магнитом 7 индуктора подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса цилиндрического магнитопровода 8 с многофазной обмоткой 9 якоря подвозбудителя.
Возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе 1 бокового аксиального магнитопровода 10 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена однофазная обмотка 11 возбуждения возбудителя, подключенная через многофазный двухполупериодный выпрямитель 12 к многофазной обмотке 9 якоря подвозбудителя, и многофазной обмотки 13 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 2 с двумя активными торцовыми поверхностями.
Основной генератор состоит из однофазной обмотки 14 возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 2 с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через многофазный двухполупериодный выпрямитель 15 к многофазной обмотке 13 якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе 1 бокового аксиального магнитопровода 16 с одной торцовой активной поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка 17 якоря основного генератора, подключенная к многофазному двухполупериодному выпрямителю 18, причем внутренний аксиальный магнитопровод 2 с двумя активными торцовыми поверхностями установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами 10 и 16 и жестко связан с полым валом 3 посредством диска 19, при этом однофазная обмотка 14 возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 2 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с многофазной обмоткой 17 якоря основного генератора, а многофазная обмотка 13 якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 2 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 10 с однофазной обмоткой 11 возбуждения возбудителя.
В нижней части корпуса 1 установлен стабилизатор напряжения 20, содержащий блок питания (БП) 21, выполненный с возможностью подключения к аккумуляторной батарее (АБ) 22, обеспечивающий питание электронных элементов стабилизатора напряжения 20, реактор 24, блок сравнения (БСР) 26, блок формирования пилообразного сигнала (БФПС) 28, выход которого подключен к инвертирующему входу блока сравнения (БСР) 26, блок формирования управляющего сигнала (БФУС) 37, выход которого подключен к неинвертирующему входу БСР 26, полевой транзистор 23 (VT1), база которого подключена к выходу БСР 26, а эмиттер подключен к положительному выходу многофазного двухполупериодного выпрямителя 18, при этом коллектор полевого транзистора 23 подключен к первой клемме реактора 24, ко второй клемме которого, выполненной с возможностью подключения к АБ 22, подключен сглаживающий конденсатор 25 (С2).
Вход БП 21 подключен к АБ 22 (в состав предлагаемой электрической машины-генератора не входит).
БСР 26 выполнен на первом операционном усилителе 27 (ОР1).
БФПС 28 содержит:
- генератор прямоугольных импульсов, состоящий из второго операционного усилителя 34 (ОР2) генератора прямоугольных импульсов, первого резистора 32 (R9) положительной обратной связи, подключенного к выходу и неинвертирующему входу второго операционного усилителя 34 (ОР2) генератора прямоугольных импульсов;
- генератор пилообразного сигнала, состоящий из третьего операционного усилителя 29 (ОР3) генератора пилообразного сигнала, второго резистора 30 (R10) положительной обратной связи, подключенного к выходу третьего операционного усилителя 29 (ОР3) генератора пилообразного сигнала и неинвертирующему входу второго операционного усилителя 34 (ОР2) генератора прямоугольных импульсов, интегрирующего конденсатора 36 (С1) отрицательной обратной связи, подключенного к выходу и инвертирующему входу третьего операционного усилителя 29 (ОР3) генератора пилообразного сигнала;
- подключенный к БП 21 делитель напряжения, состоящий из первого 35 (R6) и второго 33 (R8) резисторов делителя напряжения, выход которого подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя 34 (ОР2) генератора прямоугольных импульсов и к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя 29 (ОР3) генератора пилообразного сигнала;
- резистор 31 (R7), подключенный к выходу второго операционного усилителя 34 (ОР2) генератора прямоугольных импульсов и инвертирующему входу третьего операционного усилителя 29 (ОР3) генератора пилообразного сигнала.
БФУС 37 содержит:
- четвертый операционный усилитель 43 (ОР4) формирования управляющего сигнала;
- регулировочный резистор 39 (R3), подключенный к БП 21;
- первый понижающий резистор 40 (R1), подключенный к положительному выходу многофазного двухполупериодного выпрямителя 18 и инвертирующему входу четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) формирования управляющего сигнала;
- второй понижающий резистор 41 (R4), подключенный к регулировочному резистору 39 (R1) и неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) формирования управляющего сигнала;
- резистор отрицательной обратной связи 42 (R2), подключенный к выходу и инвертирующему входу четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) формирования управляющего сигнала;
- резистор 38 (R5) смещения, подключенный к неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) формирования управляющего сигнала, определяющий величину смещения напряжения на неинвертирующем входе четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) формирования управляющего сигнала.
Первый 35 (R6) и второй 33 (R8) резисторы делителя напряжения БФПС 28 выбираются одинакового номинала и подбираются таким образом, чтобы на инвертирующий вход второго операционного усилителя 34 (ОР2) генератора прямоугольных импульсов подавалась половина питающего напряжения, поступающего от БП 21.
Второй операционный усилитель 34 (ОР2) генератора прямоугольных импульсов за счет наличия положительной обратной связи, обеспечиваемой первым 30 (R10) и вторым 32 (R9) резисторами положительной обратной связи работает в генераторном режиме, выдавая прямоугольные импульсы на инвертирующий вход третьего операционного усилителя 29 (ОР3) через резистор 31 (R7). Первый 30 (R10) и второй 32 (R9) резисторы положительной обратной связи также влияют на высоту пилообразного сигнала относительно нуля.
выхБФПС
Третий операционный усилитель 29 (ОР3) генератора пилообразного сигнала работает в режиме интегратора, превращая прямоугольные импульсы на выходе второго операционного усилителя 34 (ОР2) генератора прямоугольных импульсов в сигнал пилообразной формы (фиг. 4 и 5 - U). Интегрирующий конденсатор 36 (С1) отрицательной обратной связи третьего операционного усилителя 29 (ОР3) генератора пилообразного сигнала определяет частоту прямоугольных импульсов и соответственно частоту пилообразного сигнала. Чем меньше емкость интегрирующего конденсатора 36 (С1), тем выше частота пилообразного сигнала, и наоборот. Частота этого пилообразного сигнала определяет частоту импульсов опорного сигнала.
выхБФПС
Таким образом, в БФПС 28 формируется сигнал пилообразной формы U (фиг. 4).
В БФУС 37 формируется управляющий сигнал, уровень напряжения которого зависит от напряжения на выходе многофазного двухполупериодного выпрямителя 18. Регулировочным резистором 39 (R1) вручную устанавливается заданная величина напряжения на выходе многофазного двухполупериодного выпрямителя 18, относительно которого осуществляется стабилизация. Первый 40 (R1) и второй 41 (R4) понижающие резисторы подбираются таким образом, чтобы напряжение на инвертирующем и неинвертирующем входах четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) были равны при условии, что напряжение на выходе многофазного двухполупериодного выпрямителя 18 равно установленному регулировочным резистором 39 (R3). Номинальные сопротивления первого 40 (R1) и второго 41 (R4) понижающих резисторов определяют значение коэффициента усиления четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) -  - и должны быть равны между собой. Резистор 38 (R5) смещения, подключенный к неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) формирования управляющего сигнала, определяет величину смещения напряжения на неинвертирующем входе четвертого операционного усилителя 43 (ОР1) формирования управляющего сигнала. Резистор 42 (R2) отрицательной обратной связи, подключенный к выходу и инвертирующему входу четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) формирования управляющего сигнала обеспечивает его устойчивую работу
В первом операционном усилителе 27 (ОР1) БСР 26 осуществляется сравнение уровня напряжения пилообразного сигнала, снимаемого с выхода третьего операционного усилителя 29 (ОР3) БФПС 28, с уровнем напряжения управляющего сигнала, снимаемого с выхода четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) БФУС 37, величина которого зависит от величины отклонения фактического значения выпрямленного напряжения, снимаемого с выхода многофазного двухполупериодного выпрямителя 18, от заданного регулировочным резистором 39 (R3). Причем, чем больше коэффициент усиления k, тем более узким будет окно регулирования, тем быстрее скважность выходного импульсного сигнала на выходе первого операционного усилителя 27 (ОР1) БСР 26 будет изменяться от минимального до максимального значения при небольших отклонениях напряжения на выходе многофазного двухполупериодного выпрямителя 18 от заданного уровня.
выхБФПС
выхБФУС
выхБСР
На фиг. 4, 5 обозначено: U - сигнал на выходе БФПС 28, U - сигнал на выходе БФУС 37, U - сигнал на выходе БСР 26.
ВЫХ
Параметры элементов стабилизатора напряжения 20 выбираются таким образом, чтобы при напряжении на выходе многофазного двухполупериодного выпрямителя 18, равном заданному регулировочным резистором 39 (R3), уровень управляющего сигнала на выходе БФУС 38 располагался посередине пилообразного сигнала (фиг. 4, верхний график), формируемого БФПС 28. В этом случае длительность импульсов на выходе БСР 26 равна длительности паузы (фиг. 4, нижний график), поэтому возможность стабилизации выходного напряжения генератора U как при уменьшении, так и при увеличении напряжения Uвх, снимаемого с положительного выхода многофазного двухполупериодного выпрямителя 18, относительного заданного регулировочным резистором 39 (R3) значения, будет одинакова.
Стабилизированный радиально-аксиальный бесконтактный электрический генератор работает следующим образом.
При вращении полого вала 3, закрепленного в корпусе 1 в подшипниковых узлах 4, с постоянным многополюсным магнитом 7 индуктора подвозбудителя, установленным на его внутренней поверхности, и внутренним аксиальным магнитопроводом 2 с многофазной обмоткой 13 якоря возбудителя и однофазной обмоткой 14 возбуждения основного генератора, жестко связанным с полым валом 3 посредством диска 19, магнитный поток, создаваемый постоянным многополюсным магнитом 7 индуктора подвозбудителя и направленный вдоль радиуса жестко закрепленного на расположенной соосно с полым валом 3 неподвижной оси 5 цилиндрического магнитопровода 8, в пазы которого уложена многофазная обмотка 9 якоря подвозбудителя, взаимодействует с ней, и наводит в ней многофазную систему ЭДС. Эта ЭДС выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 12 и подается на однофазную обмотку 11 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы бокового аксиального магнитопровода 10. При этом в однофазной обмотке 11 возбуждения возбудителя создается магнитный поток. Этот магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 13 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 2, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 15 и подается на однофазную обмотку 14 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 2 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с многофазной обмоткой 17 якоря основного генератора. Магнитный поток однофазной обмотки 14 возбуждения основного генератора взаимодействует с многофазной обмоткой 17 якоря основного генератора и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 18.
Стабилизация выпрямленного напряжения осуществляется следующим образом.
В БСР 26 происходит сравнение пилообразного сигнала, снимаемого с выхода третьего операционного усилителя 29 (ОР3) БФПС 28, с управляющим сигналом постоянного напряжения, снимаемым с выхода четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) БФУС 37.
ВХ
В зависимости от уровня напряжения U на входе стабилизатора напряжения 20 осуществляется изменение скважности импульсного сигнала на выходе БСР 26, т.е. выходной сигнал БСР 26 является широтно-импульсно-модулированным (ШИМ-сигналом). Это приводит к изменению времени открытого состояния полевого транзистора 23 (VT1).
Если напряжение на выходе многофазного двухполупериодного выпрямителя 18 (на входе стабилизатора напряжения 20) становится ниже заданного регулировочным резистором 39 (R3) уровня, то уровень положительного сигнала на инвертирующем входе четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) уменьшается. Следовательно, уровень положительного сигнала на выходе четвертого операционного усилителя 43 (ОР4) увеличивается. Этот увеличенный сигнал поступает на неинвертирующий вход первого операционного усилителя 27 (ОР1) БСР 26.
ВЫХ
Первый операционный усилитель 27 (ОР1) БСР 26 работает в режиме компаратора. При увеличении уровня сигнала, поступающего на неинвертирующий вход первого операционного усилителя 27 (ОР1), скважность импульсов на его выходе уменьшается (коэффициент заполнения соответственно увеличивается) (фиг. 5а). Импульсный сигнал уменьшенной скважности поступает на базу полевого транзистора 23 (VT1), в результате этого время открытого состояния полевого транзистора 23 (VT1) увеличивается, выходное напряжение U, снимаемое с выхода стабилизатора 20, увеличивается до заданного значения.
ВЫХ
Если напряжение на выходе многофазного двухполупериодного выпрямителя 18 становится выше заданного регулировочным резистором 39 (R3) уровня, то процесс протекает аналогично - скважность импульсов увеличивается, коэффициент заполнения уменьшается (фиг. 5б), время открытого состояния полевого транзистора 23 (VT1) также уменьшается, выходное напряжение U уменьшается до заданного значения.
Во время переходных процессов при стабилизации напряжения реактор 24 (L1) сглаживает пульсации тока на выходе полевого транзистора 23 (VT1), а сглаживающий конденсатор 25 (С2) сглаживает пульсации напряжения, обеспечивая высокое качество выпрямленного напряжения на выходе стабилизатора напряжения 20.
Это осуществляется следующим образом. Реактор 24 (L1) представляет собой катушку с большой индуктивностью. При резком возрастании тока, протекающего через полевой транзистор 23 (VT1), к коллектору которого подключена первая клемма реактора 24 (L1), вторая клемма которого подключена к положительной выходной клемме стабилизатора напряжения 20, ток в реакторе 24 (L1) также начинает возрастать. Однако в силу большой индуктивности реактор 24 (L1) препятствует резкому возрастанию тока в нем, поэтому во время импульса ток нарастает не сразу, а постепенно (по экспоненциальному закону), а во время паузы между импульсами, когда ток в полевом транзисторе 23 (VT1) не протекает, ток в реакторе 24 (L1) убывает так же не резко, а постепенно (по экспоненциальному закону). Таким образом, реактор 24 (L1) обеспечивает сглаживание пульсаций тока на выходе стабилизатора напряжения 20.
Сглаживающий конденсатор 25 (С2) одной из пластин подключен ко второй клемме реактора 24 (L1) и к положительной выходной клемме стабилизатора напряжения 20, а вторая пластина конденсатора 25 (С2) заземлена. Во время импульса, когда полевой транзистор 23 (VT1) открыт, возникает разность потенциалов между положительной и отрицательной выходными клеммами стабилизатора напряжения 20, но сглаживающий конденсатор 25 (С2), находясь в разряженном состоянии, начинает заряжаться и тем самым препятствует резкому изменению разности потенциалов. Во время паузы между импульсами, когда полевой транзистор 23 (VT1) закрыт, разность потенциалов между положительной и отрицательной выходными клеммами стабилизатора напряжения 20 пропадает, но сглаживающий конденсатор 25 (С2), находясь в заряженном состоянии, начинает разряжаться и тем самым препятствует резкому изменению разности потенциалов. Таким образом, сглаживающий конденсатор 25 (С2) обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения, обеспечивая его высокое качество.
Выпрямленное напряжение высокого качества подается в сеть и на АБ 22 для ее подзарядки.
Предлагаемое изобретение, выполняя функцию преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока, как и прототип, в то же времяв отличие от него за счет стабилизации его выходного напряжения, позволяет расширить область применения генератора, например, для применения на объектах, на которых стабильность постоянного напряжения имеет существенное значение.