Аксиальная многофазная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор
AXIAL POLYPHASE TWO-INLET CONTACTLESS ELECTRICAL MACHINE-GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя механической энергии вращения (например, энергии ветра), подаваемой на механический вход машины, и электрической энергии постоянного тока (например, световой энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока), одновременно подаваемой на ее электрический вход, в суммарную электрическую энергию переменного тока.
Известен бесконтактный генератор переменного тока типа ГТ (генератор трехфазный) с вращающимися выпрямителями (Авиационное оборудование самолетов. Часть 1: учебное пособие для курсантов, обучающихся по специальности «Эксплуатация воздушных судов и организация воздушного движения» / Я.М. Кашин, Г.А. Кириллов, А.В. Ракло; КВВАУЛ им. А.К. Серова, под общей редакцией Я.М. Кашина. - Краснодар: изд-во КВВАУЛ, 2006, - с. 33-35), который представляет собой каскадную схему, состоящую из трех электрических машин, размещенных на одном валу: основного генератора с вращающимся явнополюсным индуктором классического типа, синхронного возбудителя с вращающимся якорем и с полюсами на статоре, трехфазного магнитоэлектрического подвозбудителя. Питание обмотки возбуждения основного генератора происходит от трехфазного возбудителя через вращающийся выпрямитель.
Однако технология изготовления такого генератора сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора, а также необходимости выполнения обмоточных работ внутри цилиндрического статора. Кроме того, стоимость такого генератора велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке.
Из известных технических решений наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности и принятой авторами за прототип является аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор (патент РФ №2450411, опубл. 10.05.2012), содержащая корпус, подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу, 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. 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 недостатком известной двухвходовой электрической машины-генератора является сложность конструкции, обусловленная тем, что ее ротор, представляющий собой постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и внутренний магнитопровод, в пазы которого уложены многофазная обмотка якоря возбудителя и однофазная обмотка возбуждения основного генератора, жестко закрепленные на одном валу, содержит две части - аксиальный постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод, между которыми находится один из боковых аксиальных магнитопроводов, закрепленный в корпусе (статоре). Это усложняет технологию изготовления и сборку электрической машины, обслуживание и ремонт, а также снижает надежность и жесткость конструкции электрической машины в целом. Кроме того, известная электрическая машина имеет низкие массогабаритные показатели, обусловленные большими осевыми размерами электрической машины, нерациональным использованием свободного пространства внутри аксиальных магнитопроводов возбудителя и основного генератора. Большие размеры прототипа при его малой массе обусловлены также тем, что аксиальный постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и аксиальные магнитопроводы, в пазы которых уложены обмотки подвозбудителя и возбудителя, имеют такие же размеры, как и аксиальные магнитопроводы основного генератора, при этом мощность подвозбудителя и возбудителя значительно ниже мощности основного генератора.
Кроме того, для известной двухвходовой электрической машины-генератора характерна низкая стабильность выходного напряжения при резком изменении крутящего момента на валу (например, при порывах ветра), обусловленная тем, что выходное напряжение является функцией скорости вращения ротора, которая в свою очередь является функцией крутящего момента на валу. В связи с тем, что скорость ветра носит вероятностный характер, скорость вращения ротора при изменении скорости ветра подвержена резким изменениям. Малое отношение внешнего диаметра ротора к его осевому размеру обусловливает низкий момент инерции ротора, который не позволяет обеспечить стабильность скорости вращения ротора (а, соответственно, и стабильность выходного напряжения), при резком изменении крутящего момента, связанном с резким изменением скорости ветра.
Задачей предлагаемого изобретения является создание надежной двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора со стабильным выходным напряжением и улучшенными массогабаритными показателями при одновременном упрощении способа ее изготовления.
Технический результат заявленного изобретения - уменьшение осевых размеров ротора, упрощение технологии сборки двухвходовой электрической машины-генератора, повышение жесткости ее конструкции и увеличение момента инерции ротора.
Технический результат достигается тем, что в аксиальной многофазной бесконтактной электрической машине-генераторе, содержащей корпус, подвозбудитель, возбудитель, и основной генератор, установленные на одном валу, закрепленном в корпусе генератора в подшипниковых щитах, при этом подвозбудитель состоит из аксиального постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из аксиального магнитопровода, в пазы которого уложены однофазная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная к многофазной обмотке якоря подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, и однофазная дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная к источнику постоянного тока, и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя, основной генератор состоит из аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, подключенной к многофазной обмотке якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, при этом аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложены однофазная обмотка возбуждения возбудителя и однофазная дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, и аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора жестко закрепляются в корпусе на его боковой поверхности соосно друг другу, при этом их общей осью симметрии является ось симметрии вала, причем аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложены однофазная обмотка возбуждения возбудителя и однофазная дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, размещается внутри аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, а аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя размещается внутри аксиального магнитопровода, в пазы которого уложены однофазная обмотка возбуждения возбудителя и однофазная дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, при этом аксиальный постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя, аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя и аксиальный магнитопровод с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора жестко закрепляются на валу посредством диска соосно друг другу, при этом их общей осью симметрии является ось симметрии вала, причем аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя размещается внутри аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, а аксиальный постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя размещается внутри аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя.
Улучшение массогабаритных показателей достигается путем уменьшения осевых размеров ротора за счет уменьшения внешнего и внутреннего диаметров аксиальных магнитопроводов возбудителя в соответствии с величиной мощности преобразуемой им энергии и использования свободного пространства внутри аксиальных магнитопроводов основного генератора путем размещения в этом пространстве аксиальных магнитопроводов возбудителя, а именно путем размещения внутри аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора аксиального магнитопровода, в пазы которого уложены однофазная обмотка возбуждения возбудителя и однофазная дополнительная обмотка возбуждения возбудителя и путем размещения внутри аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя.
Улучшение массогабаритных показателей достигается также путем уменьшения внешнего и внутреннего диаметров аксиального постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя в соответствии с величиной мощности преобразуемой подвозбудителем энергии и использования свободного пространства внутри аксиальных магнитопроводов возбудителя путем размещения в этом пространстве аксиального постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, а именно: путем размещения внутри аксиального магнитопровода, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, и путем размещения внутри аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя аксиального постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя.
Таким образом, уменьшение осевых размеров ротора, а также диаметральных размеров аксиального постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и аксиальных магнитопроводов возбудителя и подвозбудителя приводит к улучшению массогабаритных показателей, а именно - к уменьшению габаритных размеров и массы всей электрической машины в целом ввиду снижения металлоемкости перечисленных выше магнита и магнитопроводов.
Упрощение способа изготовления двухвходовой аксиальной бесконтактной электрической машины-генератора достигается за счет упрощения технологии ее сборки. Механическое соединение трех частей ротора (аксиального постоянного многополюсного магнита, аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя) между собой обеспечивает возможность жесткого закрепления всех элементов ротора на валу посредством диска соосно друг другу вне корпуса (статора). Собранный таким образом вне корпуса (статора) ротор целиком устанавливается в корпус (статор) и закрепляется в нем, при этом исключается необходимость сборки ротора (закрепления на валу электрической машины аксиального постоянного многополюсного магнита, аксиального магнитопровода индуктора основного генератора и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя) внутри корпуса (статора).
Повышение надежности конструкции достигается за счет повышения ее жесткости путем механического соединения трех частей ротора (аксиального постоянного многополюсного магнита, аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя) между собой.
Повышение стабильности выходного напряжения при резком изменении крутящего момента достигается за счет обеспечения устойчивости ротора к резким изменениям крутящего момента, связанным с резким изменением скорости ветра, путем увеличения момента инерции ротора, обеспечиваемого увеличением соотношения внешнего диаметра ротора к его осевому размеру:
где J - момент инерции ротора, m - масса ротора, d - внешний диаметр ротора.
При пренебрежении толщиной лобовой части обмоток основного генератора внешний диаметр аксиальных магнитопроводов основного генератора равен внешнему диаметру ротора.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой аксиальной многофазной двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора в разрезе; на фиг. 2 - электрическая схема предлагаемой аксиальной многофазной двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора.
Аксиальная многофазная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор содержит корпус 1, подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу 6, закрепленном в корпусе 1 генератора в подшипниковых щитах 7 и 8. Подвозбудитель состоит из аксиального постоянного многополюсного магнита 3 индуктора подвозбудителя и аксиального магнитопровода 4 с многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмоткой 5 якоря подвозбудителя. Возбудитель состоит из аксиального магнитопровода 12, в пазы которого уложены однофазная обмотка 11 возбуждения возбудителя, подключенная к многофазной обмотке 5 якоря подвозбудителя через многофазный (на фиг. 2 - девятифазный) двухполупериодный выпрямитель 9, и однофазная дополнительная обмотка 19 возбуждения возбудителя, подключенная к источнику постоянного тока (например, к фотоэлектрическому преобразователю (ФЭП), и аксиального магнитопровода 13 с многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмоткой 14 якоря возбудителя. Основной генератор состоит из аксиального магнитопровода 15 с однофазной обмоткой 16 возбуждения основного генератора, подключенной к многофазной обмотке 14 (на фиг. 2 - девятифазной) якоря возбудителя через многофазный (на фиг. 2 - девятифазный) двухполупериодный выпрямитель 10, и аксиального магнитопровода 17 с многофазной обмоткой 18 якоря основного генератора. Аксиальный магнитопровод 4 с многофазной обмоткой 5 якоря подвозбудителя, аксиальный магнитопровод 12, в пазы которого уложены однофазная обмотка 11 возбуждения возбудителя и однофазная дополнительная обмотка 19 возбуждения возбудителя, и аксиальный магнитопровод 17 с многофазной обмоткой 18 якоря основного генератора жестко закреплены в корпусе 1 на его боковой поверхности соосно друг другу, при этом их общей осью симметрии является ось симметрии вала 6, причем аксиальный магнитопровод 12, в пазы которого уложены однофазная обмотка 11 возбуждения возбудителя и однофазная дополнительная обмотка 19 возбуждения возбудителя, размещен внутри аксиального магнитопровода 17 с многофазной обмоткой 18 якоря основного генератора, а аксиальный магнитопровод 4 с многофазной обмоткой 5 якоря подвозбудителя размещен внутри аксиального магнитопровода 12, в пазы которого уложены однофазная обмотка 11 возбуждения возбудителя и однофазная дополнительная обмотка 19 возбуждения возбудителя. Аксиальный постоянный многополюсный магнит 3 индуктора подвозбудителя, аксиальный магнитопровод 13 с многофазной обмоткой 14 якоря возбудителя и аксиальный магнитопровод 15 с однофазной обмоткой 16 возбуждения основного генератора жестко закреплены на валу 6 посредством диска 2 соосно друг с другом, при этом их общей осью симметрии является ось симметрии вала 6, причем аксиальный магнитопровод 13 с многофазной обмоткой 14 якоря возбудителя размещен внутри аксиального магнитопровода 15 с однофазной обмоткой 16 возбуждения основного генератора, а аксиальный постоянный многополюсный магнит 3 индуктора подвозбудителя размещен внутри аксиального магнитопровода 13 с многофазной обмоткой 14 якоря возбудителя.
Многофазная обмотка 18 якоря основного генератора является выходной обмоткой аксиальной многофазной бесконтактной электрической машины-генератора, к которой подключаются потребители.
В предлагаемой аксиальной многофазной двухвходовой бесконтактной электрической машине-генераторе внешний диаметр аксиальных магнитопроводов 12 и 13 возбудителя выполнен меньшим, чем внутренний диаметр аксиальных магнитопроводов 15 и 17 основного генератора, что позволяет разместить аксиальные магнитопроводы 12 и 13 возбудителя внутри аксиальных магнитопроводов 15 и 17 основного генератора соответственно. Выполнение внешних диаметров аксиального магнитопровода 4 якоря возбудителя и аксиального постоянного многополюсного магнита 3 меньшим, чем внутренний диаметр аксиальных магнитопроводов 12 и 13 возбудителя, позволяет разместить аксиальный магнитопровод 4 и аксиальный постоянный многополюсный магнит 3 внутри аксиальных магнитопроводов 12 и 13 возбудителя соответственно. Такое уменьшение размеров подвозбудителя и возбудителя приводит к уменьшению их массы, а соответственно уменьшению массы и размеров всей электрической машины в целом, а также экономии материалов, расходуемых на изготовление электрической машины по сравнению с известной аксиальной электрической машиной-генератором. Новая компоновка подвозбудителя, возбудителя и основного генератора уменьшает длину предлагаемой машины-генератора вдоль оси вращения, а соответственно увеличивает отношение внешнего диаметра ротора электрической машины к ее осевой длине, т.е. при одной и той же массе электрической машины-генератора увеличивается диаметр, а соответственно и момент инерции ротора, что приводит к повышению его устойчивости к резким изменениям крутящего момента, связанным с резким изменением скорости ветра, а следовательно, стабилизации выходного напряжения предлагаемой аксиальной многофазной бесконтактной электрической машины-генератора.
Аксиальная многофазная бесконтактная электрическая машина-генератор работает следующим образом. Механическая энергия вращения поступает в машину-генератор от внешнего источника через вал 6, закрепленный в корпусе 1 генератора в подшипниковых щитах 7 и 8. При вращении вала 6 с жестко закрепленными на нем посредством диска 2 аксиальным магнитопроводом 13 с многофазной обмоткой 14 якоря возбудителя, аксиальным магнитопроводом 15 с однофазной обмоткой возбуждения 16 основного генератора и аксиальным постоянным многополюсным магнитом 3 индуктора подвозбудителя магнитный поток аксиального постоянного многополюсного магнита 3 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 5 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 4 якоря подвозбудителя, жестко установленного в корпусе 1 генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 9 и подается на однофазную обмотку И возбуждения возбудителя, уложенную в пазы аксиального магнитопровода 12, при протекании тока в которой создается магнитный поток. Одновременно с этим электрическая энергия постоянного тока (например, световая энергия Солнца, преобразованная фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) подается на однофазную дополнительную обмотку 19 возбуждения возбудителя, при этом по ней протекает ток, который создает магнитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, создаваемым током, протекающим по однофазной обмотке 11 возбуждения возбудителя. По принципу суперпозиции магнитных полей магнитные потоки, создаваемые током, протекающим по однофазной обмотке 11 возбуждения возбудителя, и током, протекающим по однофазной дополнительной обмотке 19 возбуждения возбудителя, суммируются. При вращении ротора суммарный магнитный поток, созданный током, протекающим по однофазной обмотке 11 возбуждения возбудителя, и током, протекающим по однофазной дополнительной обмотке 19 возбуждения возбудителя, взаимодействует с многофазной обмоткой 14 якоря возбудителя, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 13, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 10 и подается на однофазную обмотку 16 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы аксиального магнитопровода 15. Магнитный поток однофазной обмотки 16 возбуждения основного генератора взаимодействует с многофазной обмоткой 18 якоря основного генератора, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 17, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая подается в сеть.