Аксиальный бесконтактный генератор переменного тока
AXIAL NON-CONTACT AC GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам переменного тока, и предназначено для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока, и может быть использовано, например, для генерирования электрической энергии.
Известен бесконтактный генератор переменного тока типа ГТ 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 г. - 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, 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 близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятый авторами за прототип является аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор (патент РФ №2450411, опубл. 10.05.2012 г.), 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 электрической машины являются низкие массогабаритные показатели (большие размеры при малой массе), обусловленные большими осевыми размерами электрической машины и нерациональным использованием свободного пространства внутри аксиального магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора.
Причем большие осевые размеры обусловлены тем, что аксиальный постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и аксиальные магнитопроводы, в которые 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, недостатком известной электрической машины 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 - 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.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных показателей генератора с одновременным повышением надежности его конструкции и упрощением способа его изготовления.
Технический результат заявленного изобретения - уменьшение осевых размеров ротора, повышение жесткости его конструкции и упрощение технологии сборки генератора.
Технический результат достигается тем, что в аксиальном бесконтактном генераторе переменного тока, содержащем 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 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 постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя жестко закрепляется на боковой поверхности аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора соосно с аксиальным магнитопроводом с многофазной обмоткой якоря возбудителя, который выполняется с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, частично размещается внутри аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора и жестко закрепляется посредством диска, имеющего двутавровое сечение, своей внутренней поверхностью на валу генератора, а своей внешней поверхностью скрепляется с внутренней поверхностью аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, при этом аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, выполняется с внешним диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, и жестко закрепляется на внутренней боковой поверхности корпуса напротив аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя соосно с аксиальным магнитопроводом с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя и внутри него.
Предлагаемое изобретение, выполняя, как и прототип, функцию преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока, позволяет обеспечить улучшение массогабаритных показателей генератора, а также повысить надежность его конструкции и упростить способ ее изготовления.
Улучшение массогабаритных показателей достигается путем уменьшения осевых размеров ротора, а именно уменьшения внешнего и внутреннего диаметров аксиальных магнитопроводов возбудителя в соответствии с величиной мощности преобразуемой им энергии и использования свободного пространства внутри аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора путем размещения в этом пространстве части аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя. Улучшение массогабаритных показателей достигается также путем уменьшения размеров аксиального постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя в соответствии с величиной мощности преобразуемой подвозбудителем энергии. Уменьшение осевых размеров ротора и размеров аксиального постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя приводит к уменьшению габаритных размеров, а соответственно расхода электротехнических материалов на изготовление и, следовательно, массы всей электрической машины в целом. К уменьшению осевых размеров и массы всей электрической машины в целом приводит также выполнение аксиального магнитопровода, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя с внешним диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя и жесткое закрепление его на внутренней боковой поверхности корпуса напротив аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя внутри аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя.
Повышение надежности конструкции достигается за счет повышения ее жесткости путем механического соединения трех частей ротора (аксиального многополюсного постоянного магнита, аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя) между собой. Повышение жесткости достигается также за счет жесткого закрепления на внутренней боковой поверхности корпуса аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя и аксиального магнитопровода, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя.
Упрощение способа изготовления электрической машины достигается за счет упрощения технологии ее сборки. Механическое соединение трех частей ротора (аксиального многополюсного постоянного 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 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 многополюсного постоянного магнита, аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения основного генератора и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя) внутри корпуса (статора).
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого аксиального бесконтактного генератора переменного тока в разрезе; на фиг. 2 - электрическая схема предлагаемого аксиального бесконтактного генератора переменного тока.
Аксиальный бесконтактный генератор переменного тока содержит корпус 1, подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу 2, закрепленном в корпусе 1 генератора в подшипниковых щитах 3 и 4, при этом подвозбудитель состоит из аксиального постоянного многополюсного магнита 5 индуктора подвозбудителя и аксиального магнитопровода 6 с многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмоткой 7 якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из аксиального магнитопровода 8, в пазы которого уложены однофазная обмотка 9 возбуждения возбудителя, подключенная к многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмотке 7 якоря подвозбудителя через многофазный (на фиг. 2 - девятифазный) двухполупериодный выпрямитель 10, и аксиального магнитопровода 11 с многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмоткой 12 якоря возбудителя, основной генератор состоит из аксиального магнитопровода 13 с однофазной обмоткой 14 возбуждения основного генератора, подключенной к многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмотке 12 якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель 15, и аксиального магнитопровода 16 с многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмоткой 17 якоря основного генератора. Аксиальный постоянный многополюсный магнит 5 индуктора подвозбудителя жестко закреплен на боковой поверхности аксиального магнитопровода 13 с однофазной обмоткой 14 возбуждения основного генератора соосно с аксиальным магнитопроводом 11 с многофазной обмоткой 12 якоря возбудителя, который выполнен с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру аксиального магнитопровода 13 с однофазной обмоткой 14 возбуждения основного генератора, частично размещен внутри аксиального магнитопровода 13 с однофазной обмоткой 14 возбуждения основного генератора и жестко закреплен посредством диска 18, имеющего двутавровое сечение, своей внутренней поверхностью на валу 2 генератора, а своей внешней поверхностью скреплен с внутренней поверхностью аксиального магнитопровода 13 с однофазной обмоткой 14 возбуждения основного генератора, при этом аксиальный магнитопровод 8, в пазы которого уложена однофазная обмотка 9 возбуждения возбудителя, выполнен с внешним диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр аксиального магнитопровода 6 с многофазной обмоткой 7 якоря подвозбудителя, и жестко закреплен на внутренней боковой поверхности корпуса 1 напротив аксиального магнитопровода 11 с многофазной обмоткой 12 якоря возбудителя соосно с аксиальным магнитопроводом 6 с многофазной обмоткой 7 якоря подвозбудителя и внутри него.
Многофазная обмотка 17 якоря основного генератора является выходной обмоткой аксиального бесконтактного генератора переменного тока, к которой подключаются потребители.
В предлагаемом аксиальном бесконтактном генераторе переменного тока внешний диаметр аксиального магнитопровода 11 якоря возбудителя выполнен равным внутреннему диаметру аксиального магнитопровода 13 с однофазной обмоткой 14 возбуждения основного генератора, что позволяет частично разместить аксиальный магнитопровод 11 с многофазной обмоткой 12 якоря возбудителя внутри аксиального магнитопровода 13 индуктора основного генератора.
Кроме того, внешний диаметр аксиального магнитопровода 8, в пазы которого уложена однофазная обмотка 9 возбуждения возбудителя, выполнен меньшим, чем внутренний диаметр аксиального магнитопровода 6 с многофазной обмоткой 7 якоря подвозбудителя, что позволяет разместить его внутри аксиального магнитопровода 6 с многофазной обмоткой 7 якоря подвозбудителя. Это приводит к уменьшению массы и размеров возбудителя, и соответственно массы и размеров всего генератора в целом. Новая компоновка вышеуказанных магнитопроводов уменьшает длину предлагаемого генератора вдоль оси вращения, а также приводит к экономии материалов, расходуемых на изготовление генератора по сравнению с известной аксиальной электрической машиной-генератором постоянного тока.
Аксиальный бесконтактный генератор переменного тока работает следующим образом. Механическая энергия вращения поступает в генератор от внешнего источника через вал 2, закрепленный в корпусе 1 генератора в подшипниковых щитах 3 и 4. При вращении вала 2 с жестко закрепленным на нем посредством диска 18, имеющего двутавровое сечение, аксиальным магнитопроводом 11 с многофазной обмоткой 12 якоря возбудителя, аксиальным магнитопроводом 13 с однофазной обмоткой 14 возбуждения основного генератора и аксиальным постоянным многополюсным магнитом 5 индуктора подвозбудителя магнитный поток аксиального постоянного многополюсного магнита 5 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 7 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 6, жестко установленного на внутренней боковой поверхности корпуса 1 генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 10 и подается на однофазную обмотку 9 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы аксиального магнитопровода 8, при протекании тока в которой создается магнитный поток.
При вращении ротора созданный однофазной обмоткой 9 возбуждения возбудителя магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 12 якоря возбудителя, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 11, 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 аксиального магнитопровода 13. Магнитный поток однофазной обмотки 14 возбуждения основного генератора взаимодействует с многофазной обмоткой 17 якоря основного генератора, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 16, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая подается в сеть.