УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в разного рода генераторах, в том числе в ветрогенераторах и генераторах автономных объектов.
Уровень техники. Из уровня техники известен униполярный генератор тока [патент РФ на изобретение №2518461], содержащий вращающийся ротор и неподвижный статор. В качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска. В качестве неподвижного статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля, а количество секторов ротора равно количеству полюсов статора или больше, причем полюса статора вращающегося магнитного поля могут быть созданы вращающимися магнитами, либо электромагнитами, либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающееся постоянное или переменное поле. Количество вращающихся полюсов может быть 2 или больше при соблюдении условия, что направления ЭДС, создаваемые в роторе диаметрально расположенными полюсами, сонаправлены, а соседние полюса (по периметру) создают чередования направлений диаметральной полярности ЭДС на роторе.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие скользящего контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.
Также известен бесщеточный генератор [патент РФ на полезную модель №195231], содержащий неподвижный статор с выходной обмоткой, состоящей из катушек, оснащенный цилиндрическим постоянным магнитом ротор, комплекты полюсов из ферромагнитного материала, установленные с его торцов и имеющие по сквозному отверстию в своем центре каждый, с диэлектрическими прокладками изнутри для изоляции пластин комплекта полюсов от вала ротор, ротор выполнен составным с валом из немагнитного материала в центре, а статор выполняется из немагнитного материала и оснащается прорезями для магнитопроводов, каждый магнитопровод установлен в соответствующей ему прорези продольно к направлению оси вращения ротора и имеет два выступающих внутрь полости статора зубца, соответственно комплектам полюсов. Количество полюсов в комплекте на один больше половины количества магнитопроводов статора, при количестве магнитопроводов статора кратному двум.
К недостаткам этого решения можно отнести отсутствие возможности плавного регулирования выходного напряжения, что делает невозможным его стабилизацию при колебаниях скорости вращения ротора.
Также известен генератор на постоянных магнитах [патент РФ на полезную модель №195699], содержащий неподвижный статор с выходной обмоткой, ротор с постоянными магнитами, отличающийся тем, что ротор оснащается двумя комплектами магнитов, причем магниты одного комплекта располагаются по окружности в одинаковой полярности, комплекты магнитов имеют взаимно обратную полярность и разделяются воздушным зазором, неподвижный статор оснащается двумя комплектами катушек, устанавливаемых на его зубцах, причем зубцы разных комплектов катушек разделены воздушным зазором, катушки в каждом комплекте соединяются последовательно и согласно, комплекты катушек включаются последовательно и согласно, образуя выходную обмотку.
К недостаткам этого решения можно отнести отсутствие возможности плавного регулирования выходного напряжения, что делает невозможным его стабилизацию при колебаниях скорости вращения ротора. Наличие двух комплектов магнитов усложняет сборку и удорожает конструкцию.
Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин [1, 2]. Во многих из них используются постоянные магниты для получения магнитного потока возбуждения, который приводит к появлению переменной ЭДС в обмотках генератора при их механическом вращении. Возможны и решения, использующие обмотки возбуждения для получения магнитного потока - большинство из них для своей работы требует механического контакта, например колец на роторе со щетками. Таким образом, применение постоянных магнитов для получения магнитного потока упрощает конструкцию, и позволяет исключить контакты для передачи тока в обмотку возбуждения. Кроме того, постоянные магниты позволяют улучшить КПД электрической машины, и зачастую существенно снизить массу и габариты - поскольку современные материалы для магнитов имеют высокое значение коэрцитивной силы и способны в малых габаритах заменить обмотки возбуждения с высокими значениями тока возбуждения, причем обмотки возбуждения определяют машины на габариты в целом.
Однако, обеспечение регулирования уровня выходного напряжения в широком диапазоне в генераторах с возбуждением от постоянных магнитов крайне затруднено, либо невозможно [1]. Это не является непреодолимым препятствием в случае наличия преобразователя частоты со стабилизацией напряжения скважностью широтно-импульсной модуляции, однако работа на сеть в этом случае исключена.
Даже для нужд ветроэнергетики может быть востребовано решение с возможностью регулировки выходного напряжения, что обусловлено крайне широким диапазоном скоростей вращения ротора, зависящей от скорости ветра. Кратность между минимальной и максимальной скоростью вращения вала ротора может достигать 10 или более, что сложно компенсировать при помощи скважности широтно-импульсной модуляции.
Наличие в конструкции классических генераторов щеточного аппарата ведет к износу щеток и необходимости их обслуживания, а также к выделению в окружающий воздух угольной пыли.
Предлагаемое решение направлено на обеспечение регулирования по выходному напряжению генератора, что обеспечивает стабилизацию уровня при колебаниях скорости вращения ротора. Как известно, в генераторах для электрических сетей и электроэнергетических систем автономных объектов, необходима возможность изменения частоты выходного напряжения для синхронизации с питаемой сетью при включении на параллельную работу. Это актуально и для ветроэнергетики при значительных колебаниях скорости вращения ротора, для стабилизации уровня напряжения в звене постоянного тока. Существующие в настоящее время генераторы либо имеют щетки и контактные кольца на роторе (что снижает надежность и требует частого их обслуживания), либо выполнены на постоянных магнитах без возможности плавного регулирования уровня выходного напряжения.
Подобный недостаток свойственен и решению, принятому за основной технический прототип и уже известный из уровня техники. На фигуре 1 для упомянутого прототипа показан общий вид трехмерной модели в сборе и при наличии немагнитного корпуса статора. На фигуре 2 показана магнитная система статора и ротора, без корпуса статора. Из рисунка видно, что катушки установленны на стержневых магнитопроводах статора, и полюса - на роторе, которые осуществляют коммутацию магнитного потока между катушками на статоре. На фигуре 3 показан продольный вдоль оси вращения ротора разрез конструкции прототипа. Очевидно продольное направление замыкания магнитных силовых линий, постоянный магнит в центре ротора, а также полюсные наконечники. Данный генератор является униполярным, так как магнитный поток в воздушном зазоре только пульсирует, никогда не меняя своей полярности. Определение “униполярный” закрепилось в отечественной технической литературе, известны различные его виды, однако все они ранее требовали контактного аппарата для регулирования тока возбуждения на роторе [2]. На фигуре 4 показан поперечный разрез конструкции основного прототипа, где видно, что катушки выходной обмотки установлены на каждом стержневом магнитопроводе статора.
На фигуре 5 показан поперечный разрез основного прототипа в районе полюсов ротора, установленных с двух концов ротора. Это отличает его от разного рода микромашин с когтеобразным ротором [2].
На фигуре 6 показан продольный разрез предлагаемого решения, где видно наличие двух типов катушек на статоре - выходной и обмотки возбуждения, причем обе обмотки располагаются на статоре. Это отличает предлагаемое решение от любых других прототипов, и обеспечивает отказ от контактного аппарата на роторе. Поскольку катушки обмотки возбуждения расположены на самом статоре, совместно с катушками выходной обмотки, то контактный аппарат для передачи тока возбуждения не требуется. Роль ротора в таком случае аналогична прототипу, обеспечивая коммутацию для магнитного потока, однако ротор уже не содержит постоянного магнита.
На фигуре 7 показан внешний вид трехмерной модели предлагаемого решения в программной среде АНСИС. На фигуре 8 показан график для этой модели, показывающий форму выходного напряжение. Искажения, видные на графике, не являются критичными, и могут быть устранены оптимизацией формы полюсов и воздушного зазора под ними. Данные меры известны из теории электрических машин и могут обеспечить улучшение напряжения на выходе генератора. Автором использовалась простейшая модель.
На фигуре 9 показана плоская двухмерная развертка для конструкции магнитной системы предлагаемого решения, являющаяся наглядным видом и поясняющая принцип его работы.
Из рисунка видно, что полюсные наконечники ротора с двух торцов его обеспечивают коммутацию магнитного потока возбуждения, а обе обмотки (возбуждения, и выходная) установлены на стержневых магнитопроводах статора. При вращении ротора, магнитный поток обмотки возбуждения переходит из стержня в стержень, поскольку каждая катушка обмотки возбуждения охватывает два магнитопровода на статоре. Магнитный поток, как известно, проходит по пути минимального магнитного сопротивления, и будет стремиться пройти через ферромагнитный материал на всем пути [1].
Таким образом, поток возбуждения будет коммутироваться от катушки выходной обмотки, к ее следующей катушке, обеспечивая изменения потока через магнитопроводы на статоре.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая простоту изготовления составных частей и процесса сборки униполярного генератора с продольным возбуждением. Достигнуто исключение из конструкции контактных щеток и колец, путем размещения обмотки возбуждения на статоре совместно с катушками выходной обмотки. При вращении ротора его полюсные наконечники, расположенные с торцов, переключают магнитный поток. Полярность магнитного потока неизменна, а генерация ЭДС на выходе генератора достигается путем однополярного колебания магнитного потока, а сам генератор является униполярным.
Предлагаемое техническое решение является новым и имеет следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
- катушки выходной обмотки устанавливаются раздельно на магнитопроводах из ферромагнитного материала, а катушки обмотки возбуждения охватывают каждая по два магнитопровода из ферромагнитного материала, на каждом из них установлено по одной катушке выходной обмотки;
- ротор выполняется цилиндрическим из ферромагнитного материала и имеет комплекты полюсов, расположенных с его торцов, и имеющие в два раза меньшее количество полюсов, чем магнитопроводов из ферромагнитного материала расположено на статоре;
- катушки обмоток соединяются между собой последовательно, причем катушки обмотки возбуждения согласно, а катушки выходной обмотки встречно.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - возможности плавного регулирования выходного напряжения.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен вид основного прототипа в сборе. На фигуре 2 изображен вид основного прототипа без корпуса статора. На фигуре 3 изображено продольное сечение основного прототипа. Здесь 1 - корпус статора, 2 - ферромагнитный магнитопровод, 3 - комплект полюсов ротора, 4 - магнит, 5 - катушка выходной обмотки. На фигуре 4 изображено поперечное сечение основного прототипа в районе установки катушек выходной обмотки. На фигуре 5 изображено поперечное сечение основного прототипа в районе комплекта полюсов ротора. На фигуре 6 изображено продольное сечение предлагаемого униполярного генератора. Здесь 1 - корпус статора, 2 - ферромагнитный магнитопровод, 3 - комплект полюсов ротора, 5 - катушка выходной обмотки, 6 - катушка обмотки возбуждения. На фигуре 7 изображен трехмерный вид модели предлагаемого униполярного генератора. На фигуре 8 изображен график напряжения на выходе предлагаемого униполярного генератора. На фигуре 9 изображена плоская развертка магнитной системы предлагаемого генератора с установленными обмотками.
Список использованной литературы.
1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Изд-во «Юрайт», 2014.
2. Штелтинг Г., Байссе А. Электрические машины. М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 2015.