ГЕНЕРАТОР НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

Название полезной модели. Генератор на постоянных магнитах.
Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электротехнике и представляет собой электрическую машину, предназначенную для генерации и питания нагрузки постоянным током высокого качества.
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 известна многовальная униполярная электрическая машина [патент РФ на изобретение №2634350], содержащая систему возбуждения, токопроводящие диски, имеющие общую точку соприкосновения, а также два токосъемника. При этом оси токопроводящих дисков располагаются параллельно и вращаются в разном направлении, а система возбуждения выполнена наборной из ряда индукторов, выполненных в виде П-образного магнитопровода и содержащих обмотки возбуждения. Индукторы расположены параллельно плоскостям вращения дисков, а число индукторов равно количеству дисков плюс один. Каждый из индукторов обхватывает обе половинки двух рядом расположенных дисков, а два крайних индуктора охватывают половинки двух крайних дисков, токосъем реализован парой токосъемников с крайних точек окружностей крайних дисков.
Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие механического контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин [1]. 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 с 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.
Успехи современной промышленности в части добычи и переработки редкоземельных металлов, а также изготовления постоянных магнитов с высоким значением коэрцитивной силы (и магнитной индукции) обеспечили серийный выпуск различных электрических машин с магнитными полюсами из постоянных магнитов. Доступны значительные мощности, вплоть до 1-3 МВт, что позволило использовать их в системах электродвижения.
И хотя двигатели составляют значительную часть выпускаемых машин с постоянными магнитами, актуально и их применение для генерирования электроэнергии. Замена обмотки полюсов возбуждения ротора синхронного генератора на постоянные магниты позволяет избавиться от контактных колец на роторе и щеточного аппарата для передачи тока к обмоткам ротора, однако обеспечивает на выходе только переменный ток.
Различают генераторы переменного и постоянного рода тока, причем в последнее время получает все больший потенциал питание потребителей постоянным током. Это обусловлено широким использованием в составе электропривода и прочих систем электронных блоков питания и частотных преобразователей, имеющих в своей структуре звено постоянного тока. Таким образом, любой потребитель может получать резервное питание от сети постоянного тока. Кроме того, существуют особые технологические процессы, требующие питания постоянным током - что делает актуальным создание надежных генераторов постоянного тока большой мощности.
Одним из путей повышения надежности генераторов постоянного тока является исключение или минимизация числа токосъемов и механических щеточных контактов [1]. Наличие в конструкции классических генераторов постоянного тока коллектора и щеточного аппарата на нем ведет к износу щеток и необходимости их частого обслуживания, а также к выделению в окружающий воздух угольной пыли. Также использование коллектора ведет к ограничению предельной мощности, отдаваемой в нагрузку.
Задача по созданию бесконтактного генератора постоянного тока, не имеющего в своей конструкции любого рода токосъема, остается открытой. Причина этого кроется в том, что в известных из уровня техники решениях в обмотках генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, которая выпрямляется при помощи скользящего контакта или блока диодов.
Любой постоянный магнит имеет направление своего намагничения, и два полюса: северный (N) и южный (S), силовые линии которых замыкаются между собой, образуя замкнутый контур магнитного потока.
В известных из литературы конструкциях генераторов постоянного тока возбуждение магнитного поля осуществляется установкой постоянных магнитов на роторе генератора, причем всегда магнитные полюса чередуются своей полярностью - что определяет их взаимодействие между собой.
Поочередное прохождение магнитного потока северного и южного полюсов через обмотку генераторов постоянного тока, ведет к наведению в них переменной ЭДС. Это делает неизбежным применение разного рода коммутации (механической или при помощи диодов) для выпрямления тока и питания нагрузки генератора постоянным током [1].
Предлагаемое решение лишено подобного недостатка, и не содержит в своей конструкции любого рода коммутационной аппаратуры и токосъемов. Благодаря этому значительно повышается надежность работы, и снижается время, необходимое для обслуживания персоналом. Кроме того, решается проблема получения значительных мощностей и высоких напряжений, так как отсутствуют ограничивающие мощность элементы.
На фигуре 1 показано поперечное сечение предлагаемого генератора в районе установки первого комплекта магнитов. Из рисунка видно, что магниты установлены по окружности ротора с одинаковой полярностью, что радикально отличает предлагаемое решение от классических электрических машин постоянного тока. На статоре располагаются зубцы, на которых установлены катушки выходной обмотки. При вращении ротора происходит изменение потока возбуждения от постоянных магнитов, установленных на нем, однако полярность его остается неизменной. Таким образом, в установленных на зубцах катушках всегда наводится напряжение одной полярности, имеющее некоторые биения, вызванные зубцовой структурой магнитопровода предлагаемого генератора.
На фигуре 2 показано поперечное сечение предлагаемого генератора в районе установки второго комплекта магнитов. Из рисунка видно, что магниты установлены по окружности ротора с одинаковой полярностью, обратной к полярности первого комплекта магнитов.
При вращении ротора предлагаемого генератора, второй комплект магнитов будет наводить катушках постоянное напряжение, имеющее другой знак относительно напряжение в катушках первого комплекта.
На фигуре 3 показано продольное сечение предлагаемого генератора, из рисунка видно, что показанные пунктирными линиями со стрелками линии магнитного поля замыкаются в продольной оси генератора.
Создаваемый комплектами магнитов поток возбуждения замыкается между разноименными полюсами магнитов разных комплектов, проходя при этом через статор и по ротору вдоль его оси вращения. Другими словами, магнитный поток постоянных магнитов проходит не в поперечной плоскости генератора, а в его продольной оси, параллельно оси вращения. При этом магнитное поле никогда не меняет свою полярность в зубцах статора, также и магниты из одного комплекта не взаимодействуют между собой.
На фигуре 4 показа электрическая принципиальная схема соединения катушек первого и второго комплектов последовательно и согласно, так что напряжения обеих комплектов катушек суммируются между собой.
Предлагаемое решение является единственным в своем роде, поскольку направление силовых линий магнитного поля в статоре перпендикулярно к направлению вращения ротора.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая питание нагрузки постоянным током без какого-либо рода механических контактов и коммутаторов. В основе его действия лежит возбуждение ЭДС одной полярности в катушках выходной обмотки, поскольку направление магнитного потока через них никогда не изменяется. Таким образом, при вращении ротора обеспечивается последовательность одинаковых полюсов - либо N, либо S. Благодаря этому не требуется выпрямление напряжения и применение щеточного аппарата.
Разделение комплектов постоянных магнитов, а также комплектов катушек статора воздушным зазором предотвращает их взаимодействие напрямую, минуя магнитопровод статора.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
- вращающийся ротор оснащен двумя комплектами магнитов;
- все магниты из одного комплекта располагаются по окружности ротора в одинаковой полярности;
- комплекты магнитов имеют взаимно обратную полярность;
- комплекты магнитов разделяются воздушным зазором;
- неподвижный статор оснащен двумя комплектами катушек;
- зубцы с установленными на них катушками разных комплектов разделяются воздушным зазором;
- катушки в каждом комплекте соединяются последовательно и согласно;
- комплекты катушек соединяются последовательно и согласно, образуя выходную обмотку.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - обеспечению питания нагрузки постоянным током без использования любого рода механических контактов и коммутаторов.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображено поперечное сечение предлагаемого генератора в районе первого комплекта постоянных магнитов. На фигуре 2 изображено поперечное сечение предлагаемого генератора в районе второго комплекта постоянных магнитов. На фигуре 3 изображено продольное сечение предлагаемого генератора. Здесь 1 - статор, 2 - ротор, 3 - постоянный магнит, 4 - катушка. На фигуре 4 изображена принципиальная электрическая схема выходной обмотки.
Список использованной литературы.
1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Юрайт, 2014. 767 с.