ОДНОФАЗНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
SINGLE-PHASE CONTACT-FREE ELECTROMAGNETIC GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однофазным бесконтактным электрическим генераторам с постоянными магнитами, и может быть использовано в автономных системах электрооборудования, в автоматике и бытовой технике, на авиационном и автомобильном транспорте, в качестве ветрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и синхронных преобразователей частоты однофазного переменного тока, а также при выпрямлении переменной ЭДС при помощи неуправляемых и управляемых полупроводниковых вентилей - в качестве генераторов постоянного тока, возбудителей синхронных генераторов передвижных мини-электростанций, подвозбудителей главных возбудителей синхронных генераторов на стационарных электростанциях.
Известны генераторы переменного тока с постоянными магнитами (В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Стр.23-46), имеющие магнитные системы с вращающимися и неподвижными магнитами. По конструктивному выполнению роторы машин с постоянными магнитами можно разделить на следующие группы:
- с цилиндрическим магнитом в виде кольца, намагниченным в радиальном направлении;
- типа «звездочка» с явно выраженными полюсами без полюсных башмаков и с полюсными башмаками;
- типа «звездочка» с призматическими магнитами и полюсными башмаками;
- коллекторные с призматическими магнитами и тангенциальным намагничиванием;
- когтеобразные с цилиндрическими постоянными магнитами, намагниченными в аксиальном направлении.
К магнитным системам с вращающимися магнитами относится также система торцевого типа. Магнитные системы бесконтактных генераторов с неподвижными постоянными магнитами выполняются следующих видов: с внешнезамкнутым магнитопроводом, индукторного и коммутаторного типов. Кроме этого, известны магнитные системы и конструкции генераторов переменного тока комбинированного возбуждения, в которых магнитный рабочий поток создается совместным действием постоянных магнитов и электромагнитных обмоток возбуждения при протекании по ним постоянного электрического тока. Недостатки указанных магнитных систем и конструкций генераторов переменного тока описаны на страницах 25, 26-30, 33, 36, 40, 43, 44, 46 данного источника.
Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами (Патент RU, 2303849 С1, МПК Н02К 21/18, Н02К 21/14, автор Шкондин В.В.), содержащий, по крайней мере, одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно-встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора и количество полюсов в одном ряду n удовлетворяет соотношению n=10+4·k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Недостатком аналога является сложность конструкции и невысокие энергетические показатели, обусловленные нерациональным использованием полезного объема машины.
Известна сверхпроводниковая вентильная индукторная машина (Патент RU, 2178942 С1, МПК 7 Н02К 55/00, Н02К 55/02, авторы: Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А.), содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический ротор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами, снабженная вторым статором с шихтованным сердечником, на полюсных выступах которого расположена многофазная катушечная обмотка, и вторым ротором, расположенным на одном валу с первым ротором, на валу между двумя роторами размещена цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала с «вмороженным» магнитным потоком, представляющая собой криомагнит, намагниченный в осевом направлении и обеспечивающий однополярность полюсных выступов первого и второго роторов, на статорах установлен соленоид, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку для «вмораживания» в нее магнитного потока, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом, а их многофазные катушечные обмотки снабжены коммутатором, обеспечивающим однополярность намагничивания полюсов каждого статора, разнополярность полюсов первого и второго статоров, совпадение направления магнитного потока в полюсах статоров с направлением магнитного потока вышеуказанной вставки, а также поочередность включения катушечных обмоток каждой фазы в заданной последовательности. Недостатком описанного технического устройства является сложность конструкции ротора, наличие двух статоров с соленоидом между ними, каждый статор имеет свою многофазную обмотку якоря, а также низкая ремонтопригодность при пробое какой-либо из обмоток из-за расположения всех обмоток (якоря и возбуждения) только на статоре.
Z
M
p
C
ZC
Z
Ш
Ш
Z
ZC
Z
R
R
C
ZP
Z
ZC
ZC
ZP
C
C
P
M
ZP
Z
f
S
n
n
Известен принятый за прототип бесконтактный моментный электродвигатель (Патент RU, 2285322 С1, МПК Н02К 21/00, автор Епифанов O.K.), содержащий магнитомягкий кольцевой пазовый статор с Р явно выраженными зубчатыми полюсами и с сосредоточенной m-фазной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса статора, и ротор, выполненный в виде двух соосно расположенных кольцевых зубчатых магнитомягких магнитопроводов ротора, развернутых относительно друг друга на половину своего зубцового деления, между которыми размещен кольцевой слой аксиально намагниченных в одном направлении постоянных магнитов, причем зубчатые полюса статора и зубчатые магнитопроводы ротора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором δ, а зубцы на магнитопроводах ротора и на полюсах статора выполнены с равномерными и равными друг другу зубцовыми делениями T, ротор снабжен немагнитной втулкой толщиной большей половины толщины b слоя постоянных магнитов, на которой установлены и закреплены неподвижно относительно друг друга зубчатые магнитопроводы ротора равной друг другу активной осевой длиной L и кольцевой слой постоянных магнитов, при этом число m фаз m-фазной обмотки якоря выполнено кратным трем, определяемым как m=2±1, где f равно 1, 2, 3, …, а явно выраженные зубчатые полюса на пазовом статоре расположены равномерно, при этом их число определяется как Р=2m·2, где s равно 0, 1, 2, …, а на каждом зубчатом полюсе статора симметрично относительно его оси размещено нечетное число зубцов Z толщиной b, при этом оси зубцов соседних зубчатых полюсов статора смещены относительно друг друга на величину, пропорциональную отношению ±T к m, причем соседние полюса статора разделены шлицом шириной b не менее десятикратной величины воздушного зазора, определяемой из соотношения b=T·[(1±1/m)-b/T], а число зубцов Z на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора выполнено кратным 2 при n, равном 2, 3, 4, …, определяемым как Z=Р·(Z±1/m), при этом толщина зубцов b каждого из зубчатых магнитопроводов ротора выполнена равной половине его зубцового деления T и связана с толщиной зубцов зубчатых полюсов статора b соотношением 2/3≤b/b≤1, а катушки обмотки якоря одной фазы, отстоящие друг от друга на число полюсных делений статора, равное числу m фаз, соединены последовательно-согласно, при этом активная осевая длина L кольцевого пазового статора с зубчатыми полюсами определяется из соотношения L=(2L+b), причем кольцевые зубчатые магнитопроводы ротора расположены относительно кольцевого пазового статора аксиально симметрично. Недостатком прототипа является выполнение числа m фаз m-фазной обмотки якоря только кратным трем, числа зубцов на каждом из зубчатых магнитопроводов ротора только кратным 2 при n, равном 2, 3, 4, …, толщины зубцов b каждого из зубчатых магнитопроводов ротора равной только половине его зубцового деления T. Это снижает возможные конструктивные исполнения данного технического устройства и возможности его использования.
Целью настоящего изобретения является создание новой, простой, высоконадежной, высокотехнологичной и высокоремонтопригодной конструкции однофазного бесконтактного магнитоэлектрического генератора с высокими энергетическими показателями.
Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа полюсов якоря, числа полюсов индуктора, оптимальной ширины полюсной дуги полюсов якоря и полюсной дуги полюсов индуктора, определение схемы соединений катушек, сосредоточенных на полюсах якоря, однофазной катушечной обмотки якоря однофазного бесконтактного магнитоэлектрического генератора.
1P
2P
1P
1P
2P
2P
1P
1P
2P
2P
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высоконадежной и высокотехнологичной конструкции с высокими энергетическими показателями и эксплуатационными характеристиками однофазного бесконтактного магнитоэлектрического генератора. С этой целью статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, катушечную однофазную обмотку якоря, катушки которой размещены на соответствующих явно выраженных полюсах якоря по одной на каждом полюсе, катушки однофазной обмотки якоря соединены между собой согласно в магнитном отношении, безобмоточный ферромагнитный ротор содержит индуктор с нечетными и четными сердечниками с одинаковым числом явно выраженных полюсов на каждом сердечнике, сердечники индуктора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, при наличии пакетов индуктора более двух активная длина сердечников индуктора в аксиальном направлении, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше активной длины крайних сердечников индуктора, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора, сердечники индуктора напрессованы на соответствующие втулки, являющиеся магнитопроводами индуктора, выполненные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и насаженные на немагнитную втулку, толщина которой в радиальном направлении значительно больше величины воздушного зазора между статором и ротором, явно выраженные полюса якоря и явно выраженные полюса индуктора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, между магнитопроводами индуктора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении сегментарных постоянных магнитов, для машин с малыми диаметрами роторов возможно применение цельных кольцеобразных постоянных магнитов, постоянные магниты прилегают к магнитопроводам индуктора в аксиальном направлении и расположены таким образом, чтобы к втулкам с нечетными сердечниками индуктора прилегали постоянные магниты полюсами одной полярности, например южной «S», а к втулкам с четными сердечниками индуктора прилегали постоянные магниты полюсами другой полярности, например северной «N», число кольцевых слоев сегментарных постоянных магнитов на один меньше числа сердечников индуктора, число явно выраженных полюсов якоря определяется равенством Z=2·k, число явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора определяется равенством Z=k, где k=2, 3, 4, 5, … - целое положительное число, начиная с двух, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении определяется выражением b=(0,76÷1,0)·t, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении определяется выражением b=(0,38÷0,5)·t, при этом t=360°/Z представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении, t=360°/Z представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении.
В настоящем изобретении возможны исполнения однофазного бесконтактного магнитоэлектрического генератора как с внешним якорем, являющимся статором, и внутренним индуктором, являющимся ротором, так и с внутренним якорем, являющимся ротором, и внешним индуктором, являющимся статором (например, для возбудителя синхронного генератора с вращающимися полупроводниковыми выпрямительными устройствами).
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид с продольным разрезом однофазного бесконтактного магнитоэлектрического генератора,
фиг.2 - пример реализации изобретения в виде поперечных разрезов сердечников якоря и индуктора,
фиг.3 - схема соединения катушек однофазной обмотки якоря при получении переменной ЭДС,
фиг.4 - схема соединения катушек однофазной обмотки якоря при выпрямлении переменной ЭДС при помощи неуправляемых полупроводниковых вентилей и сглаживающего конденсатора и получение постоянной (выпрямленной) ЭДС на выходе.
На фиг.1÷4 буквой и цифрой обозначены катушки однофазной обмотки якоря, расположенные на соответствующих полюсах якоря. Например, A3 - это катушка фазы «А», расположенная на третьем полюсе якоря.
На фиг.2 показаны положения сердечников индуктора относительно сердечника якоря в тот момент времени, когда в катушках однофазной обмотки якоря индуктируется максимальная ЭДС, направление которой в каждой катушке показано стрелками на фиг.3 и 4.
Рассмотрим конструкцию исполнения однофазного бесконтактного магнитоэлектрического генератора с внешним якорем, являющимся статором, и внутренним индуктором, являющимся ротором (фиг.1 и 2). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 2 якоря выполнен шихтованным из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в магнитопроводе 1, являющегося корпусом, выполненного из стали с высокой магнитной проницаемостью. Сердечник 2 якоря имеет явно выраженные полюса 3 якоря, на которых размещена катушечная однофазная обмотка якоря, выполненная катушками 4, расположенными на соответствующих явно выраженных полюсах 3 якоря по одной на каждом полюсе. Катушки 4 однофазной обмотки якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Катушки 4 однофазной обмотки якоря могут быть соединены между собой последовательно, параллельно и смешанно, но всегда согласно в магнитном отношении, т.е., чтобы при протекании по катушкам 4 электрического тока явно выраженные полюса 3 якоря образовывали в воздушном зазоре чередующуюся полярность магнитных полюсов. Индуктор при помощи подшипников 15, вала 5 и подшипниковых щитов 16 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из магнитной или немагнитной стали или из титана. Если вал 5 магнитный, то на нем закреплена немагнитная втулка 6, толщина которой в радиальном направлении значительно превышает воздушный зазор между статором и ротором. Немагнитная втулка 6 может быть выполнена из сплавов алюминия, из меди, из титана, из нержавеющей стали. Если вал 5 выполнен из немагнитной стали или титана, то немагнитная втулка 6 может не устанавливаться. На немагнитной втулке 6 насажены втулки 7-9, выполненные из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и являющиеся магнитопроводами индуктора, на втулках 7 и 9 напрессованы соответственно нечетные 11 и 13 сердечники индуктора, на втулке 8 напрессован четный сердечник 12 индуктора. Активная длина двух крайних сердечников 11 и 13 индуктора в аксиальном направлении одинакова, активная длина находящегося между ними сердечника 12 индуктора в аксиальном направлении в два раза больше длины крайних сердечников 11 и 13. Сердечники 11-13 индуктора представляют собой пакеты, набранные из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, и имеют одинаковое число на каждом сердечнике равномерно распределенных по окружности явно выраженных полюсов 14. С целью удешевления конструкции сердечники 11-13 могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. В этом случае втулки 7-9 не устанавливаются. Четный 12 сердечник индуктора смещен относительно нечетных 11 и 13 сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора. Между магнитопроводами 7-9 индуктора расположены кольцевые слои аксиально намагниченных в одном направлении сегментарных постоянных магнитов 10. Для машин с малыми диаметрами роторов возможно применение цельных кольцеобразных постоянных магнитов 10. Постоянные магниты 10 прилегают к магнитопроводам 7-9 индуктора в аксиальном направлении и расположены таким образом, что к втулкам 7 и 9 с нечетными 11 и 13 сердечниками индуктора соответственно постоянные магниты прилегают южными полюсами «S», а к втулке 8 с четным сердечником 12 индуктора соответственно постоянные магниты прилегают северными полюсами «N», вследствие этого явно выраженные полюса 14 нечетных 11 и 13 сердечников индуктора намагничены как южные магнитные полюса «S», а явно выраженные полюса 14 четного сердечника 72 индуктора намагничены как северные магнитные полюса «N». Число кольцевых слоев сегментарных постоянных магнитов при этом на один меньше числа сердечников индуктора. Созданный постоянными магнитами 10 магнитный поток замыкается униполярно через магнитопроводы и сердечники индуктора в радиальном направлении, воздушный зазор между индуктором и якорем и сердечник якоря в радиальном направлении и магнитопровод 7 в аксиальном направлении.
2P
Рассмотрим работу однофазного бесконтактного магнитоэлектрического генератора (фиг.1÷4). При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный кольцевыми слоями сегментарных постоянных магнитов 10, пронизывает воздушный зазор и явно выраженные полюса 3 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создавая при этом в явно выраженных полюсах 3 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках 4 однофазной обмотки якоря переменную во времени ЭДС. Направление индуктированной ЭДС в каждой катушке 4 однофазной обмотки якоря в момент времени, соответствующий положению сердечников индуктора относительно сердечника якоря (фиг.2), показано стрелками на фиг.3 и 4. Переменная ЭДС однофазной обмотки якоря равна сумме индуктированных ЭДС в каждой катушке 4. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по однофазной обмотке якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю. Частота f (Гц) переменной ЭДС однофазной обмотки якоря связана с частотой вращения n (об/мин) ротора и определяется равенством f=n·Z/60.
Следует отметить, что описанная в настоящем изобретении конструкция однофазного бесконтактного магнитоэлектрического генератора переменного тока с аксиальным расположением кольцевых слоев постоянных магнитов имеет очень важное преимущество по сравнению с другими конструкциями генераторов переменного тока с постоянными магнитами. Из-за выбранных соотношений ширины полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря и полюсного деления явно выраженных полюсов якоря и ширины полюсной дуги явно выраженных полюсов индуктора и полюсного деления явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора магнитный поток возбуждения индуктора остается постоянным при любом положении ротора. При работе генератора под нагрузкой по обмотке якоря протекает переменный ток, создавая в явно выраженных полюсах сердечника якоря магнитное поле реакции якоря, которое замыкается через воздушный зазор, явно выраженные полюса индуктора, сердечники и магнитопроводы индуктора в радиальном направлении, не оказывая размагничивающего действия на постоянные магниты. При резко переменной „ударной" нагрузке (режим короткого замыкания) генератора размагничивания постоянных магнитов не происходит. Это преимущество, наряду с другими (бесконтактность, катушечная обмотка якоря, простота крепления постоянных магнитов, высокая технологичность выполнения деталей и конструктивных узлов генератора, применение постоянных магнитов простых форм и др.), является одним из определяющих высокой надежности конструкции однофазного бесконтактного магнитоэлектрического генератора переменного тока с аксиальным расположением кольцевых слоев постоянных магнитов.