ИНДУКТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ТОРЦЕВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
INDUCTOR GENERATOR WITH FRONT EXCITEMENT

Изобретение относится к области электротехники, а именно к индукторным генераторам, и может быть использовано для выработки электрической энергии при вращении ротора, в частности для получения постоянного, однофазного и трехфазного переменного тока нормальной и повышенной частоты.
Известен индукторный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии при вращении ротора, содержащий корпус, индукторную систему из неподвижной части, на которой расположены магнитная система с электрическими обмотками, и подвижного якоря, описанный в патенте (RU 2402142 C1, 20.10.2010).
Недостаток известного индукторного генератора заключается в том, что он имеет сложную конструкцию и предназначен для генерации энергии небольшой мощности.
В качестве прототипа выбран индукторный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии при вращении ротора, описанный в патенте (RU 2085010 С1, 20.08.1997).
Известный генератор предназначен для получения электрической энергии переменного и постоянного тока и содержит цилиндрический явнополюсный ротор, неподвижный статор с силовыми обмотками, расположенными на его полюсах, и обмоткой возбуждения.
Недостаток известного генератора заключается в том, что он имеет сложную конструкцию, что не способствует его широкому применению. Кроме того, он обладает пониженным КПД.
Задачей изобретения является расширение технических средств, способных преобразовывать механическое движение в электрическую энергию.
Техническим результатом является создание индукторного генератора, имеющего простую конструкцию и способного вырабатывать электрическую энергию в виде однофазного, трехфазного или постоянного тока с высоким КПД.
Технический результат достигается за счет того, что в индукторном генераторе, содержащем неподвижный статор с силовыми обмотками, расположенными на его полюсах и с обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока, цилиндрический явнополюсный ротор, расположенный соосно со статором, согласно изобретению, статор выполнен в виде центрального цилиндрического сердечника и боковых стержней, расположенных вокруг и симметрично по отношению к сердечнику и имеющих с ним общее основание, торцевые поверхности стержней имеют вид секторов с длиной дуги, равной π/2, ротор содержит центральную часть, примыкающую с зазором к сердечнику статора, и два полюса, выполненных в виде секторов с длиной дуги, равной длине дуги секторов стержней статора и примыкающих с зазором к торцевым поверхностям боковых стержней, причем площадь сечения сектора полюса ротора равна площади сечения сектора стержня статора.
Торцевые поверхности боковых стержней статора могут быть направлены перпендикулярно оси сердечника.
Торцевые поверхности боковых стержней статора могут быть направлены к оси сердечника.
Общее число стержней статора может быть равно двум.
Общее число стержней статора может быть равно трем.
Обмотка сердечника может быть подключена к приемнику электрической энергии через выпрямители, установленные на выходе силовых обмоток стержней статора.
В качестве материала для изготовления статора может быть использован магнитотвердый материал.
В качестве материала для изготовления статора и ротора может быть использован магнитодиэлектрик.
Цилиндрический сердечник может содержать вал, на котором устанавливается ротор.
Выполнение статора в виде центрального цилиндрического сердечника и боковых стержней, расположенных вокруг и симметрично по отношению к сердечнику и имеющих с ним общее основание, и ротора, содержащего центральную часть, примыкающую с зазором к сердечнику статора, и два полюса, примыкающих с зазором к боковым стержням, позволяет упростить конструкцию машины и тем самым снизить трудоемкость и материалоемкость ее изготовления.
Придание стержням вида секторов с длиной дуги, равной π/2, выполненных в виде дуги, и полюсов ротора с длиной, равной длине дуги стержней статора при равенстве площадей сечения полюсов ротора и сечения секторов статора, способствует более эффективному использованию электромагнитного материала машины.
Направление торцевых поверхностей боковых стержней статора перпендикулярно оси сердечника применяется для упрощения конструкции машины.
Направление торцевых поверхностей боковых стержней статора к оси сердечника используется для снижения массы ротора.
Если общее число стержней статора равно двум, то на выходе силовых обмоток генерируется однофазный переменный ток.
Если общее число стержней статора равно трем, то на выходе силовых обмоток генерируется трехфазный переменный ток.
Подключение обмотки возбуждения генератора к приемнику электрической энергии через выпрямители, установленные на выходе силовых обмоток стержней, позволяет создать автономную электрическую машину.
Применение в качестве материала для изготовления статора магнитотвердого материала ведет к снижению колебаний магнитного потока возбуждения.
Применение в качестве материала для изготовления статора и ротора магнитодиэлектрика упрощает процесс изготовления машины.
Расположение ротора на валу цилиндрического сердечника обеспечивает точность поддержания зазора между элементами статора и ротора, что повышает стабильность параметров машины.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 представлена принципиальная конструкция машины с общим числом стержней статора, равным двум, вид сбоку.
На фиг.2 показана вторая проекция генератора по фиг.1, вид со стороны ротора.
На фиг.3 изображен генератор, торцевые поверхности боковых стержней статора которого направлены к оси сердечника.
На фиг.4 дана принципиальная конструкция генератора, в котором общее число стержней статора равно трем.
На фиг.5 нарисованы графики изменения магнитного потока в трех стержнях статора и генерируемые при этом э.д.с.
Индукторный генератор с торцевым возбуждением устроен следующим образом. Неподвижный статор 1 (фиг.1, 2) состоит из центрального цилиндрического сердечника 2 и двух боковых стержней 3, расположенных вокруг и симметрично по отношению к сердечнику 2. Сердечник и стержни имеют общее основание 4. Торцевые части стержней выполнены в виде секторов с длиной дуги, равной π/2, и их плоскости направлены перпендикулярно оси сердечника. Рядом со статором расположен явнополюсный ротор 5, который имеет центральную часть 6, примыкающую с зазором к сердечнику статора 2, и два полюса 7, выполненных в виде секторов с длиной дуги π/2, т.е равной длине дуги секторов стержней статора. Площадь сечения сектора полюса 7 ротора равна площади сечения сектора стержня 3 статора 1. Полюса ротора 7 расположены параллельно стержням статора. На центральном цилиндрическом сердечнике 2 имеется обмотка возбуждения 8, выполненная в виде катушки. На стержнях 3 имеются силовые обмотки 9, охватывающие соответствующие стержни, выполненные в виде катушек. Вал 10 ротора связан с механизмом, приводящим ротор во вращение.
Торцевые поверхности боковых стержней статора могут быть направлены к оси сердечника (фиг.3). При этом стержни 3 имеют дополнительные наконечники 11, направленные в сторону полюсов 7 ротора 5. Ротор 5 в таком случае установлен с внутренней стороны по отношению к стержням 3 статора 1, а поверхности полюсов 7 ротора 5 также расположены параллельно поверхности секторов стержней 3 статора 1.
а
b
c
а
b
c
Общее число стержней статора может быть равно трем (фиг.4), которые обозначены 3, 3 и 3. Соответственно каждый из стержней снабжен силовой обмоткой 9, 9 и 9. Сердечник и стержни имеют общее основание 4. Торцевые части стержней выполнены в виде секторов с длиной дуги, равной π/2, и направлены к оси сердечника. При этом стержни 3 имеют дополнительные наконечники 11, направленные в сторону полюсов 7 ротора 5. Ротор 5 выполнен аналогично фиг.3 и установлен с внутренней стороны по отношению к стержням 3 статора 1, а поверхности полюсов 7 ротора 5 также расположены параллельно поверхности секторов стержней 3 статора 1.
В варианте технического решения ротор 5 может быть установлен рядом со статором. Торцевые части стержней выполнены в виде секторов с длиной дуги, равной π/2, и их плоскости направлены перпендикулярно оси сердечника аналогично фиг.1, 2. Явнополюсный ротор 5 имеет центральную часть 6, примыкающую с зазором к сердечнику статора 2, и два полюса 7, выполненных в виде секторов с длиной дуги π/2, примыкающих с зазором к поверхности стержней. Иными словами, поверхности полюсов 7 ротора 5 направлены с сторону торцевых поверхностей стержней 3 статора 1.
а
а
b
b
c
c
a
b
c
Графики изменения магнитного потока в трех стержнях трехфазного статора представляют собой 3 кривые, близкие к синусоидам, не проходящим через нуль, и сдвинутые по фазе на 120° или 2/3π (фиг.5). Для стержня 3 этот график имеет обозначение 12, для стержня 3 график обозначен 12, и для стержня 3 график обозначен как 12. Генерируемые при этом э.д.с для генератора, представленного на фиг.4, имеют вид симметричных синусоид, сдвинутых по фазе на 120° или 2/3π, и обозначены соответственно 13, 13, 13.
Обмотка сердечника может быть подключена к приемнику электрической энергии через выпрямители, установленные на выходе силовых обмоток стержней (не показано).
В качестве материала для изготовления статора может быть использован магнитотвердый материал.
В качестве материала для изготовления статора и ротора может быть использован магнитодиэлектрик.
Сердечник 2 может содержать вал, на котором установлен ротор (не показано). При этом могут быть применены известные типы подшипников и способы их расположения, которые используются в машиностроении. Это могут быть подшипники качения или подшипники скольжения. Применение тех или иных типов подшипников зависит от мощности генератора и области его эксплуатации.
Индукторный генератор с торцевым возбуждением действует следующим образом. В цилиндрическом сердечнике 2 с помощью обмотки возбуждения 8 формируется основной магнитный поток Ф. Ротор 5 образует цепь прохождения магнитного потока от сердечника 2 через полюса ротора 7 и стержни 3. Во время движения ротора 5 каждый его полюс 7 замыкает или разрывает эту цепь в соответствующем стержне. При любых изменениях магнитного поля Ф в обмотках 6, согласно закону Максвелла, будет генерироваться э.д.с. в соответствии с формулой:
где w - число витков соответствующей силовой обмотки, dф/dt - изменение магнитного поля, проходящего через оси силовых обмоток 9. Форма кривой изменения магнитного потока определяется конструктивными параметрами секторов стержней и полюсов статора, а именно площадью перекрытия секторов стержней 3 и полюсов 7 ротора 5. Подбирая конфигурацию сечения указанных секторов стрежней и полюсов ротора, можно добиться получения формы кривой изменения магнитного потока, близкой к синусоидальной и не проходящей через нуль, как это показано на фиг.5. Характер изменения э.д.с. определяется формулой 1.
Однофазный генератор (фиг.1, 2) может быть использован для маломощных систем, его отличает простота исполнения. Что касается конструкции ротора (фиг.1 или фиг.3), то следует отметить, что ротор 5, установленный внутри статора 1 (фиг.3), обладает наименьшей массой. Однако конструкция статора несколько усложняется из-за дополнительных наконечников 11. Недостаток однофазного генератора заключается в повышенной пульсации магнитного потока, что, впрочем, не так существенно для маломощных нагрузок, получающих питание через выпрямитель.
В генераторе, в котором общее число стержней статора равно трем (фиг.4), формируется стандартная трехфазная система э.д.с. (фиг.5). Колебание магнитного потока возбуждения минимально. Для получения стандартной частоты переменного ток 50 Гц частота вращения ротора снижена в два раза.
В качестве материала для изготовления статора может быть использован магнитотвердый материал, что снижает пульсацию магнитного потока.
В качестве материала для изготовления статора и ротора может быть использован магнитодиэлектрик, что упрощает изготовление машины.
Ротор может быть установлен на валу, выходящем за пределы цилиндрического сердечника (не показано). При этом могут быть применены известные типы подшипников и способы их расположения, которые используются в машиностроении. Это могут быть подшипники качения или подшипники скольжения. Применение того или иного типа подшипников зависит от мощности генератора и области его эксплуатации.
Общими достоинствами предложенного генератора являются простота конструкции, отсутствие обмоток на подвижной части машины, сниженные потери в стали и небольшая масса ротора, что позволяет широко использовать генераторы в различных системах автономного питания различных потребителей. Высокий КПД характерен для трехфазного генератора с тремя стержнями благодаря низким пульсациям основного магнитного потока и пониженным потерям в стали.
Технико-экономические достоинства индукторного генератора с торцевым возбуждением:
1. Простота конструкции, что обеспечивает его относительно низкую себестоимость.
2. Автономность работы.
3. Широкий диапазон применения.
4. Высокий КПД за счет сниженных потерь в стали.
5. Пониженные обороты ротора при стандартной частоте.