Однофазный генератор переменного тока
SINGLE-PHASE ALTERNATOR

Изобретение относится к электротехнике, а именно к средствам для преобразования механической энергии в электрическую энергию переменного тока и может быть использовано в машиностроении для создания генераторов переменного тока, использующего вращающееся магнитное поле.
Основной проблемой при создании генераторов переменного тока является их низкий КПД, а также сложность их конструкций.
Так известен генератор электрической энергии по патенту РФ на ПМ №195975, Н02К 1/12, включающий в себя установленный с возможностью вращения вал, базовый и корректирующий индукторы, расположенные коаксиально, и неподвижно закрепленные на валу, а также коаксиально расположенные базовый и корректирующий якоря, каждый из которых имеет кольцеобразный магнитопровод с кольцеобразными катушками обмотки, которые поперечно охватывают магнитопровод базового якоря, при этом катушки обмотки корректирующего якоря выполнены кольцеобразными.
Недостатками названного генератора электрической энергии являются сложность его конструкции, а также невысокий КПД данного генератора, из за наведения кольцевыми обмотками базового статора, под воздействием нагрузки, противовращающего момента, направленного в обратную сторону вращения явнополюсного базового индуктора.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является однофазный генератор переменного тока с кольцевой обмоткой статора (патент на ИЗ РФ №2513986, Н02К 21/16), который выбран в качестве прототипа. Данный генератор содержит ротор, на валу которого установлены два постоянных магнита с одноименными вогнутыми полюсами, и статор, выполненный в виде связанных посредством немагнитных вкладышей полуколец с соединенными последовательно двумя кольцевыми обмотками.
Недостатком прототипа является то, что ЭДС в обмотках создается через воздушный зазор при непосредственном взаимодействии магнитных полюсов ротора с обмотками, и токи, протекающие в обмотках статора, образуют на своей поверхности магнитные силовые линии, направленные в противоположную сторону вращения магнитных полюсов ротора, что в итоге уменьшает КПД генератора. При работе машины в режиме генератора электромагнитный момент действует против вращения якоря, т.е. является тормозным (см. ст. "Электромагнетизм", 06.10.2014 г., выложена в режиме он-лайн доступа в сети Интернет по адресу: http://electromagnetizm.blogspot.com/2014/10/blog-post.html).
Также существенным недостатком прототипа является наличие в роторе двух постоянных магнитов с одноименными вогнутыми полюсами, что ограничивает возможность эффективного исполнения ротора с электромагнитным возбуждением его полюсов.
Кроме того, при наличии многовитковых рядов обмоток магнитопровод статора удаляется от магнитных полюсов ротора, отрицательно сказываясь на мощности генератора.
Задачей предлагаемого изобретения является создание однофазного генератора переменного тока, обладающего высоким КПД за счет отведения магнитных потоков, создаваемых токами кольцевых обмоток, от зубцов статора, при одновременном обеспечении простоты конструкции генератора.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении КПД однофазного генератора переменного тока путем уменьшения действия магнитных потоков в статоре, вызывающих торможение вращения магнитных полюсов ротора.
Указанный технический результат достигается тем, что однофазный генератор переменного тока содержит одинаковые экраны в виде дугообразных по форме в плане пластин, жестко установленные на статоре с двух его сторон с плотным к нему прилеганием в промежутках между кольцевыми обмотками статора, которые равномерно расположены по окружности в количестве, по меньшей мере, двух и соединены параллельно встречно, при этом указанные экраны выполнены с возможностью отведения магнитных потоков, создаваемых токами кольцевых обмоток, от зубцов статора и площадь каждого экрана превышает площадь контакта со статором, при этом статор имеет кольцевую форму, по меньшей мере, с четырьмя внутренними зубцами, а ротор снабжен, по меньшей мере, четырьмя магнитными полюсами, установленными на валу в.порядке попеременного чередования радиальной магнитной направленностью полюсов.
В предлагаемом генераторе статора с зубцами взаимодействие полюсов магнитов ротора с кольцевыми обмотками статора осуществляется не напрямую через воздушный зазор, а через промежуточные элементы - зубцы, с минимальным зазором, при этом магнитные потоки, созданные токами обмоток, замыкаются по периметру статора и шунтируются экранами, благодаря чему снижается степень направленности потоков к зубцам статора, что в результате увеличивает КПД однофазного генератора переменного тока.
Предпочтительно, чтобы однофазный генератор переменного тока был выполнен с возможностью регулирования магнитного сопротивления экранов за счет изменения их радиальных и осевых размеров.
Целесообразно, чтобы в однофазном генераторе переменного тока магнитные полюса ротора были исполнены в виде постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением.
Необходимо, чтобы в однофазном генераторе переменного тока количество установленных кольцевых обмоток статора было в два раза меньше количества магнитных полюсов ротора и, по меньшей мере, в два раза меньше количества зубцов статора.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
Фиг.1- вид спереди однофазного генератора переменного тока, согласно изобретению
фиг. 2 - вид слева по фиг. 1;
фиг. 3 - вид справа по фиг. 1;
фиг. 4 - вид спереди статора;
фиг. 5 - вид сбоку по фиг. 4;
фиг. 6- вид спереди экрана;
фиг. 7 - вид сбоку про фиг. 6;
фиг. 8 - фаза поворота ротора из исходного положения, формирующего выходной электрический сигнал;
фиг. 9 - фаза вращения ротора, в ходе которой на выходе генератора появляется электрический сигнал, противоположный по знаку предыдущей фазе.
Согласно настоящего изобретения рассматривается конструкция однофазного генератора переменного тока, в котором уменьшено влияние магнитных потоков, возникающих в обмотках статора и работающих в режиме торможения вращения магнитных полюсов ротора. Суть изобретения основана на изменении направления магнитных потоков, созданных токами обмоток, их замыкании по периметру статора и шунтирования экранами, благодаря чему снижается степень направленности потоков к зубцам статора, что в результате увеличивает КПД однофазного генератора переменного тока.
В общем случае, однофазный генератор переменного тока содержит статор с кольцевыми обмотками, установленный с возможностью вращения внутри статора ротор с расположенными на его валу магнитными полюсами-индукторами. Генератор оснащен одинаковыми дугообразной формы в плане экранами, жестко установленными на статоре с двух его сторон с плотным к нему прилеганием в промежутках между кольцевыми обмотками статора, которые равномерно расположены по окружности в количестве, по меньшей мере, двух и соединены параллельно встречно.
Экраны выполнены с возможностью отведения магнитных потоков, создаваемых токами кольцевых обмоток от зубцов статора. Площадь каждого экрана в плане превышает площадь поверхности контакта со статором. Каждый экран может состоять из одной пластины или набора пластин.
Статор кольцевой формы выполнен с, по меньшей мере, четырьмя внутренними зубцами, а ротор снабжен, по меньшей мере, четырьмя магнитами, установленными на валу в порядке попеременного чередования радиальной магнитной направленностью полюсов.
Замыкание, создаваемых токами обмоток статора, магнитных потоков между собой по периметру статора и их (магнитных потоков) шунтирование экранами приводит к уменьшению уровня магнитной индукции на зубцах статора, тем самым снижаются степень торможения магнитных полюсов ротора в процессе его вращения и механические затраты, что приводит к увеличению КПД однофазного генератора переменного тока.
Ниже рассматривается конкретный пример исполнения изобретения (фиг. 1-9).
Однофазный генератор переменного тока содержит ротор 1, на валу которого установлены, по меньшей мере, четыре магнитных полюса в виде постоянных магнитов 2 или магнитов с электромагнитным возбуждением. Эти магниты равномерно расположены в плоскости вращения на валу ротора 1 в порядке попеременного чередования радиальной магнитной направленностью полюсов. Ротор с магнитными полюсами смонтирован с возможностью вращения внутри статора 3, выполненного кольцевой формы из электротехнической стали и с, по меньшей мере, четырьмя внутренними зубцами 4 на внутренней стенке, обращенными радиально и между которыми образованы гнезда для размещения кольцевых обмоток 5 и 6 (фиг. 1, 4). Зубцы представляют собой радиально направленные к оси вращения ротора выступы с вогнутыми поверхностями стенок, обращенных в сторону ротора. Такая конструкция зубцов используется для минимизации воздушных зазоров между выступами и расположенными между ними кольцевыми обмотками.
Статор 3 содержит равномерно расположенные по его окружности между зубцами 4 (фиг. 4) и соединенные параллельно встречно кольцевые обмотки 5 и 6 в количестве в два раза меньшим, чем количество полюсов магнитов 2 ротора 1 и, по меньшей мере, в два раза меньше количества зубцов 4 статора 3.
Равномерное расположение по окружности обмоток 5 и 6, а также соотношение их количества 1:2 к количеству полюсов магнитов 2 ротора обеспечивают в ходе работы генератора одинаковое направление создаваемых обмотками 5 и 6 магнитных потоков по окружному периметру статора 3. Это обусловлено симметричностью взаимодействия в ходе работы генератора с обмотками 5 и 6 через зубцы 4 статора 3 одинаковых магнитных полюсов магнитов 2 ротора 1 в любые угловые моменты вращения ротора 1, поскольку диаметрально расположенные напротив друг друга одноименные полюса магнитов 2 (при вращении ротора) одновременно проходят в одни и те же временные промежутки одинаковые угловые участки зубцов 4 статора 3, между которыми расположены обмотки 5 и 6. Соответственно, токи этих обмоток 5 и 6 при подключенной нагрузке будут создавать магнитные потоки одинакового направления, замыкающиеся между собой по периметру статора 3.
Участки статора 3 с обмотками 5 и 6, как правило, имеют меньшую площадь поперечного сечения, чем участки статора между зубцами без обмотки (фиг. 1 и 4). При большей площади поперечного сечения участков статора 3 между зубцами без обмотки их магнитное сопротивление будет меньше, чем участков статора 3, имеющих обмотки. В этом случае магнитные потоки, создаваемые обмотками 5 и 6 под воздействием нагрузки, в большей степени будут отводиться от зубцов, замыкаясь по периметру статора 3.
Известно из уровня техники, что при помещении катушки индуктивности в кожух, выполненный из ферромагнетика, то линии индукции внешнего магнитного поля пойдут по стенкам защитного экрана, так как он имеет меньшее магнитное сопротивление по отношению к пространству внутри него. Те силовые линии, которые наводятся самой катушкой так же, почти все замкнутся на стенке кожуха. Для защиты следует выбирать материалы, которые обладают высокой магнитной проницаемостью, например, электротехническая сталь или ферромагнектики. Для повышения надежности экрана и его эффективности следует изготавливать этот экран толстостенным или из сборным из нескольких однотипных элементов типа пластин. При этом установлено, что эффективность экрана резко падает, если в экране имеются швы или разрезы. Экран должен быть монолитно единым по своей структуре и однороден, так как именно рассечения, вырезы и швы рассекают магнитный поток и нарушают линии его распределения. Кроме того, так же установлено, что контактное прилегание или закрепление экрана должно быть максимально плотным и не иметь воздушных щелей или пазух (ст."Экранирование магнитного поля: принципы и материалы. Относительная магнитная проницаемость материалов", https://fb.m/article/458007/ekranirovanie-magnitnogo-polya-printsipyi-i-materialyi-otnositelnaya-magnitnaya-pronitsaemost-materialov).
В связи с этим заявленный генератор содержит четыре одинаковых дугообразной формы в плане экрана 7-10 в виде плоских стальных пластин (каждый выполнен из одной пластины или набора пластин) из электротехнической стали (фиг. 1, 3, 6 и 7). Эти экраны выполнены с зубцами 11, повторяющими форму зубцов на статоре. Экраны жестко установлены на статоре 3 на участках между обмотками 5 и 6 с двух сторон статора 3 и плотно прикреплены с прилеганием к торцевой поверхности статора 3. Экраны предназначены для отведения магнитных потоков, создаваемых токами обмоток 5 и 6, от зубцов 4 статора 3 в направлении участков между зубцами без обмоток, по периметру статора 3. В отличие от экранирования электрического поля, ослабление магнитного поля до его полного исчезновения на сегодняшний день невозможно (ст. "Магнитное экранирование", автор Н.С. Перов, выложена на сайте "Большая российская энциклопедия" по адресу: https://bigenc.ru/phvsics/text/2153044).
Экраны 7-10 выполнены с площадью плоской поверхности (в плане), превышающей площадь поверхности их контакта с торцевой стенкой статора 3 (фиг. 1). Это сделано для того, чтобы уменьшить их магнитное сопротивление, что позволяет в большей степени шунтировать магнитные потоки, создаваемые токами обмоток 5 и 6, по периметру статора 3, в направлении участков статора 3 между зубцами без обмотки. Это снижает магнитную индукцию на его зубцах. Уменьшение магнитного сопротивления экранов 7-10 (кроме увеличения их площади) может быть осуществлено также за счет увеличения их толщины.
На фиг. 2, 3 и 7 показаны экраны, состоящие из плотно прилегающих друг к другу набора пластин из электротехнической стали. Таким образом, регулирование магнитного сопротивления экранов может осуществляться за счет изменения радиальных и осевых размеров экранов.
Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толщине экрана, имеющего повышенную магнитную проницаемость. Материал экрана должен обладать магнитной проницаемостью значительно больше магнитной проницаемости окружающей среды (см. "Материалы для магнитных сплавов" Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов», Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет, Томск, 2005, изд-во ТПУ, стр. 4, 5).
Однофазный генератор переменного тока с кольцевой обмоткой статора работает следующим образом.
В подключенном к нагрузке однофазном генераторе переменного тока в ходе вращения вала ротора 1 магнитные полюса взаимодействуют с зубцами статора 3 (фиг. 8 и 9). На фиг. 8 и 9 показаны основные фазы рабочего состояния генератора, поясняющие его работоспособность.
В фазе вращения вала ротора 1, изображенной на фиг. 8, магнитная индукция полюсов магнитов 2 ротора создает через минимальный воздушный зазор с зубцами статора 3 магнитные потоки Ф1 и Ф2, пронизывающие обмотки 5 и 6. При этом токи этих обмоток 5 и 6 под воздействием подключенной нагрузки 12, образуют магнитные потоки Ф3 и Ф4, имеющие одинаковое направление и которые замыкаются между собой по периметру статора 3, через экраны 7-10, тем самым уменьшая уровень магнитной индукции, созданный обмотками 5 и 6 на зубцах статора 3.
Аналогично, в следующей фазе вращения, изображенной на фиг. 9, при повороте вала ротора на 90° будут происходить такие же процессы замыкания магнитных потоков, но только их направление изменится на противоположное. При этом, на выходе генератора сменится полярность электрического сигнала. Благодаря периодичности смены фаз (фиг. 8, 9) при вращении ротора 1 на выходе генератора образуется непрерывный переменный ток.
Замыкание создаваемых токами обмоток 5 и 6 магнитных потоков Ф3 и Ф4 между собой по периметру статора 3 и их шунтирование экранами 7-10 уменьшает уровень магнитной индукции на зубцах статора 3, тем самым снижаются степень торможения магнитных полюсов ротора в процессе вращения вала ротора 1 и механические затраты, что приводит к увеличению КПД однофазного генератора переменного тока.
Таким образом, использование изобретения позволяет повысить КПД в однофазных генераторах переменного тока при одновременном упрощении конструкции самого генератора.