БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
BRUSHLESS SYNCHRONOUS GENERATOR WITH PERMANENT MAGNETS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к бесколлекторным электрическим машинам, в частности электрогенераторам переменного тока, и может быть использовано в областях науки и техники, где требуются автономные источники питания.
Близкое к заявляемому техническому решению является «Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами» [патент №2565775, опубл. 20.10.2015], состоящий из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор, на котором закреплено четное количество постоянных магнитов, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, устройство для выпрямления электрического тока. Постоянные магниты образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты ориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из обмоток электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению n=6+2k, где k - целое число. Количество электромагнитов в бесколлекторном синхронном генераторе, как правило, не меньше (n+2).
Основным недостатком указанного бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами является применение большого количества выпрямительных блоков, каждый из которых соединен с обмоткой электромагнита. Это обуславливает дополнительные потери мощности в синхронном генераторе и, соответственно, повышает его активное сопротивление.
Задачей изобретения является одновременное улучшение  пусковых и эксплуатационных характеристик генератора за счет уменьшения момента страгивания и снижения электрических и магнитных потерь и уменьшения количества выпрямительных блоков, подключаемых к обмоткам электромагнитов. Общим критерием  является оптимизация конструкции  магнитной системы, исходя из условия  обеспечения минимума массы используемых активных материалов для изготовления бесколлекторного синхронного генератора.
На фиг.  приведен внешний вид предлагаемого бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами в сборе, а также отдельно ротор генератора.
Предложен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами, в котором каждый электромагнит образует независимую от других электромагнитов замкнутую магнитную цепь, в состав которой входит неподвижный подковообразный электромагнит 3 с одной или двумя обмотками 4 (на фиг.  показана одна обмотка), подвижные постоянные магниты 5, расположенные на роторе двумя параллельными рядами с продольно-поперечной чередующейся полярностью и удерживаемые относительно друг друга алюминиевыми стаканами 6, снабженными крышками 7, ферромагнитная пластина 9, шунтирующая разноименные полюса постоянных магнитов и служащая для проведения магнитного потока по замкнутому пути.  Постоянные магниты 5 закреплены на роторе таким образом, что образуют два ряда полюсов. Например, для синхронного генератора с шестью подковообразными электромагнитами 3 и девятью постоянными магнитами 5 в одном ряду порядок полюсов постоянных магнитов выбирается N-N-S-N-N-S-N-N-S или то же, но с противоположной полярностью. В конструкции генератора имеется две группы подковообразных электромагнитов 3, полюса которых ориентированы в пространстве относительно друг друга на угол 120 градусов. На внешней боковой поверхности ротора 2 двумя рядами расположены постоянные магниты 5 таким образом, что постоянные магниты одного и другого ряда обращены к полюсам подковообразных электромагнитов противоположными полюсами.  При вращении ротора в обмотках 4 подковообразных электромагнитов 3, относящихся к одной группе, индуктируются ЭДС, совпадающие по фазе. Совпадение начальных фаз наводимых ЭДС в обмотках подковообразных электромагнитов каждой группы позволяет исключить присоединение выпрямительного блока к выводам каждой обмотки электромагнита, а значит  использовать один выпрямительный блок на выходе синхронного генератора, соединив выводы обмоток, соответствующих одной группе, последовательно/параллельно.
Постоянные магниты 5 закреплены на внешней боковой поверхности ротора любым образом, например, размещены в пазах и/или удерживаются специальным устройством (на фиг. не показано). Сердечники подковообразных электромагнитов 3 закреплены на статоре 1 в прорезях при помощи удерживающих скоб или иного удерживающего устройства (на фиг. не показано).
На роторе 2 с одинаковым шагом закреплено n постоянных магнитов 5, на статоре 1 выполнены прорези для установки в них n-3  подковообразных электромагнитов 3, имеющих по одной или две обмотки 4, устройство для выпрямления электрического тока (на фиг. не показано). Постоянные магниты 5 размещены в стаканах 6, снабженными крышками 7, которые закреплены с одной стороны стакана 6, таким образом, чтобы постоянные магниты 5 были закрыты внутри стакана 6, стаканы закреплены между двумя жесткими пластинами 8 (на фиг.  показана только одна пластина), имеющих центральное отверстие для размещения вала бесколлекторного синхронного генератора (вал на фиг. 1 не показан), для создания замкнутого магнитного потока от двух постоянных магнитов через подковообразный электромагнит со стороны обращенной к валу генератора закреплена ферромагнитная пластина 9, шунтирующая разноименные полюса постоянных магнитов и служащая для проведения магнитного потока по замкнутому пути. Две жесткие пластины 8, между которыми размещены стаканы 6 с крышками 7, ферромагнитные пластины 9 и постоянные магниты 5 образуют ротор 2, располагаемый на валу бесколлекторного генератора, согласно предложенному техническому решению, подковообразные электромагниты 3 выполнены из аморфного железа закреплены на статоре,  количество постоянных магнитов  в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=6+3k, где k - целое число из натурального ряда, принимающее значения 1, 2, 3 и т.д., количество подковообразных электромагнитов в генераторе, не меньше (n-3), причем для случая n=9 порядок чередования полюсов постоянных магнитов расположенных на основании 9 по окружности в одном ряду и обращенных к подковообразным электромагнитам должен быть следующим: N-N-S-N-N-S-N-N-S, так как указанное чередование полюсов постоянных магнитов позволяет уменьшить момент страгивания и исключить при последовательном/параллельном соединении обмоток электромагнитов, относящихся к одной группе операцию выпрямления напряжения на каждой обмотке подковообразного электромагнита, т.е. позволит установить только один выпрямительный блок на выходе последовательно/параллельно соединенных обмоток электромагнитов, относящихся к одной группе.
Применение аморфного железа для изготовления сердечников подковообразных электромагнитов позволяет повысить технологичность изготовления генератора, уменьшить его массу и габаритные размеры, снизить потери на вихревые токи на используемых частотах вращения ротора генератора до 800 об/мин, вследствие высокого удельного сопротивления, большой магнитной индукции технического насыщения и низкой коэрцитивной силы аморфного железа по сравнению с магнитными свойствами электротехнической стали.
Рассмотрим работу предлагаемого бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами.
От внешнего приводного двигателя (источника механической энергии), например, ветроколеса (на фиг. не показано)  момент вращения передается на вал синхронного бесколлекторного генератора. Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор 2 генератора вращается, т.е. вал  вместе с закрепленными на нем ротором 2 приводится во вращение. На роторе 2 закреплены постоянные магниты 5, которые при вращении создают переменный магнитный поток в сердечниках подковообразных электромагнитов, изготовленных из аморфного железа, размещенных на неподвижном статоре 1, и в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотках 4 наводится ЭДС, причем начальные фазы индуктированной ЭДС в обмотках электромагнитов, относящихся к одной группе, будут одинаковыми. В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита вращается с некоторой частотой, поэтому один из полюсов каждого подковообразного электромагнита оказываются в зоне либо северного (N) магнитного полюса, либо в зоне южного (S) магнитного полюса. При этом смена полюсов сопровождается изменением направления магнитного потока в сердечниках электромагнитов и индуктированных ЭДС в обмотках подковообразных электромагнитов. Выводы обмоток 4 электромагнитов, относящихся к одной группе, соединяют последовательно/параллельно, а затем подключают к выпрямительному устройству для выпрямления электрического тока (на фиг. не показано).
Полученное на выводах устройства выпрямленное напряжение может быть использовано, например, для зарядки аккумуляторной батареи с последующим преобразованием постоянного напряжения в переменное с заданными параметрами амплитуды и частоты.
Предложенная конструкция  магнитной системы удовлетворяет выбранным критериям оптимальности, обеспечивает возможность регулирования положения подковообразных электромагнитов и  изменение межполюсного зазора между подковообразными электромагнитами статора и закрепленными на роторе постоянными магнитами, а также улучшает технологичность сборки магнитной системы генератора в целом, снижает момент страгивания и уменьшает число выпрямительных блоков.