МНОГООБМОТОЧНЫЙ НИЗКООБОРОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР
MULTI-WINDING LOW-SPEED GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике, а именно к низкооборотным бесколлекторным электрическим машинам, преобразующим механическое вращательное движение в переменный электрический ток, и может быть использовано в энергетике, на транспорте или в качестве автономного источника электрического тока.
Уровень техники
Известен дисковый электрогенератор (RU 2627031 C1, опубл. 03.08.2017), содержащий первый корпус и второй корпус, а также первый комплект магнитов и второй комплект магнитов. Плоскость, где расположен первый комплект магнитов, параллельна плоскости, где расположен второй комплект магнитов, и однонаправленное магнитное поле формируется между первым комплектом магнитов и вторым комплектом магнитов. Якорь расположен параллельно к плоскости, где расположен первый комплект магнитов и размещен между первым комплектом магнитов и вторым комплектом магнитов. Якорь содержит панель, на которой расположены многочисленные катушки, неподвижно установленные в центре панели через равные интервалы по кругу на одной плоскости. Катушки имеют спиральную форму. Многочисленные катушки электрически соединены друг с другом посредством контуров на панели.
К недостаткам данного генератора следует отнести: большие массогабаритные показатели и невысокий КПД.
Известен тихоходный торцевой синхронный генератор (RU 2446548 C1, опубл. 27.03.2012), содержащий ротор, выполненный в виде диска из немагнитного материала с системой возбуждения на постоянных магнитах, и статор с катушками, состоящий из секций, при этом в каждой секции статор выполнен из одного кольцевого магнитопровода, расположенного параллельно ротору и закрепленного на ребрах жесткости каркаса бескорпусного генератора, катушки статора размещены полностью в пазах, не выступая за пределы магнитопровода, в системе возбуждения постоянные магниты расположены на диске ротора с одной его боковой стороны параллельно магнитопроводу статора, причем роторы каждой секции расположены на одном валу.
К недостаткам данного генератора следует отнести: 1) использование схемы с одним статором и одним ротором, что увеличивает материалоемкость и габариты устройства; 2) отсутствие магнитопровода статора, что приводит к снижению величины магнитного потока и, как следствие, индуцируемой ЭДС и КПД устройства; 3) высокий момент страгивания.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является "Торцевой генератор переменного тока" (SU 1835116 А3, опубл. 15.08.1993), содержащий корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух связанных между собой дисковых магнитопроводов и аксиально намагниченных постоянных магнитов, которые расположены дискретно по окружности обращенных одна к другой стороне магнитопроводов, статор в виде диска из электроизоляционного материала с катушками рабочей обмотки, с элементами для регулирования величины воздушных зазоров между ротором и статором.
Недостатком устройства являются низкий КПД и низкая удельная мощность генератора, вызванные как потерей магнитной энергии в зазоре магнитопровода, так и неэффективной работой цилиндрических катушек статора из-за того, что часть времени один магнитный поток наводит встречную ЭДС в обоих половинках катушки, высокая материалоемкость и вес.
Заявленное изобретение устраняет указанные недостатки и позволяет достичь заявленный технический результат.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, которую решает предлагаемое решение, является создание высоконадежного и высокоэффективного многообмоточного низкооборотного генератора с повышенным КПД, увеличенной величиной магнитного потока, повышенной отдаваемой генератором мощностью и пониженной материалоемкостью, работающего с более широким диапазоном частот вращения.
Технический результат заключается в повышении его КПД, увеличении величины магнитного потока, повышении отдаваемой генератором мощности, обеспечении возможности регулирования вольт-амперных характеристик генератора, снижении материалоемкости и веса.
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата многообмоточный низкооборотный генератор содержит вал, закрепленные на валу ротор, выполненный в виде двух дисковых магнитопроводов, на которых размещены аксиально намагниченные постоянные магниты с чередующейся полярностью, и статор, выполненный в виде диэлектрического диска с катушками обмоток, расположенный между двумя дисковыми магнитопроводами, причем катушки обмоток имеют форму трапеции, выполнены изогнутыми в вертикальной плоскости таким образом, что прямолинейные участки соседних обмоток расположены друг над другом, при этом на каждую катушку приходится четыре магнита.
Катушки обмоток сгруппированы в четыре секции, каждая из которых состоит из трех катушек.
Четыре секции катушек выполнены синфазными.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - Конструкция генератора;
Фиг.2 - Схема расположения магнитов для 4-х фазного генератора;
Фиг.3 - Схема расположения 4-х секций катушек обмоток статора;
Фиг.4 - Форма катушки обмоток статора (вид с торца);
Фиг.5 - Схема взаимодействия магнитного потока и катушек обмоток статора;
Фиг.6 - Схема коммутации обмоток при различных скоростях вращения ротора.
На фигуре цифрами обозначены следующие элементы:
1 - верхний и нижний дисковый магнитопровод;
2 - аксиально намагниченные постоянные магниты;
3 - диэлектрический диск с катушками обмоток статора;
4 - полый вал генератора;
5 – подшипники;
6 - катушки обмоток статора;
7 - выводы статорных обмоток;
I - подключение обмоток при низкой частоте вращения;
II - подключение обмоток при номинальной;
III - подключение обмоток при повышенной частоте вращения.
Осуществление изобретения
Заявленный генератор содержит ротор с постоянными магнитами, статор с катушками обмоток, приводной вал, на котором закреплены ротор и статор.
Ротор выполнен внешним с возможностью вращения, в виде двух соосных дисковых магнитопроводов 1, на которых размещены аксиально намагниченные постоянные магниты 2 с чередующейся полярностью, при этом магниты на разных магнитопроводах обращены друг к другу противоположными полюсами. Магнитопроводы 1 через подшипники 5, опираются на вал 4 генератора (фиг.1,2).
Статор выполнен в виде диэлектрического диска 3 с высокой теплопроводностью, расположенного между магнитопроводами 1 с аксиально намагниченными постоянными магнитами 2, жестко закрепленного на валу 4 с помощью фланца.
Внутри диэлектрического диска 3 размещены катушки обмоток 6 статора, которые имеют форму трапеции, частично перекрываются друг другом и сгруппированы в четыре секции, каждая из которых состоит из трех катушек (фиг.3), причем каждая катушка 6 расположена между четырьмя аксиально намагниченными постоянными магнитами 2 (фиг.5).
Вал 4 выполнен полым, с отверстиями для выводов 7 наружу статорных обмоток.
Катушки обмоток 6 статора выполнены изогнутыми в вертикальной плоскости таким образом, что прямолинейные участки соседних обмоток расположены друг над другом (фиг.4), за счет чего достигается уменьшение толщины катушек и соответственно уменьшение общей толщины статора, при этом, в отличии от известных из уровня техники решений, в которых на каждую катушку приходится по два магнита, в заявленном решении на каждую катушку приходится по четыре магнита, т.е каждая катушка статора расположена между, установленными друг на против друга, парой соседних магнитов одного дискового магнитопровода ротора и парой соседних магнитов другого дискового магнитопровода ротора  (по два сверху и снизу от статора), за счет чего достигается увеличение величины магнитного потока, пересекающего витки катушек.
Таким образом, за счет выполнения катушек обмоток вышеуказанным образом, достигается уменьшение толщины катушек и соответственно общей толщины статора, а также увеличение величины магнитного потока, пересекающего витки катушек, что в свою очередь обеспечивает повышение КПД генератора.
Кроме того, за счет частичного (в местах наложения друг на друга прямолинейных участков соседних обмоток) перекрытия катушек обмоток статора удалось увеличить общее число катушек при неизменных габаритах и повысить отдаваемую генератором мощность.
Поскольку все четыре секции синфазны, то обеспечивая их коммутацию можно достигать либо повышенного напряжения на выходе генератора при малых оборотах, либо повышенного тока при высоких оборотах. Получение большего напряжения при малых оборотах и большего тока при высоких за счет возможности автоматической коммутации обмоток обеспечивает дополнительное повышение КПД.
Подобного выполнения обмоток генератора для повышения его эффективности и возможности регулирования вольт-амперных характеристик не встречается ни в приведенных аналогах, ни в других источниках.
При показанном на Фиг.5 положении статора и ротора магнитный поток, пересекающий катушки обмоток статора максимален. При повороте ротора на угол α/2 (Фиг. 2) магнитный поток через обмотку минимален. Ещё через α/2 магнитный поток меняет направление на противоположное и формируется вторая полуволна переменного напряжения. Поскольку на каждую катушку приходится четыре магнита, то ЭДС наводится синхронно во всех катушках одной фазы удвоенным магнитным потоком, что повышает общий КПД генератора.
Таким образом, в каждой из четырех секций, состоящих из трех последовательно соединенных катушек, наводится ЭДС равное U и ток равный I. Поскольку ЭДС секций синфазно, то появляется возможность управлять суммарным напряжением и отдаваемым генератором током, как показано на Фиг. 6 и легко может быть реализовано автоматическое регулирование по алгоритму:
0<f
<0,7f
I
0,7f
<f
<1,4f
II
f
>1,4f
III
вр
ном
ном
вр
ном
вр
ном
— режим ; — режим ; — режим ,
f
вр
где  — частота вращения ротора.
I
U
=4U, I
=I
вых
вых
В режиме  суммарное напряжение и ток генератора равняется ;
II
U
=2U, I
=2I
вых
вых
В режиме  суммарное напряжение и ток генератора равняется ;
III
U
=U, I
=4I
вых
вых
В режиме  суммарное напряжение и ток генератора равняется .
Учитывая линейную зависимость выходного напряжения генератора от частоты его вращения, данное решение позволило получить необходимое значение выходного напряжения и тока генератора в три раза более широком диапазоне частот вращения. например, от 10 до 400 об/мин, без использования ограничений по напряжению и току, а также балластной нагрузки. При этом созданный прототип мощностью 1 кВт весил всего 17 кг, в то время как аналоги от 36 кг до 150 кг.