СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ АКСИАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
STABILISED AXIAL DC GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам постоянного тока, и может быть использовано, например, для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока.
Известен бесколлекторный (вентильный) генератор постоянного тока (см. Кашин Я.М., Кириллов Г.А, Ракло А.В. Авиационное оборудование самолетов, Ч.1: Мин-во обороны Рос. Федерации, Красн. высш. воен. авиац. уч-ще летчиков. - Краснодар: КВВАУЛ, 2006, с.37-39), содержащий корпус, в котором на одном валу установлены три электрические машины цилиндрической конструкции: подвозбудитель - магнитоэлектрическая синхронная машина с вращающимся индуктором, состоящим из постоянных магнитов с радиально направленным магнитным полем, и неподвижной рабочей обмоткой подвозбудителя; возбудитель - трехфазная синхронная машина с неподвижной обмоткой возбуждения возбудителя и вращающейся рабочей обмоткой возбудителя; основной генератор - трехфазная синхронная машина с вращающейся обмоткой возбуждения генератора и неподвижной рабочей обмоткой генератора и трехфазный выпрямитель.
Однако технология изготовления такого генератора постоянного тока сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора, необходимости выполнения обмоточных работ внутри цилиндрического статора, а качество вырабатываемой генератором электрической энергии недостаточно высоко из-за высокого коэффициента пульсации выпрямленного напряжения. Кроме того, стоимость такого генератора велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является аксиальный бесконтактный генератор постоянного тока (пат. РФ №2402858), содержащий корпус; подвозбудитель, состоящий из постоянных магнитов индуктора подвозбудителя и магнитопровода с рабочей обмоткой подвозбудителя; возбудитель, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с рабочей обмоткой возбудителя; и основной генератор, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с рабочей обмоткой основного генератора, установленные на одном валу. В известном аксиальном генераторе постоянного тока постоянные магниты индуктора подвозбудителя и магнитопроводы, в пазы которых уложены обмотки подвозбудителя, возбудителя и основного генератора, выполнены аксиальными, при этом боковые аксиальные магнитопроводы жестко установлены в корпусе, а постоянные магниты индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод жестко установлены на валу с возможностью вращения относительно боковых аксиальных магнитопроводов, при этом постоянные магниты индуктора подвозбудителя установлены с торца одного бокового аксиального магнитопровода, а внутренний аксиальный магнитопровод установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами. Внутренний аксиальный магнитопровод и боковой аксиальный магнитопровод, с торца которого установлены постоянные магниты индуктора подвозбудителя, выполнены с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами, а другой боковой аксиальный магнитопровод выполнен с одной активной торцовой поверхностью с пазами. В пазы бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны постоянных магнитов подвозбудителя уложена многофазная рабочая обмотка подвозбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, которая подключена к рабочей обмотке подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель. В пазы внутреннего аксиального магнитопровода со стороны обмотки возбуждения возбудителя уложена многофазная рабочая обмотка возбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, которая подключена к рабочей обмотке возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель. В пазы бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью уложена многофазная рабочая обмотка основного генератора, которая подключена к многофазному выпрямителю.
Однако выходное напряжение U такого генератора зависит от частоты вращения постоянных магнитов индуктора подвозбудителя и внутреннего аксиального магнитопровода с многофазной рабочей обмоткой возбудителя и однофазной обмоткой возбуждения основного генератора
U=CwФ,
где С - конструктивный коэффициент, w - частота вращения, Ф - магнитный поток возбуждения.
Возможная установка привода постоянной частоты вращения ухудшает массогабаритные показатели генератора, а также снижает надежность его работы.
Технический результат заявленного изобретения - расширение области применения генератора за счет стабилизации выходного напряжения.
Технический результат достигается тем, что в пазы бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны внутреннего аксиального магнитопровода укладывается дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, а в нижней части корпуса генератора устанавливается регулятор напряжения, состоящий из измерителя отклонений напряжения, предварительного усилителя, блока усиления мощности и силовой части, при этом измеритель отклонений напряжения включен на выходное напряжение генератора, а дополнительная обмотка возбуждения возбудителя подключается к силовой части регулятора напряжения.
Предлагаемое изобретение, выполняя функцию генератора постоянного тока, как и прототип, в то же время в отличие от него позволяет расширить область применения генератора за счет стабилизации его выходного напряжения.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого стабилизированного аксиального генератора постоянного тока в разрезе, на фиг.2 - электрическая схема предлагаемого стабилизированного аксиального генератора постоянного тока.
Стабилизированный аксиальный генератор постоянного тока содержит: корпус 1, постоянный многополюсный магнит 2 индуктора подвозбудителя, боковой аксиальный магнитопровод 3 с многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя, однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя и дополнительной обмоткой 6 возбуждения возбудителя; внутренний аксиальный магнитопровод 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя и однофазной обмоткой возбуждения 9 основного генератора, боковой аксиальный магнитопровод 10 с многофазной (на фиг.2 - девятифазной) обмоткой 11 якоря основного генератора, вал 12, закрепленный в подшипниковых узлах 13 и 14 и жестко связанный с постоянным многополюсным магнитом 2 индуктора подвозбудителя посредством диска 15 и с внутренним аксиальным магнитопроводом 7 посредством диска 16.
Однофазная обмотка возбуждения 5 возбудителя подключается к многофазной обмотке 4 якоря подвозбудителя через многофазный двухполупериодный (на фиг.2 - девятифазный) выпрямитель 17. Однофазная обмотка возбуждения 9 основного генератора подключается к многофазной обмотке 8 якоря возбудителя через многофазный (на фиг.2 - девятифазный) двухполупериодный выпрямитель 18. Многофазная обмотка 11 якоря основного генератора подключается к многофазному (на фиг.2 - девятифазному) двухполупериодному выпрямителю 19.
В нижней части корпуса генератора устанавливается регулятор напряжения 20 (фиг.1, фиг.2), состоящий из измерителя отклонений напряжения 21 (фиг.2), предварительного усилителя 22, блока усиления мощности 23 и силовой части 24, при этом измеритель отклонений напряжения 21 включается на выходное напряжение U генератора (фиг.2), а дополнительная обмотка возбуждения 6 возбудителя подключается к силовой части 24 регулятора напряжения.
Э
Э
Параметры элементов измерителя отклонений напряжения 21 подобраны таким образом, что равновесие моста, состоящего из резисторов R1, R2, R3 и стабилитрона VD1, наступает при выходном напряжении генератора, значительно меньшем его номинального значения. Поэтому при нормальных режимах работы генератора потенциал точки 6 превышает потенциал точки а и с повышением выходного напряжения генератора величина сигнала рассогласования ΔU=φ(U-U) между выходным напряжением U генератора и эталонным напряжением U стабилитрона VD1 возрастает.
Этот непрерывный во времени сигнал усиливается в предварительном усилителе 22 усилителем постоянного тока на транзисторах VT2 и VT3 со стабилизатором тока на транзисторе VT4.
Сигнал от усилителя 22 поступает на вход широтно-импульсного модулятора блока усиления мощности 23, где он преобразуется в последовательность импульсов напряжения. Длительность этих импульсов определяется МДС, создаваемой обмоткой управления Wy магнитного усилителя блока усиления мощности 23, их период повторения - частотой тока встроенного статического инвертора СИ.
Стабилизированный аксиальный генератор постоянного тока работает следующим образом. При вращении постоянного многополюсного магнита 2 индуктора подвозбудителя и внутреннего аксиального магнитопровода 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя и однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора магнитный поток многополюсного постоянного магнита 2 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 3, жестко установленного в корпусе генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 17 и подается на однофазную обмотку 5 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы бокового аксиального магнитопровода 3. При этом в однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя создается магнитный поток.
Созданный магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 18 и подается на однофазную обмотку возбуждения 9 основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7. Магнитный поток однофазной обмотки возбуждения 9 основного генератора взаимодействует с многофазной обмоткой 11 якоря основного генератора, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 10, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 19 и подается в сеть.
э
y
y
Стабилизация выходного напряжения U генератора осуществляется следующим образом. Если выходное напряжение U генератора изменяется (например, при изменении частоты вращения входного вала или изменении нагрузки), то изменяется разность потенциалов между точками а и б (фиг.2), т.е. изменяется величина сигнала рассогласования ΔU=φ(U-U). Например, с понижением выходного напряжения генератора сигнал рассогласования измерителя отклонений напряжения 21 (разность потенциалов между точками а и б) уменьшается, что приводит к уменьшению тока в обмотке управления w магнитного усилителя блока усиления мощности 23. Уменьшение магнитодвижущей силы (МДС), создаваемой обмоткой управления w магнитного усилителя, обусловливает увеличение длительности импульсов на резисторе R7, служащем нагрузкой магнитного усилителя. Эти импульсы управляют работой транзистора VT5 усилителя блока усиления мощности 23. Транзистор VT5 управляет работой транзистора VT1 силовой части 24 регулятора напряжения. При увеличении длительности импульсов на резисторе R7 время открытого состояния транзисторов VT5 и VT1 увеличивается, соответственно увеличивается средняя величина тока возбуждения в дополнительной обмотке возбуждения 6 возбудителя. При этом создается дополнительный магнитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, создаваемым однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя. По принципу суперпозиции магнитных полей магнитные потоки, создаваемые обмоткой 5 и дополнительной обмоткой 6 возбуждения возбудителя, суммируются. Следовательно, наводимая этим суммарным магнитным потоком в обмотке 8 якоря возбудителя ЭДС увеличивается, а значит, увеличивается ток в обмотке возбуждения 9 основного генератора и создаваемый им магнитный поток. ЭДС генератора, создаваемая этим потоком в обмотке 11 якоря основного генератора, а соответственно и выходное напряжение U, увеличивается, стремясь к заданному значению.