СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электромеханики, а именно к бесконтактным синхронным генераторам и может быть использована в системах электроснабжения малой и средней мощности.
Известны бесконтактные синхронные генераторы с безобмоточным ротором, выполненным из отдельных равномерно распределенных по окружности ферромагнитных скоб П-образной формы статором и сосредоточенными, охваченными стержнями неподвижными обмотками возбуждения и якоря [Бесконтактные электрические машины. - Рига: Зинатне, вып.IX, 1970 г., с.25.].
В этих генераторов, практически исключается возможность их применения, из-за наличия значительной переменной составляющей ЭДС в обмотке возбуждения и обусловленные ее присутствием недопустимый уровень пульсации потокосцепления обмоток якоря, явно выраженной несинусоидальности формы кривой напряжения.
Недостаток этих электрических машин состоит также в том, что они имеют значительные потери в обмотках и магнитопроводе и пригодны лишь для генерирования электроэнергии однофазного переменного тока.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является синхронный генератор описанный в патенте США №3, 588, 559, МПК Н02К 17/42, опубл. 1971 г.]. Этот генератор содержит безобмоточный ротор, статор, образованный установленными соосно с валом тремя обмотками и четным числом (равным 2р) равномерно размещенных по окружности П-образных ферромагнитных скоб, причем средняя и одна из боковых статорных обмоток охвачена одной группой из «р» расположенных через одну ферромагнитных скоб, средняя и другая боковая статорная обмотка охвачена другой группой из «р» ферромагнитных скоб и указанные группы скоб сдвинуты вдоль оси не менее чем на ширину статорной обмотки.
Недостатками генератора являются значительные потери в стали ротора от вихревых токов даже при выполнении его шихтованным, вследствие замыкания этих токов вдоль, а не поперек листов и сложная, связанная с нерациональным использованием стали технология изготовления магнитопроводов статора и ротора, характеризующаяся наличием отходов. К тому же область применения генератора ограничено системами генерирования однофазного переменного тока.
Технической задачей полезной модели является уменьшение потерь от вихревых токов и безотходной технологией изготовления магнитопроводов ротора и статора.
Техническим результатом синхронного электрического генератора является то, что магнитная система его обладает более широкими функциональными возможностями за счет способности его без усложнения конструкции генерировать трехфазный переменный ток, который достигается тем, что в известном синхронном электрическом генераторе, содержащем безобмоточный ротор, установленные соосно с валом три статорные обмотки и 2р равномерно размещенных по окружности П-образных ферромагнитных скоб, причем средняя и одна из боковых статорных обмоток охвачена одной группой из «р» расположенных через одну ферромагнитных скоб, средняя и другая боковая статорная обмотка охвачена другой группой из «р» ферромагнитных скоб и указанные группы скоб сдвинуты вдоль оси не менее чем на ширину статорной обмотки, П-образные скобы своими концами ориентированы вдоль оси машины и скобы одной группы направлены в противоположную сторону относительно скоб другой, а ротор выполнен в виде двух торцевых магнитных систем, расположенных по разные стороны статора, каждая из которых образована «р» ферромагнитными элементами, имеющими форму П-образных скоб, равномерно размещенных по окружности с шагом, равным шагу скоб статорных групп и образующих с ними замкнутые магнитные контуры, имеющие в продольном сечении генератора вид целостного витого магнитопровода, разделенного на две части воздушным зазором и при этом П-образные ферромагнитные скобы одной торцевой магнитной системы ротора ориентированы встречно скобам другой его торцевой магнитной системы.
Кроме того, в синхронном электрическом генераторе торцевые магнитные системы могут быть установлены со сдвигом друг относительно друга на 1/3 зубцового деления статора, их ферромагнитные элементы полностью или частично выполнены из магнитотвердого материала и установлены после их намагничивания таким образом, что образуют систему чередующихся по окружности магнитных полюсов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны продольный и поперечный разрезы однофазного генератора с электромагнитным возбуждением, на фиг.2 целостный магнитопровод, из котрого после его разрезания получают элементы магнитных систем статора и ротора. На фиг.3, 4., 5, показаны элементы, введение которых в конструкцию генератора расширяет его функциональные возможности до способности генерирования не только однофазного, но и трехфазного переменного тока без утраты безотходной технологии его изготовления.
Синхронный электрический генератор содержит безобмоточный ротор 1, установленные соосно с валом три статорные обмотки 2, 3 и 4 и 2р равномерно размещенных по окружности П-образных ферромагнитных скоб 5 и 6, причем средняя 3 и одна из боковых статорных обмоток 4 охвачена одной группой из «р» расположенных через одну ферромагнитных скоб 5, а средняя 3 и другая боковая статорная обмотка 2 охвачена другой группой из «р» ферромагнитных скоб 6 и указанные группы скоб сдвинуты вдоль оси не менее чем на ширину средней статорной обмотки 3. П-образные ферромагнитные скобы статора 5 и 6 своими концами ориентированы вдоль оси генератора O-O. При этом скобы 5 одной группы направлены в противоположную сторону относительно скоб 6 другой их группы. Ротор генератора 1 выполнен в виде двух торцевых магнитных систем, расположенных по разные стороны статора. Каждая из магнитных систем ротора 1 образована «р» ферромагнитными элементами, выпоненными в виде П-образных скоб 7 и 8, выполненных из магнитомягкого материала и равномерно размещенных по окружности на закрепленных на валу 9 дисках 10 с шагом, равным шагу скоб статорных групп и образующих с ними при размещении их торцов напротив торцов статорных скоб замкнутые магнитные контуры, имеющие в продольном сечении генератора вид целостного витого магнитопровода 11 (фиг.2), разделенного на две части (5 и 7 на фиг.1) воздушным зазором δ, причем П-образные ферромагнитные скобы одной торцевой магнитной системы ротора расположены напротив другой его торцевой магнитной системы. Обмотка 3 (обмотка возбуждения) служит для создания магнитного поля в генераторе, а с обмоток 2 и 4 (обмоток якоря) генерируемая в нем электрическая энергия трансформируется в нагрузку. Ферромагнитные скобы статора 5, 6, и ротора 7, 8 выполнены из витых сердечников, изготовленных из ленты текстурированной электротехнической стали по технологии изготовления витых сердечников магнитных усилителей, дросселей и трансформаторов. Для исключения образования отходов, требуемые размеры ферромагнитных скоб обеспечиваются применением для каждого типоразмера генератора соответствующим выбором размеров специально изготовленного применительно к нему шаблона, на который производится навивка ферромагнитной ленты. Навивка ленты вдоль направления прокатки и совпадение с ним силовых линий магнитного поля в ферромагнитных скобах обеспечивают максимальное использование магнитных свойств стали.
Отсутствие углового смещения торцевых магнитных систем ротора друг относительно друга позволяет исключить появление переменной составляющей в потокосцеплении и ЭДС обмотки возбуждения и искажения вследствие этого формы кривой напряжения генератора.
Синхронный электрический генератор работает следующим образом.
Работа генератора практически характеризуется периодическим изменением магнитной проводимости воздушного зазора между торцевыми поверхностями П-образных скоб статора и ферромагнитными элементами ротора при его вращении.
При размещении торцевых поверхностей скоб статора и ротора друг против друга проводимость воздушного зазора на длине полюсного деления статора максимальна, а после поворота его на половину полюсного деления статора (когда торцевые поверхности П-образных скоб ротора располагаются между торцевыми поверхностями скоб статора) она минимальна. Частота пульсаций магнитной проводимости при вращении ротора
f=pn/60,
где n - частота вращения ротора.
С такой же частотой без изменения знака (направления) пульсируют магнитный поток в каждой П-образной скобе статора и потокосцепления обмоток 2 и 4. Магнитный поток, пронизывающий поперечное сечение обмотки возбуждения 3, вследствие сдвига переменных составляющих магнитного потока в обращенных в противоположные стороны ферромагнитных скоб статора на 180 электрических градусов, от угла поворота ротора не зависит и равен сумме постоянных составляющих магнитных потоков в ферромагнитных скобах статора, обращенных в одну и ту же сторону.
Для расширения области применения полезной модели, которая ограничена системами электроснабжения однофазного переменного тока, можно полностью сохранив конструктивные элементы и их взаимное расположение в генераторе, сдвинуть торцевые магнитные системы ротора на одну треть полюсного деления статора и ферромагнитные элементы этих систем выполнить, а целиком или частично из магнитотвердого материала (из сплавов постоянных магнитов) с установкой их после намагничивания на места скоб, изготовленных из магнитомягккого материала, причем так, чтобы образовалась система чередующихся по окружности полюсов. Ферромагнитные скобы статора в этом случае исполнения генератора выполняются разрезанием витого сердечника с соответствующими размерами на две равные части, а обмотка возбуждения 3 в нем выполняется с тем же числом витков и таких же размеров, как и обмотки 2 и 4. В совокупности же обмотки 2, 3 и 4 при введении в магнитную цепь генератора постоянных магнитов и соединении их в звезду или треугольник образуют трехфазную обмотку.
На фиг.3, 4 и 5 в качестве примера показаны схема размещения и ориентция полюсов постоянных магнитов 12 на обращенной к торцам статорных скоб поверхности дисков 10 и конструктивные варианты исполнения ферромагнитных скоб ротора при изготовлении их полностью (фиг.4) и частично (фиг.5) из сплавов постоянных магнитов. На фиг.6 приведена векторная диаграмма, поясняющая принцип формировния трехфазной обмотки в генераторе с возбуждением от постоянных магнитов. На фиг.7 показана электрическая схема соединения обмоток 2, 3 и 4 в звезду.
Постоянные магниты 12 на фиг.3 и 4 изготовлены целостными в виде П-образных скоб, а на фиг.5 призматической формы с объединяющим их полюсы ярмом 13. При выполнении дисков 10 ротора из ферромагнитного материала они выполняют функции ярма для всех расположенных на каждом из них постоянных магнитов
2
4
3
Преобразование магнитной системы генератора из однофазной в трехфазную простой заменой магнитомягкого ферромагнитного материала магнитотвердым при сдвиге торцевых магнитных систем ротора на треть полюсного деления статора обусловлена тем, что кривые изменения магнитных потоков, сцепленных с витками ω и ω обмоток 2 и 4 смещаются друг относительно друга на 120 электрических градусов, а кривая изменения магнитного потока, сцепленного с витками w обмотки 3, охватывающей распределенные по окружности меньшего радиуса и ориентированные вдоль оси генератора участки ферромагнитных скоб статора, при равной с ними амплитуде оказывается смещенной относительно каждой из этих кривых на 60 электрических градусов, а ее амплитуда равна амплитудам этих кривых. На такие же углы смещены и векторы ЭДС обмоток. Приведенная на фиг.6 диаграмма векторов ЭДС определяет их взаимное расположение при одинаковой ориентации направления их намотки относительно оси машины. Для получения симметричной трехфазной системы векторов ЭДС в этом случае достаточно при соединении обмоток в звезду или треугольник принять за начало обмотки 3 ее конец.
Частота тока генератора с возбуждением от постоянных магнитов вдвое ниже частоты тока генератора с электромагнитным возбуждением при одинаковом с ним числе ферромагнитных элементов торцевых систем ротора, а степень использования магнитного потока и активных материалов выше вследствие отсутствия в магнитолроводе постоянной составляющей магнитного потока.
Использование полезной модели позволяет получить минимальные потери в стали, за счет выполнения ферромагнитных элементов ротора шихтованными и замыкания вихревых токов поперек листов. Кроме того это обеспечивает практически стопроцентное использование ферромагнитного материала заготовок при изготовлении магнитопровода и максимальное использование его магнитных свойств.