ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
ALTERNATE CURRENT GENERATOR WITH COMBINED EXCITATION

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к генераторам электрической энергии автономных источников питания.
Известен генератор переменного тока (United States Patent №4959577, Radomski, September, 1990), содержащий шихтованный статор с многофазной обмоткой, ротор с полюсами, охватывающими вращающуюся обмотку возбуждения, питаемую через контактные кольца, постоянные магниты, расположенные в межполюсном пространстве. Постоянные магниты имеют намагниченность в направлении касательной к расточке статора. Достоинством этого генератора является комбинированное возбуждение, при котором магнитный поток образуется из двух составляющих: магнитного потока, созданного обмоткой возбуждения, и магнитного потока, созданного постоянными магнитами. Это позволяет повысить удельные энергетические показатели. Но данная конструкция не позволяет выполнить возбуждение бесконтактным, что снижает надежность генератора и его ресурс. Межполюсное пространство имеет малые размеры, поэтому размещенные в нем магниты создают небольшой магнитный поток, что не позволяет получить максимально возможные удельные энергетические показатели. Расположение магнитов с тангенциальным намагничиванием усложняет сборку ротора, делая изделие менее технологичным.
Наиболее близким по техническому решению является генератор переменного тока (Патент на изобретение РФ 2244996, Ганджа С.А., Соломин Е.В., Шауфлер А.Д., июль 2003), содержащий статор из двух шихтованных пакетов, впрессованных в массивный магнитопровод, и многофазную обмотку, неподвижную обмотку возбуждения с каркасом, закрепленным между шихтованными пакетами, ротор с укороченными полюсами, охватывающими обмотку возбуждения. При этом шихтованные пакеты статора располагаются внутри ротора, обмотка возбуждения размещена между шихтованными пакетами статора, а в межполюсное пространство ротора вставляются постоянные магниты, имеющие радиальную намагниченность.
В известном техническом устройстве введение в цепь возбуждения генератора радиально намагниченных магнитов позволяет улучшить удельные энергетические показатели генератора, но при этом согласно описанию изобретения постоянные магниты расположены только на половине активной поверхности ротора, оставшуюся часть составляют полюса из магнитомягкого материала, не являющиеся источником энергии возбуждения. Это не позволяет в полной мере использовать объем и активную площадь ротора.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение энергетических показателей генератора и обеспечение возможности получения напряжения повышенной частоты при низких скоростях вращения генератора.
Указанная задача достигается тем, что генератор переменного тока содержит статор, состоящий из двух шихтованных пакетов с многофазной обмоткой, впрессованных в массивный магнитопровод, неподвижной обмотки возбуждения, расположенной между шихтованными пакетами статора и ротор с укороченными полюсами. При этом полюса выполнены в виде намагниченных радиально и укороченных в аксиальном направлении постоянных магнитов, причем укорочение для полюсов разной полярности выполнено с противоположных сторон и на место укорочения добавлена вставка из магнитомягкого материала. Число полюсов ротора отличается от числа зубцов статора на один или два. Обмотка статора состоит из катушек, каждая из которых надета на два расположенных друг против друга зубца обоих шихтованных пакетов.
Замена полюсов из магнитомягкого материала, полюсами в виде постоянных магнитов со вставкой из магнитомягкого материала, аксиальная длина которой существенно меньше (в два- три раза) половины длины ротора, как это имеет место в прототипе, позволяет соответственно увеличить полезный магнитный поток и, тем самым, повысить удельные энергетические показатели генератора. Использование интерференционной конструкции электрической машины, имеющей количество полюсов (далее по тексту p) и зубцов (далее по тексту z), отличающееся на один или два позволяет, во-первых, обеспечить электрическую редукцию в генераторе, когда частота вращения поля статора генератора оказывается в n раз выше частоты вращения ротора, где n определяют по выражению n=(z-p)/p, что нужно для получения повышенной частоты напряжения на выходе генератора при малой скорости вращения ротора. Во-вторых, неравенство z и p позволяет существенно понизить реактивный момент, возникающий между постоянными магнитами ротора и зубцами статора, так как в каждый момент времени через точку максимума такого момента переходит только одна пара полюсов. В случае равных или кратных значений z и p в точке максимума момента оказываются сразу все зубцы. Изготовление обмотки статора в виде катушек, надетых сразу на два зубца обоих пакетов, упрощает технологию его изготовления и позволяет улучшить энергетические показатели генератора, так как при этом в создании ЭДС генератора участвует часть поверхности магнитных полюсов, находящаяся между статорами.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлена конструктивная схема генератора. Такая схема может быть использована как для нормального исполнения электрической машины, когда ротор находится внутри статора, так для обращенного, когда ротор охватывает статор. Пояснение изобретения приводится для конструкции нормального исполнения.
На фиг.1 изображен поперечный разрез генератора, на фиг.2 - вид сбоку, на фиг.3 изображена развертка ротора по наружному диаметру.
Генератор состоит из статора и ротора. Статор содержит магнитопровод 1, в котором установлены два шихтованных пакета 2 и 3 из магнитомягкого материала с зубцами 4. Рассмотрим пример, когда z=9, p=10. Магнитные оси зубцов 4 в шихтованных пакетах 2 и 3 в осевом направлении совпадают. На каждой паре совпадающих в осевом направлении зубцов 4 установлена катушка 5 с обмоткой. В совокупности катушки 5 образуют многофазную обмотку статора. В промежутке между шихтованными пакетами 2 и 3 в магнитопроводе 1 выполнено углубление, в котором установлена неподвижная обмотка возбуждения 6, создающая поток в аксиальном направлении. Ротор содержит индуктор 7, на который наклеены полюса из постоянных магнитов 8, намагниченных в радиальном направлении, и закреплены вставки из магнитомягкого материала 9. Технологически индуктор 7 и вставки 9 могут быть выполнены в виде одной детали, т.е. вставки 9 изготовляются как выступы на индукторе 7 с высотой, равной высоте постоянных магнитов 8.
Генератор работает следующим образом. При отсутствии тока в неподвижной обмотке возбуждения 6 его функционирование ничем не отличается от работы общеизвестного синхронного генератора переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.
При этом поток, создаваемый магнитом 8, через воздушный зазор поступает в зубцы 4 шихтованных пакетов статора 2 и 3, находящихся над этим магнитом. Отсюда поток по магнитопроводу 1 проходит на соседнюю пару зубцов 4 шихтованных пакетов статора 2 и 3, находящуюся над магнитом противоположной полярности. Из этих зубцов поток через воздушный зазор и соседний магнит противоположной полярности 8 поступает в индуктор 7, по которому замыкается на исходный магнит 8. При вращении ротора из-за чередования полюсов под полюсами 4 шихтованных пакетов 2 и 3 изменяется величина и направление потока через зубцы и в катушках 5 обмотки статора наводится переменная ЭДС.
Теперь предположим, что по обмотке возбуждения 5 протекает ток, создающий поток, направление которого показано стрелкой (фиг.1). Этот поток проходит через магнитопровод 1, поступает в те зубцы 4 пакета статора 3, которые в данный момент находятся над вставкой из магнитомягкого материала 9, из них через воздушный зазор проходит во вставки 8, откуда в индуктор 6. По индуктору поток поступает на вставки 8 соседнего полюса ротора (за плоскостью чертежа фиг.1). Из этих вставок поток через воздушный зазор поступает в соседние зубцы 4 пакета статора 2 (фиг.1 показано пунктиром) и замыкается через магнитопровод 1. Таким образом, поток через шихтованный пакет статора 2 выходит из зубца 4 в индуктор 7, а в соседнем (за плоскостью чертежа) зубце 4 шихтованного пакета статора 3 входит в зубец 4, т.е. поток в соседних по окружности зубцах 4 имеет разное направление. Точно также и поток от постоянных магнитов 8 в соседних по окружности полюсах 4 имеет разное направление. Если при этом направление потока, создаваемого обмоткой возбуждения 6 в зубцах 4, совпадает с направлением потока, создаваемого магнитами; 8, то происходит подмагничивание генератора и увеличивается выходная ЭДС. При изменении направления тока в обмотке возбуждения 6 происходит уменьшение суммарного потока в зубцах 4, следовательно, уменьшение ЭДС генератора.
Важно, что поток, создаваемый обмоткой возбуждения 6, может замыкаться только через вставки 9 и не замыкается через магниты 8, так как магнит 8 для потока от обмотки возбуждения эквивалентен воздушному зазору и его высота значительно больше рабочего воздушного зазора между вставками 9 и зубцами 4. Поэтому этот поток практически не может изменить магнитного потока, создаваемого магнитами 8. Он может только прибавляться или вычитаться из него. Изменяя аксиальную длину вставки 9 от нуля до полной длины ротора, можно изменять свойства генератора от нерегулируемого до генератора с электромагнитным возбуждением. Следовательно, длина вставки 9 определяется требуемой глубиной регулирования напряжения на выходе генератора в известном диапазоне нагрузок. Практически она не превышает 20% от аксиальной длины ротора.