ЭЛЕКТРОННО-МАШИННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к бесконтактным вентильным генераторам, предназначенным для работы в безредукторных ветроэнергетических установках.
В документе US 2006/0038460 А1 представлен многополюсный электрический мотор-генератор, содержащий ротор из двух дисков, между которыми установлен магнитопроводящий статор, выполненный в виде кольца с пазами и снабженный секционированной обмоткой, закрепленной на полом валу.
Известный генератор не предназначен для работы на преобразователь, обеспечивающий постоянное напряжение на выходе, так как переключение обмоток осуществляется ступенчато (скачками).
В документе RU 2340068 описана бесконтактная моментная электрическая машина, в частности электрический генератор с постоянными магнитами для мобильных ветроэнергетических установок. Известная электрическая машина с дисковым ротором содержит немагнитный корпус из двух половин с подшипниковыми узлами для вала ротора, магнитопроводами и обмотками статора, ротор дискового типа с размещенными по кольцу магнитопроводами, немагнитным валом, при этом магнитопроводы статора выполнены О-образными с рабочим зазором для магнитопроводов дискового ротора и состоящими каждый из двух П-образных частей с обмотками статора каждая, причем одна и вторая части каждого О-образного магнитопровода размещены соответственно в первой и второй половинах корпуса ротора, а размещенный по кольцу ротора магнитопровод выполнен из секторов магнитотвердого материала с взаимно-противоположным вектором намагниченности по короткой оси.
Этот генератор не предназначен для работы на преобразователь, обеспечивающий постоянное напряжение на выходе в широком диапазоне частоты вращения машины при получении на выходе стабильной величины напряжения.
Наиболее близкой к настоящей полезной модели по технической сущности является торцевая магнитоэлектрическая машина по патенту RU 2337458 С1, которая может работать в генераторном режиме. Эта машина содержит закрепленный на неподвижном валу статор с тороидальным магнитопроводом и кольцевыми обмотками, ротор с постоянными магнитами чередующейся полярности и осевой намагниченностью, выполненный из двух соосных дисков, расположенных по обе стороны от статора и жестко связанных между собой по наружному диаметру, и датчик углового положения ротора.
Такая конструкция электрической машины не обеспечивает постоянное выходное напряжение в широком диапазоне частоты вращения.
Задачей полезной модели является разработка электронно-машинного генератора торцевого (дискового) типа, способного обеспечивать на выходе постоянное значение напряжения при различных частотах вращения, начиная с очень низких для электрических машин.
Указанная задача решается в электронно-машинном генераторе, содержащем закрепленный на неподвижном валу статор с тороидальным магнитопроводом и кольцевыми обмотками, ротор с постоянными магнитами чередующейся полярности и осевой намагниченностью, выполненный из двух соосных дисков, расположенных по обе стороны от статора и жестко связанных между собой по наружному диаметру, и датчик углового положения ротора. Согласно полезной модели генератор снабжен электронным энергетическим преобразователем, включающем в себя активный выпрямитель и связанный с ним понижающий широтно-импульсный преобразователь, а датчик углового положения ротора включает в себя установленный на внутренней поверхности одного из дисков ротора магнитопровод с постоянными магнитами чередующейся полярности и осевой намагниченностью, количество которых кратно числу полюсов генератора, и расположенные на дополнительной плате, вмонтированной в боковую поверхность корпуса статора, чувствительные элементы, при этом электронный энергетический преобразователь соединен с обмотками статора и датчиком положения ротора посредством по меньшей мере одного кабеля, проходящего через неподвижный вал.
Такое выполнение электронно-машинного генератора с встроенным датчиком углового положения ротора в сочетании с активным выпрямителем и понижающим широтно-импульсным преобразователем позволяет обеспечить постоянное стабильное напряжение на выходе в широком диапазоне частот вращения машины.
Предпочтительно активный выпрямитель содержит трехфазный транзисторный мост, к которому подключены фазные обмотки статора, и связан с контроллером для управления трехфазным транзисторным мостом, к которому подключены выходы трех чувствительных элементов датчика углового положения ротора.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 показана общая функциональная схема генератора;
на фиг.2 схематично показан бесконтактный синхронный генератор согласно полезной модели, вид в продольном разрезе;
на фиг.3 - бесконтактный синхронный генератор в поперечном разрезе, виды по А и Б на фиг.2.
Как показано на фиг.1, электронно-машинный генератор состоит из бесконтактного синхронного генератора 1 и электронного энергетического преобразователя 2.
Бесконтактный синхронный генератор 1, более подробно показанный на фиг.2 и 3, содержит закрепленный на неподвижном валу 3 статор 4 с тороидальным магнитопроводом 5 и кольцевыми трехфазными обмотками 6. На статоре 4 синхронного генератора 1 могут быть расположены, например, две независимые трехфазные обмотки 6, соединенные звездой. Генератор 1 содержит также установленный на подшипниках 7 ротор в виде двух соосных немагнитных дисков 8, расположенных по обе стороны от статора 4 и жестко связанных между собой по наружному диаметру, и расположенные на дисках 8 ротора постоянные магниты 9 с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью. Постоянные магниты 9 расположены в окнах, выполненных в дисках 8 ротора и опираются на магнитопровод 10, расположенный в кольцевом пазу на внешней поверхности диска 8 ротора. Кроме того, в генераторе 1 имеется датчик углового положения ротора, образованный расположенным на одном из дисков 8 ротора магнитопроводом 11 с набором постоянных магнитов 12 с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, и закрепленная на статоре 4 плата 13 с чувствительными элементами 14, например, в виде датчиков Холла. Число чувствительных элементов 14 соответствует числу фаз обмоток 6 статора 4. Чувствительные элементы распаяны соединительными проводами, выведенными через отверстие 15 в неподвижном валу 3 для соединения с электронным энергетическим преобразователем 2. Через это же отверстие 15 выведены также и концы обмоток 6 статора 4. Указанные провода, а также концы обмоток статора выводятся через отверстие в неподвижном валу в виде одного или нескольких кабелей.
Электронный энергетический преобразователь 2 является электронным блоком электронно-машинного генератора и выполняет функцию преобразования электрической энергии переменного тока изменяющейся частоты в электрическую энергию с параметрами промышленного стандарта.
Электронный энергетический преобразователь 2 (фиг.1) содержит несколько последовательно соединенных функциональных блоков: датчики фазных токов, активный выпрямитель, фильтр, датчик напряжения в звене постоянного тока, понижающий широтно-импульсный преобразователь с датчиком тока, выходной фильтр и датчик напряжения на нагрузке. Кроме того, электронный энергетический преобразователь 2 включает в себя контроллер, управляющий активным выпрямителем и понижающим широтно-импульсным преобразователем в зависимости от получаемых им сигналов от чувствительных элементов 14 датчика углового положения ротора, датчиков фазных токов, датчика напряжения в звене постоянного тока, датчика тока в понижающем широтно-импульсном преобразователе и датчика напряжения на нагрузке. Фазы кольцевых обмоток 6 через датчики фазных токов соединены с активным выпрямителем. Понижающий широтно-импульсный преобразователь выполнен на основе одного IGBT-транзистора, силового дросселя, конденсаторов и шунтирующего диода по классической схеме, описанной, например, в справочном пособии «Энергетическая электроника», Пер. с нем. под ред. В.А.Лабунцова, М., «Энергоатомиздат», 1987, с.157-158). Он стабилизирует напряжение на нагрузке на уровне, соответствующем промышленному стандарту. Для этого в схеме управления используются датчик тока в дросселе и датчик напряжения на нагрузке.
При работе генератора постоянные магниты 9 правого и левого дисков 8 ротора создают осевой рабочий магнитный поток, который, пересекая кольцевые обмотки 6, создает на их выходе переменное напряжение, величина которого меняется с изменением частоты вращения. При этом сигналы от датчика углового положения ротора поступают в контроллер (фиг.1), который обеспечивает работу активного выпрямителя в режиме повышения выходного выпрямленного напряжения генератора до величины необходимой для работы понижающего широтно-импульсного преобразователя, выполняющего функцию стабилизации напряжения на уровне, определяемом стандартом. На малых скоростях вращения активный выпрямитель выполняет функцию повышающего конвертора, задавая синусоидальные токи в обмотках генератора. В активном выпрямителе реализуется векторное управление электрической машиной, работающей в генераторном режиме, с целью формирования желаемого напряжения в звене постоянного тока. Для этого, кроме информации о положении ротора, контролируются фазные токи и напряжение в звене постоянного тока. Описание способа реализации векторного управления синхронной электрической машиной приведено, например, в документе  1931.pdf.
Наличие жестких дисков ротора в конструкции синхронного генератора с осевым магнитным потоком позволяет уменьшить его суммарный вес и габариты, а также осуществить безредукторный вариант исполнения механизма, упрощая и удешевляя его конструкцию. Все это в совокупности с электронным энергетическим преобразователем позволяет получить электронно-машинный генератор с улучшенными рабочими характеристиками - с большим удельным моментом и с расширенными функциональными возможностями.