АКСИАЛЬНАЯ ДВУХВХОДОВАЯ БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА-ГЕНЕРАТОР
AXIAL TWO-INPUT CONTACTLESS DYNAMO

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя механической энергии вращения, подаваемой на механический вход машины, и электрической энергии постоянного тока, одновременно подаваемой на ее электрический вход, в суммарную электрическую энергию переменного тока.
Известна двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор, содержащая якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу беличьей клетки, имеющих возможность свободно вращаться относительно друг друга, причем ротор и якорь выполнены аксиальными, а в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью трех контактных колец и трех щеток соединен с сетью переменного тока (патент РФ №2349014).
Однако в связи с наличием щеточно-коллекторного узла в такой машине она обладает рядом недостатков, свойственных контактным электрическим машинам: искрение щеток, переходящее в круговой огонь из-за неравномерного их износа, вибрация щеток, их заклинивание и др. Более 40% отказов вращающихся контактных машин приходится на щеточно-коллекторный узел.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами за прототип является бесконтактный синхронный генератор с вращающимися выпрямителями (см. Кашин Я.М., Кириллов Г.А., Ракло А.В. Авиационное оборудование самолетов. Ч.1, Мин-во обороны Рос. Федерации, Краен. высш. воен. авиац. уч-ще летчиков: - Краснодар: КВВАУЛ, 2006, с.33-35), содержащий корпус, в котором на одном валу установлены три электрические машины цилиндрической конструкции: подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, при этом подвозбудитель, являющийся магнитоэлектрической синхронной машиной с вращающимся индуктором и неподвижной обмоткой якоря, состоит из постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя с радиально направленным магнитным полем и магнитопровода с неподвижной обмоткой якоря подвозбудителя; возбудитель, являющийся трехфазной синхронной машиной с неподвижной обмоткой возбуждения и вращающейся обмоткой якоря, состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря возбудителя; основной генератор, являющийся трехфазной синхронной машиной с вращающейся обмоткой возбуждения и неподвижной обмоткой якоря, состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с обмоткой якоря основного генератора.
Однако технология изготовления такого синхронного генератора сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора, необходимости выполнения обмоточных работ внутри цилиндрического статора. Кроме того, конструкция магнитопроводов такого генератора не позволяет выполнить обмотку якоря симметричной и многофазной, что целесообразно для использования выходного напряжения генератора для получения электрической энергии постоянного тока высокого качества - с низким коэффициентом пульсации выпрямленного напряжения. Стоимость известного генератора цилиндрической конструкции велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке. Кроме того, конструкция такого генератора не позволяет суммировать механическую энергию вращения с электрической энергией постоянного тока.
Технический результат заявленного изобретения - суммирование и преобразование механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) в электрическую энергию многофазного переменного тока, упрощение технологии изготовления магнитной системы, улучшение качества генерируемого напряжения.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемой аксиальной двухвходовой бесконтактной электрической машине-генераторе, содержащей корпус; подвозбудитель, состоящий из постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря подвозбудителя; возбудитель, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря возбудителя; и основной генератор, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с обмоткой якоря основного генератора, установленные на одном валу, многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и магнитопроводы, в пазы которых уложены обмотки подвозбудителя, возбудителя и основного генератора, выполняются аксиальными, при этом боковые аксиальные магнитопроводы жестко устанавливаются в корпусе, а постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод жестко устанавливаются на валу с возможностью вращения относительно боковых аксиальных магнитопроводов, при этом постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя устанавливается с торца одного бокового аксиального магнитопровода, а внутренний аксиальный магнитопровод устанавливается между боковыми аксиальными магнитопроводами. Внутренний аксиальный магнитопровод и боковой аксиальный магнитопровод, с торца которого устанавливается постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя, выполняются с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами, а другой боковой аксиальный магнитопровод выполняется с одной активной торцовой поверхностью с пазами. В пазы бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны постоянного многополюсного магнита подвозбудителя укладывается многофазная обмотка якоря подвозбудителя, а с противоположной стороны укладывается однофазная обмотка возбуждения возбудителя, которая подключается к обмотке якоря подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, и дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, которая подключается к источнику постоянного тока. В пазы внутреннего аксиального магнитопровода со стороны обмотки возбуждения возбудителя и дополнительной обмотки возбуждения возбудителя укладывается многофазная обмотка якоря возбудителя, а с противоположной стороны укладывается однофазная обмотка возбуждения основного генератора, которая подключается к обмотке якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель. В пазы бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью укладывается многофазная обмотка якоря основного генератора, которая при необходимости может быть подключена к многофазному выпрямителю.
Предлагаемое изобретение, выполняя функцию синхронного генератора, как и прототип, в то же время в отличие от него позволяет упростить технологию изготовления магнитопроводов предлагаемой машины-генератора за счет замены операции «штамповка», используемой для изготовления магнитопроводов цилиндрической конструкции, на операцию «намотка» стальной ленты с пазами (см. патент РФ №2316877, Гайтова Т.Б., Гайтов Б.Х., Таршхоев Р.З.) и существенно сократить при этом расход электротехнической стали. Так, при мощности 5 кВт расход электротехнической стали на изготовление магнитопроводов уменьшается до 30-40%. Выполнение зубцовой зоны открытой позволяет упростить технологию выполнения обмоточных работ, что также упрощает технологию изготовления генератора в целом. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет суммировать механическую энергию (например, энергию ветра) и электрическую энергию постоянного тока (например, энергию Солнца, преобразованную фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) и преобразовать суммарную энергию в электрическую энергию многофазного переменного тока (а при необходимости и постоянного тока). Аксиальная конструкция машины позволит обеспечить большой момент инерции ротора, что сгладит скачки поступления механической энергии (например, при порывах ветра), то есть аксиальный ротор является инерционным накопителем механической энергии.
Выполнение магнитопроводов машины-генератора аксиальными позволяет получить симметричное многофазное напряжение, что в свою очередь при использовании машины-генератора для получения постоянного напряжения позволяет повысить его качество за счет снижения коэффициента пульсации, обеспечиваемого выполнением обмоток якоря подвозбудителя, возбудителя и основного генератора многофазными.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемой аксиальной двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора в разрезе, на фиг.2 - электрическая схема предлагаемой аксиальной двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора.
Аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор 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, которая подключается к источнику постоянного тока через контакты 19 (фиг.2), 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 может быть подключена к многофазному двухполупериодному выпрямителю.
Аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор 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.
При подаче постоянного тока (например, от фотоэлектрических преобразователей) через контакты 19 по дополнительной обмотке 6 возбуждения возбудителя протекает ток, при этом создается 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. Суммарный 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 подается в сеть.
В результате описанных процессов происходит суммирование механической энергии вращения и электрической энергии постоянного тока на входе, преобразование и выдача на выходе суммарной электрической энергии переменного тока.
Существенным преимуществом предлагаемой аксиальной бесконтактной электрической машины-генератора является также существенное снижение ее стоимости по сравнению с прототипом за счет упрощения технологии изготовления магнитопроводов, упрощения технологии выполнения обмоточных работ и уменьшения расхода электротехнической стали на изготовление магнитопроводов.