БЕСКОНТАКТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электротехнике и представляет собой электрическую машину, предназначенную для генерации и питания нагрузки постоянным током высокого качества.
Уровень техники. Из уровня техники известна бесконтактная электрическая машина постоянного тока [авторское свидетельство СССР №758414], содержащее торцевой статор с многослойными печатными обмотками и индуктор с постоянными магнитами, которые размещаются на дисковом магнитопроводе. При этом печатные обмотки статора выполнены из светочувствительного полупроводникового материала, а в магнитопроводе сделаны радиальные прорези, расположенные между магнитами.
К недостаткам этого решения можно отнести отсутствие возможности регулирования уровня выходного напряжения, и его стабилизации.
Также известна бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря [патент РФ на изобретение №2414040], содержащая статор с обмоткой якоря и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов. Сердечник якоря выполнен шихтованным с явно выраженными полюсами и катушечной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря по одной на каждом полюсе. Ротор содержит индуктор с симметрично распределенными по цилиндрической поверхности явно выраженными полюсами, создающими поток возбуждения при помощи магнитов. Активная часть индуктора насажена на немагнитную втулку. Варианты предполагают размещение якоря снаружи, а индуктора - внутри; также якорь размещается внутри, а индуктор - снаружи.
Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
К недостаткам этого решения можно отнести отсутствие возможности регулирования уровня выходного напряжения, и его стабилизации.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные конструкции бесконтактных электрических машин. В большинстве из них используются постоянные магниты для получения магнитного потока возбуждения, который приводит к появлению ЭДС в обмотках генератора при механическом вращении. Все они решают задачу бесконтактного съема выходного напряжения генератора путем размещения выходным обмоток на неподвижной части электрической машины (может быть как снаружи, так и внутри), а вместо обмотки полюсов возбуждения магнитный поток создается постоянными магнитами, размещенными на вращающейся части электрической машины, и не требующих подвода электрических цепей для работы. Существенным недостатком всех таких решений является прямая зависимость выходного напряжения от скорости вращения, поскольку регулирование магнитного потока возбуждения от магнитов невозможно. Таким образом, уровень выходного напряжения зависит не только от скорости нарастания магнитного потока возбуждения и скорости вращения, но и от мощности подключенной нагрузки. Невозможность регулирования напряжения ведет к отсутствию стабилизации напряжения и его изменения по необходимому для нагрузки закону. Такой недостаток относится и к техническому решению, принятому за основной прототип.
В заявляемом решении обеспечено плавное регулирование выходного напряжения генератора за счет использования составной электрической машины. Упомянутая электрическая машина состоит из трех электрических генераторов разного типа, в том числе генератора переменного тока на постоянных магнитах, обращенной машины переменного тока и обращенной машины постоянного тока, не требующих для своей работы механических контактов с вращающейся частью (ротором).
На фигуре 1 представлена функциональная схема электромашинного преобразователя на основе бесконтактного генератора постоянного тока. Первичный механический двигатель 1 служит источником механической энергии вращения и является внешним к заявляемому решению элементом, механическое вращение вала в бесконтактном генераторе постоянного тока 2 преобразуется в энергию постоянного электрического тока и передается в электрическую нагрузку 3.
Поставленная перед заявляемым решением задача обеспечения плавного регулирования и стабилизации выходного напряжения без использования механического контакта любого рода с вращающейся частью генератора решается путем использования обращенных машин постоянного и переменного тока, и размещения элементов регулирования на неподвижной их части (статоре).
На фигуре 2 представлена обобщенная схема механической связи в предлагаемом решении. Первичный двигатель 1, являющийся внешним по отношению к бесконтактному генератору элементом обеспечивает вращение вала, и приводит во вращение три электрические машины, входящие в состав заявляемого бесконтактного генератора (обведено пунктиром). Генератор с постоянными магнитами на роторе 4 вырабатывает нестабилизированное многофазное переменное напряжение, служащее для питания возбуждения последующих каскадов и системы регулирования. Далее идет обращенная машина переменного тока 6, отличительной особенностью которой является размещение полюсов обмотки возбуждения на неподвижной части (статоре) машины. Далее вращается обращенная машина постоянного тока 8, отличие которой в размещении якорной обмотки на неподвижной части (статоре). Такие обращенные машины постоянного и переменного тока известны из уровня техники [1] и применяются также и в решении, выбранном за основной прототип - где предусмотрены варианты исполнения с магнитами на роторе, либо на статоре. Однако все такие машины не обеспечивают регулирования выходного напряжения без контактов на вращающейся части, и для их работы требуется подача тока возбуждения во вращающийся ротор (для обращенных машин постоянного тока) или снятие переменного многофазного напряжения (для обращенных машин переменного тока).
Только предлагаемое решение обеспечивает бесконтактную генерацию постоянного тока без использования любого рода механических контактов и при плавном регулировании выходного напряжения. Стрелками на фигуре 2 показано одинаковое направление вращения составных частей заявляемого решения, установленных на общем вале.
На фигуре 3 представлена функциональная схема электрической части предлагаемого решения. Здесь генератор переменного тока с постоянными магнитами 4 оснащается магнитами на вращающейся части (роторе), которые обеспечивают магнитное поле возбуждения при вращении общего вала, а на его неподвижной части (статоре) - располагаемом снаружи ротора, уложена многофазная обмотка переменного тока, хорошо известная из техники [1]. Такая конструкция не требует внешнего (начального) питания для своей работы, и вырабатывает переменный ток всегда при вращении вала. Выход генератора переменного тока с постоянными магнитами 4 соединяется с управляемым многофазным выпрямительным мостом 5, а также с входом стабилизированного блока питания 12 - который обеспечивает питание блока системы регулирования 11. За счет применения управляемого многофазного выпрямительного моста 5, обеспечивающего регулируемое выпрямление, чем и достигается изменение тока возбуждения обращенной машины переменного тока 6, обмотка возбуждения которой подключается к его выходу и питается выпрямленным постоянным током. Управление многофазным выпрямительным мостом 5 осуществляется от блока системы регулирования 11, в задачу которого входит обеспечение поддержание заданного уровня выходного напряжения генератора. На роторе обращенной машины переменного тока располагается многофазная обмотка переменного тока, по типу статорных обмоток обычных (не обращенных) машин переменного тока, выход упомянутой обмотки соединяется со входом блока вращающихся диодов 7, который представляет собой многофазный выпрямительный неуправляемый (диодный) мост [2, 3]. Блок вращающихся диодов располагается на роторе предлагаемого бесконтактного генератора постоянного тока, и соединен с обмоткой возбуждения обращенной машины постоянного тока 8, магнитные полюса которой размещаются на роторе - а изменение тока возбуждения в них обеспечивает изменение ЭДС в выходной обмотке по типу якорных обмоток машин постоянного тока. Таким образом, выходная обмотка обращенной машины постоянного тока 8 размещена на ее неподвижной части (статоре), и не требует механического контакта (щеток) для снятия напряжения. Однако напряжение на отводах выходной обмотки будет изменяться с частотой, пропорциональной скорости вращения размещенных на роторе полюсов. Для выпрямления переменного тока на выходе обращенной машины постоянного тока 8 подключен неуправляемый многофазный выпрямительный мост 9, обеспечивающий выпрямление тока. Такой мост не требует для своей работы управления, поскольку уровень его напряжения задается током возбуждения промежуточной обращенной машины переменного тока 6, и может быть выполнен на диодах [2, 3].
Выход неуправляемого многофазного выпрямительного моста 9 подключается к нагрузке 3, получающей питание от предлагаемого бесконтактного генератора. Также выход неуправляемого многофазного выпрямительного моста 9 подключается к датчику напряжения 10, который обеспечивает развязку с измеряемым напряжением и согласование уровней сигналов. Выход датчика напряжения 10 подключен к входу блока системы регулирования 11, и обеспечивает цепь обратной связи генератора - что и дает возможность точного задания уровня выходного напряжения, а также его стабилизацию при набросах нагрузки и колебаниях скорости вращения вала первичного движителя.
Блок системы регулирования обеспечивает управление многофазным выпрямительным мостом 5, от угла открытия полупроводниковых ключей которого зависит его выходное напряжение [2], а значит - и ток возбуждения питаемой им обращенной машины переменного тока.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая плавное регулирование и стабилизацию выходного напряжения генератора постоянного тока, без использования какого-либо рода механических контактов (щеток).
Использованные базовые элементы - широко описаны в литературе и могут быть легко реализованы [1, 2, 3].
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
- заявляемый генератор выполняется составным, состоящим из трех электрических машин разного типа, установленных на одном валу;
- первая электрическая машина представляет собой генератор переменного тока с постоянными магнитами на роторе;
- вторая электрическая машина представляет собой обращенную машину (генератор) переменного тока;
- третья электрическая машина представляет собой обращенную машину (генератор) постоянного тока;
- выходом третьей электрической машины служит обмотка статора по типу якорной обмотки машин постоянного тока и соединяется с неуправляемым многофазным выпрямительным мостом;
- выходное напряжение генератора через датчик напряжения подключено к блоку системы регулирования и обеспечивает обратную связь по напряжению;
- выход первой электрической машины с постоянными магнитами соединяется с управляемым многофазным выпрямительным мостом, выход моста соединяется с входом обмотки возбуждения второй электрической машины;
- управляемый мост подключен к блоку системы регулирования.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - обеспечению регулирования выходного напряжения генератора, а также возможности поддержания его постоянного уровня (стабилизации) при колебаниях параметров нагрузки.
В предлагаемом решении обеспечивается трехкаскадное генерирование электроэнергии, причем первые две машины имеют малую мощность.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена обобщенная функциональная схема электромашинного преобразователя с бесконтактным генератором постоянного тока. Здесь 1 - первичный движитель, 2 - бесконтактные генератор постоянного тока, 3 - питаемая нагрузка. На фигуре 2 изображена обобщенная схема механической связи в бесконтактном генераторе постоянного тока. Здесь 1 - первичный движитель, 4 - генератор переменного тока с постоянными магнитами, 6 - обращенная машина переменного тока, 8 - обращенная машина постоянного тока. На фигуре 3 изображена функциональная электрическая схема бесконтактного генератора. Здесь 4 - генератор переменного тока с постоянными магнитами, 5 - управляемый многофазный выпрямительный мост, 6 - обращенная машина переменного тока, 7 - блок вращающихся диодов, 8 - обращенная машина постоянного тока, 9 - неуправляемый многофазный выпрямительный мост, 3 - питаемая нагрузка, 10 - датчик напряжения, 12 - стабилизированный блок питания, 11 - блок системы регулирования.
Список использованной литературы.
1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Юрайт, 2014. 767 с.
2. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. М.: Юрайт, 2012 667 с.
3. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.