ГЕНЕРАТОР С ДВУХКОНТУРНОЙ ОБМОТКОЙ СТАТОРА И КОЛЬЦЕВЫМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ НЕПОДВИЖНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КОНТУРОМ
GENERATOR WITH DOUBLE-CIRCUIT STATOR WINDING AND RING ADDITIONAL FIXED ELECTROMAGNETIC CIRCUIT

Изобретение относится к электротехнике, и, в частности, к конструкции генераторов [H02K1/00, H02K21/00, H02K16/00].
Из уровня техники известен ГЕНЕРАТОР С ДВУМЯ РОТОРАМИ И ЧЕТЫРЬМА СТАТОРАМИ [US 2021218322, опубл. 15.07.2021]. Синхронный электромагнитный двигатель с постоянными магнитами, содержащий два ротора и четыре статора с корпусом, роторы содержат магниты, образующие магнитные полюса, магниты каждого ротора, установлены так, чтобы они могли вращаться вокруг среднего вала, четыре статора содержат обмотки, двигатель содержит систему охлаждения, содержащую три контура охлаждающей жидкости, причем два внешних контура размещены соответственно в продольной внешней стенке корпуса и примыкают к концевому статору для охлаждения связанного концевого статора и промежуточного контура, расположенного между двумя внутренними статорами, средний вал является общим для двух роторов, два ротора соединены со средним валом механическими средствами, так, что каждая магнитная структура состоит из множества унитарных магнитов , при этом закрывающие диски магнитных структур расположены в осевом направлении на каждой из двух противоположных осевых поверхностей каждого ротора, покрывающие диски изготовлены из композитного материала, магнитные конструкции покрыты композитным внешним слоем покрытия, определяющим внешний контур каждого из роторов, покрывающие диски покрыты снаружи слоем композитного покрытия или нанесенным на соответствующую осевую поверхность внешнего слоя покрытия.
Недостатками аналога являются:
- сложность конструкции аналога, из-за наличия двух роторов и четырех статоров;
- сложность монтажных работ и обслуживания аналога, из-за компоновки элементов устройства на общем валу, что увеличивает продольные размеры устройства и ограничивает сферу его использования.
Также из уровня техники известна ВЕТРЯНАЯ ТУРБИНА С МАГНИТНОЙ ПОДВЕСКОЙ И ВСТРОЕННЫМ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ [RO 132674, опубл. 29.06.2018]. Изобретение относится к ветряным турбинам с магнитной подвеской и встроенным магнитоэлектрическим генераторам. Изобретение предназначено специально для слабо ветровых зон. В соответствии с изобретением, турбина содержит воздушный ротор, содержащий ось, на которой рычаги фиксируются и поддерживают несколько лопаток  с аэродинамическим профилем, расположенными параллельно с осью, магнитоэлектрический генератор с магнитным ротором, вращающийся как единое целое с ветровым ротором, относительно соленоидного статора, установленному внутри немагнитного корпуса круглой коробчатой формы, которая также включает левитационную систему, содержащую центральную часть подшипникового типа и круговая часть типа левитационного стабилизатора, содержащую набор магнитов статора с параллельной или квазипараллельной поляризацией и набор магнитов ротора с параллельной, квазипараллельной поляризацией, смежной или круговой, статор генератора, имеющий внешний статор и внутренний статор, каждый из которых состоит из четного числа n катушек размещенных на круглом сердечнике, ротор расположен между двумя статорами и имеет круговой ряд из n магнитов ротора, эквидистантно закрепленных в немагнитной опоре ротора.
Недостатками аналога являются:
- низкий коэффициент полезного действия (КПД) аналога, из-за особенностей конструкции, а именно из-за того, что подвижный ротор расположен между двумя неподвижными статорами, тем самым, при работе устройства создаются большие механические потери уменьшающие КПД;
- сложность конструкции аналога из-за наличия левитационной системы.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что по состоянию на момент подачи заявки - не существует аналога, который характеризуется признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения. В тоже время, выявление из перечня аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Наиболее близким по технической сущности является СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С ТРЕХКОНТУРНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ [RU2711238, опубл. 15.01.2020] содержащий ротор в виде кольца, разделенный на две кольцевые части, внешний и внутренний ротор, ферромагнитные пластины, постоянные магниты, вал ротора, прямоугольные магнитные полюса, отличающийся тем, что ротор в виде кольца дополнительно разделен на третью кольцевую часть, промежуточный ротор, при этом на внешнем и внутреннем роторах закреплены ферромагнитные пластины, прямоугольные магнитные полюса и постоянные магниты, а в промежуточном роторе постоянные магниты установлены в полости между внутренним и внешним роторами, при этом между внутренним и промежуточным и промежуточным и внешним расположены обмотки статора , также при этом внешний, промежуточный и внутренний роторы соединены валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора.
Основными техническими проблемами прототипа являются низкое КПД и низкая надежность. Низкое КПД, из-за того, что в прототипе используется три ротора, которые при работе устройства, из-за механического трения, существенно увеличивают потери, которые, соответственно уменьшают КПД. Низкая надежность из-за сложности конструкции, а именно наличия трех роторов и двух статоров.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и КПД генератора.
Указанный технический результат достигается за счет того, что генератор с двухконтурной обмоткой статора и кольцевым дополнительным неподвижным электромагнитным контуром состоит из ротора, смонтированного на валу генератора, вокруг ротора расположены последовательно основной контур статора с внешней и внутренней обмотками на магнитопроводе и кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур, состоящий из магнитопровода и обмоток, при этом на удлиненной части вала ротора смонтировано два ряда коллекторных пластин, каждая из коллекторных пластин соединена с одной из двух обмоток кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура через щеточно-коллекторный узел электропитания обмоток ротора генератора.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано общее устройство генератора с двухконтурной обмоткой статора и кольцевым дополнительным неподвижным электромагнитным контуром.
На фиг. 2 показан магнитопровод статора.
На фиг. 3 показан магнитопровод статора с обмоткой внешнего контура.
На фиг. 4 показан магнитопровод статора с обмоткой внешнего и внутреннего контуров.
На фиг. 5 показан магнитопровод статора с обмоткой внешнего и внутреннего контуров и ротор генератора с 12-ю полюсами.
На фиг. 6 показаны варианты схемы укладки обмотки в магнитопровод кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура в статор генератора.
На фиг. 7 показана трехфазная схема подключения для обмоток статора.
На фиг. 8 показан общий вид в разрезе ротора генератора с двухконтурной обмоткой статора и кольцевым дополнительным неподвижным электромагнитным контуром.
На фиг. 9 показано векторное изображение магнитного поля статора типового генератора, на котором видно, как происходит рассеивание магнитного поля за пределы магнитопровода.
На фигурах обозначено:
1 - кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур генератора; 2 -статор; 3 - ротор; 4 - вал ротора; 5 - щеточно-коллекторный узел.
Осуществление изобретения.
Генератор с двухконтурной обмоткой статора и кольцевым дополнительным неподвижным электромагнитным контуром состоит из кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1 представляющий из себя обмотку с магнитопроводом; статора 2 представляющего из себя магнитопровод с двумя обмотками - внешнего и внутреннего контура (показано на фиг. 4); ротора 3, в центральной части которого располагается вал ротора 4, при этом, на краю, вокруг вала ротора 4 вблизи одного из его торцов смонтировано два ряда коллекторных пластин щеточно-коллекторного узла 5 (показано на фиг. 8). Внешняя обмотка статора 2 располагается со стороны кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1, внутренняя обмотка располагается со стороны ротора 3. Статор 2 с магнитопроводом и двумя обмотками имеет три независимые взаимно изолированные однофазные цепи. ЭДС в этих цепях одинаковы, имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на 1/3 периода. Трехфазная схема подключения для обмоток статора 2 показана на фиг. 7.
Кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур генератора 1 располагается вокруг статора 2, а количество обмоток на кольцевом дополнительном неподвижном электромагнитном контуре генератора 1 больше либо равно количеству обмоток на статоре 2.
На удлиненный вал ротора 4 установлены два ряда медных пластин щеточно-коллекторного узла 5 имеющих форму кольца, выполненных с возможностью осуществления электропитания кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1. Два ряда медных коллекторных пластин щеточно-коллекторного узла 5 выполнены изолированными друг от друга, каждая отдельная пластина соединена электропроводами, находящимися в пазах вала ротора 3, отдельно с «плюсом» или «минусом» от щеточно-коллекторного узла 5 питания обмоток ротора 3.
Коллекторные пластины щеточно-коллекторного узла 5 выполнены из меднографитных или электрографитных материалов. Подключение пластин коллектора кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1 производится от двух контактов электропитания ротора 3, при этом каждая из коллекторных пластин соединена через щеточно-коллекторный узел 5 с одной из обмоток кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1.
На фиг. 6 показаны варианты схемы укладки обмотки в магнитопровод кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура в статор генератора, а именно: открытая; полузакрытая;  полузакрытая при одинаковых катушках.
Генератор с двухконтурной обмоткой статора и кольцевым дополнительным неподвижным электромагнитным контуром функционирует следующим образом.
Работа заявленного устройства основана на явлении электромагнитной индукции - возникновении тока в проводнике, который движется в магнитном поле или покоится в переменном магнитном поле.
В заявленном устройстве, кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур генератора 1 выполняет дополнительную функцию ротора 3 (якоря) генератора за счет подачи постоянного напряжения на обмотки и возникающего переменного магнитного поля в следствие непрерывной смены полярности в указанных обмотках.
Питание обмоток возбуждения статора 2 осуществляют от аккумулятора (при запуске ДВС) или от самого генератора (при работающем двигателе). Электропитание кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1 осуществляют синхронно с электропитанием ротора 3 генератора. Смена полярности обмоток кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1 производится в момент вращения вала ротора 4 синхронно с частотой равной частоте вращения ротора 3 генератора. Во время работы генератора, через щеточно-коллекторный узел 5, на обмотки кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1 подается постоянное напряжение той же полярности что и на ротор 3 и с частотой равной частоте вращения ротора 3 и числу пластин.
На каждую из изолированных друг от друга пластин подают напряжение («+» или «-») и далее посредством щеточно-коллекторного узла 5 подают напряжение на кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур генератора 1.
Во время работы генератора, благодаря наличию кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1, пропорционально изменяется число линий магнитной индукции во внешней обмотке статора 2, (вследствие дополнительного воздействия на внешнюю обмотку статора 2 переменного магнитного поля), что приводит к положительному эффекту. Положительный эффект заключается в том, что большее количество силовых магнитных линий подвергается изменению, вследствие чего индуцируется переменный ток в обмотке статора 2 с обеих сторон обмоток (снизу и сверху). Индукционный ток возникает в тех сторонах витков обмоток статора 2, которые пересекаются «сгущенными» магнитными линиями (от воздействия вращающегося ротора 3 и переменного магнитного поля от кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1).
Таким образом, в кольцевом дополнительным неподвижном электромагнитном контуре генератора 1 создается переменное магнитное поле, силовые линии которого пересекают верхнюю обмотку статора 2 генератора одномоментно и одновременно блокируют рассеивание магнитного поля магнитопровода статора 9 по всей площади внешней обмотки; а снизу, внутреннюю обмотку - пересекают силовые линии вращающегося ротора 3. В ходе чего, получается «двойной» эффект воздействия электромагнитных полей на статор 2 генератора.
При использовании заявленного устройства совместно с двигателем внутреннего сгорания, при подачи напряжения на кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур генератора 1, выполняющего функцию дополнительного неподвижного ротора, возникает переменное магнитное поле с частотой вращения ротора 3 (якоря) генератора равной примерно 3:1, за счет разности диаметров шкивов коленчатого вала двигателя ДВС и шкива генератора. При этом, в разных генераторах может применятся различное передаточное число. Также, при использовании заявленного устройства совместно с двигателем внутреннего сгорания, при запуске двигателя, происходит электропитание генератора, стартера и всех электроприборов (например, автомобиля) от аккумуляторной батареи.
Технический результат изобретенияувеличение КПД достигается за счет того, что генератор с двухконтурной обмоткой статора и кольцевым дополнительным неподвижным электромагнитным контуром состоит из статора 2, состоящего из магнитопровода с внешней и внутренней обмотками, вокруг которого находится кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур генератора 1, при этом на удлиненной части вала ротора 4 смонтировано два ряда коллекторных пластин, каждая из коллекторных пластин соединена с одной из двух обмоток кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура через щеточно-коллекторный узел электропитания 5 обмоток ротора генератора 1. При работе генератора, в кольцевом дополнительным неподвижном электромагнитном контуре генератора 1 создается переменное магнитное поле, силовые линии которого пересекают верхнюю обмотку статора 2 генератора одномоментно, по всей площади внешней обмотки; а снизу, внутреннюю обмотку - пересекают силовые линии вращающегося ротора 3. Таким образом, заявленное техническое решение представляет из себя кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур генератора 1 с магнитопроводом статора 2 и двумя обмотками, при этом, верхняя, получает электромагнитную индукцию от неподвижного электромагнитного контура, а нижняя - от вращающегося ротора 3 (якоря) генератора. Таким образом, получается, что дополнительно индуцируется ЭДС в верхней обмотке статора 2 за счет переменного электромагнитного поля, возникающего в обмотках кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1. Увеличение коэффициента полезного действия генератора реализуется за счет дополнительного индуцирования переменного тока, уменьшения рассеивания магнитного поля магнитопровода, а также снижения механических и добавочных потерь, благодаря наличию неподвижного дополнительного кольцевого электромагнитного контура, снижающего потери на трение.
Технический результат изобретенияповышение надежности достигается за счет того, что в заявленном устройстве используется всего один подвижный ротор 3, при этом кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур генератора 1 и статор 2 являются неподвижными элементами, которые жестко закрепляются в корпусе генератора. Из-за сокращения подвижных деталей устройства и упрощения конструкции, по сравнению с прототипом, существенно увеличивается КПД и надежность, за счет использования дополнительной энергии электромагнитных потоков.
Заявителем был изготовлен опытный образец заявленного устройства, эксплуатация которого, подтвердила заявленный технический результат, повышение КПД составило от 5 до 10%, повышение надежности составило от 30 до 50%, при увеличении веса на 1.4-1.5 кг, относительно стандартного генератора для ВАЗ 21101.
Пример достижения технического результата.
Заявителем был изготовлен вариант заявленного устройства с ротором 3, который имеет 12 полюсов, а коллекторные пластины на удлиненном валу ротора 3 имеют по 12 изолированных друг от друга пластин. Использовался кольцевой дополнительный неподвижный электромагнитный контур генератора 1, состоящий из магнитопровода и электрообмотки, распределенной в пазах магнитопровода, на которую подавалось переменное напряжение от 2-х токоприемников (коллекторных пластин) щеточно-коллекторного узла электропитания обмоток ротора генератора. Обмотка была выполнена таким образом, что на один паз обмотки подается «+», а на соседний «-».  Затем полярность менялась на противоположную. Таким образом, магнитное поле создавалось по всей поверхности представленного электромагнитного устройства и было направлено на верхнюю обмотку статора 2 генератора, благодаря чему уменьшалось рассеивание электромагнитного поля. При этом, при реализации заявленного устройства, частота вращения ротора была равна частоте вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания умноженная на соотношение диаметров шкивов коленчатого вала и генератора 1:3.
Смена полярности в обмотках кольцевого дополнительного неподвижного электромагнитного контура генератора 1 происходила через интервал:
Таким образом, благодаря уменьшению рассеивания электромагнитного поля в статоре, дополнительного индуцирования переменного тока в верхней обмотке статора 2 и снижения механических потерь - КПД генератора, по сравнению с известными аналогами, повысилось примерно на 8 %.