Источник постоянного тока, выполненный на синхронном шаговом двигателе, с повышенной выходной мощностью
SOURCE OF DIRECT CURRENT, INSTALLED ON SYNCHRONOUS STEP ENGINE, WITH INCREASED OUTPUT POWER

Предлагаемое изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано как источник постоянного тока.
Известен трехфазный синхронный генератор, содержащий ротор, на валу которого расположены полюсы с прикрепленными на них катушками возбуждения, к которым подключен источник постоянного напряжения, и статор, в пазах которого уложены катушки индуктивности. Источник постоянного напряжения, необходимый для питания катушек возбуждения полюсов ротора, подключен к последним через кольца на роторе и подвижные щеточные контакты (Кузнецов М.И. Основы электротехники / М.И. Кузнецов. - М.: Высшая школа, 1964. - С. 333-334).
Однако описанный трехфазный синхронный генератор имеет следующие недостатки: дополнительный расход электрической энергии на источник постоянного напряжения, необходимый для питания катушек возбуждения полюсов ротора; низкая надежность в следствие наличия подвижных щеточных контактов для подачи питающего постоянного напряжения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является шаговый двигатель, содержащий ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены отдельные катушки. Каждая катушка связана с изолированным источником постоянного напряжения и с системой управления. Питание постоянным током подается на каждую катушку отдельно, причем поочередно с помощью системы управления, что обеспечивает шаговое движение ротора и его фиксацию при обесточенных обмотках возбуждения. Количество катушек зависит от шага двигателя (Емельянов А.В. Шаговые двигатели : учеб. пособие / А.В. Емельянов, А.Н. Шилин. - Волгоград: ВолгГТУ, 2005. - С. 6, рис. 2, 3).
Основными недостатками этого устройства являются отсутствие выработки мощности достаточной величины ввиду обеспечения движения ротора только при поступлении извне постоянного напряжения от изолированного источника на катушки в определенной последовательности, что связано с дополнительным расходом электроэнергии.
Представленное изобретение решает техническую проблему выработки повышенного значения мощности, при отсутствии использования дополнительного источника постоянного напряжения и системы управления, подающей напряжение на катушки, без значительного усложнения конструкции двигателя.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в источнике постоянного тока, выполненном на синхронном шаговом двигателе, с повышенной выходной мощностью, содержащем ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены катушки, согласно изобретению, ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в катушках переменного напряжения. Количество катушек на статоре четное и в три раз больше, чем количество полюсов на роторе. Диаметрально расположенные катушки соединены параллельно. Начала четных катушек объединены с концами нечетных катушек и подключены к выпрямительному мосту, а начала нечетных катушек объединены с концами четных катушек и соединены между собой.
Обеспечение возможности исключения дополнительного источника питания для катушек обусловлено тем, что на катушках в генераторном режиме от вращения постоянных магнитов, находящихся на роторе, наводится ЭДС, которая снимается с них прямо на вход выпрямительного моста при параллельном, соноправленном, соединении диаметрально расположенных катушек, что позволяет суммировать генерируемые токи.
Оптимальное количество катушек на статоре, четное и в три раза больше, чем количество полюсов на роторе, это позволяет увеличить значение вырабатываемой мощности.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема расположения постоянных магнитов на роторе и обмоток возбуждения на статоре; на фиг. 2 - принципиальная схема источника постоянного тока, выполненного на синхронном шаговом двигателе, с повышенной выходной мощностью, и трехфазный выпрямитель; на фиг. 3 - зависимость генерируемого тока на катушках от времени; на фиг. 4 - зависимость суммируемого генерируемого тока на катушках от времени при параллельном соединении катушек; на фиг. 5 - работа трехфазного выпрямительного моста; на фиг. 6 - зависимость выпрямленного тока на нагрузке от времени при параллельном соединении катушек.
Кроме того, на чертеже использованы следующие обозначения:
- L1 - L6 - катушки;
- N - северный полюс постоянного магнита;
- S - южный полюс постоянного магнита;
- • - начало катушки;
- Р - ротор;
- С - статор;
- R - нагрузка;
- i - переменный ток;
- I - выпрямленный ток;
- t - время;
- t1 - t7 - промежутки времени;
- D1 - D6 - диоды выпрямительного моста.
Источник постоянного тока, выполненный на синхронном шаговом двигателе, с повышенной выходной мощностью, содержит ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены катушки. Ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в катушках переменного напряжения. Количество катушек на статоре четное и в три раз больше, чем количество полюсов на роторе. Диаметрально расположенные катушки соединены параллельно. Начала четных катушек объединены с концами нечетных катушек и подключены к выпрямительному мосту. Начала нечетных катушек объединены с концами четных катушек и соединены между собой.
Пример выполнения предлагаемого устройства, содержащего три пары катушек, соединенных параллельно, одну пару полюсов, и выпрямительного трехфазного моста.
Источник постоянного тока, выполненный на синхронном шаговом двигателе, с повышенной выходной мощностью содержит ротор 1 (Р), на котором расположены постоянный магнит 2, выполняющий функцию полюсов, и статор 3 (С), на котором расположены катушки: 4 (L1), являющаяся четной, 5 (L2), являющаяся нечетной, 6 (L3), являющаяся четной, 7 (L4), являющаяся нечетной, 8 (L5), являющаяся четной, 9 (L6), являющаяся нечетной (фиг. 1). Ротор 1 выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии (на чертеже не показан) для наведения в катушках 4 (L1), 5 (L2), 6 (L3), 7 (L4), 8 (L5), 9 (L6) переменного напряжения.
Таким образом, количество катушек на статоре 6 четное и в три раза больше количества полюсов на роторе 1.
Диаметрально расположенные катушки 4 (L1) и 7 (L4) соединены параллельно. Так начало четной катушки 4 (L1) объединено с концом нечетной катушки 7 (L4), а начало нечетной катушки 7 (L4) объединено с концом четной катушки 4 (L1). Диаметрально расположенные катушки 5 (L2) и 8 (L5) соединены параллельно. Так начало четной катушки 8 (L5) объединено с концом нечетной катушки 5 (L2), а начало нечетной катушки 5 (L2) объединено с концом четной катушки 8 (L5). Диаметрально расположенные катушки 6 (L3) и 9 (L6) соединены параллельно. Так начало четной катушки 6 (L3) объединено с концом нечетной катушки 9 (L6), а начало нечетной катушки 9 (L6) объединено с концом четной катушки 6 (L3).
Объединенные начало четной катушки 4 (L1) и конец нечетной катушки 7 (L4), подключены к входу 10 выпрямительного моста, связанному с диодами 13 (D1) и 14 (D2). Объединенные начало четной катушки 8 (L5) и конец нечетной катушки 5 (L2) подключены к входу 11 выпрямительного моста, связанному с диодами 15 (D3) и 16 (D4). Объединенные начало четной катушки 6 (L3) и конец нечетной катушки 9 (L6) подключены к входу 12 выпрямительного моста, связанному с диодами 17 (D5) и 18 (D6).
Объединенные начало нечетной катушки 7 (L4) и конец четной катушки 4 (L1), объединенные начало нечетной катушки 5 (L2) и конец четной катушки 8 (L5), объединенные начало нечетной катушки 9 (L6) и конец четной катушки 6 (L3) соединены между собой.
Выход 19 выпрямительного моста подключен к входу нагрузки 20 (R), а выход 21 выпрямительного моста подключен к выходу нагрузки 20 (R) (фиг. 2).
Источник постоянного тока, выполненный на синхронном шаговом двигателе, с повышенной выходной мощностью, работает следующим образом.
При вращении ротора 1. находящийся на нем постоянный магнит 2 с одной парой полюсов, на катушках 4 (L1), 5 (L2), 6 (L3), 7 (L4), 8 (L5), 9 (L6) создает переменное напряжение (фиг. 3). При соноправленном соединении попарно катушек 7 (L4) и 4 (L1), 8 (L5) и 5 (L2), 6 (L3) и 9 (L6) между собой происходит сложение выработанного тока. При подаче на входы 10, 11, 12 выпрямительного моста в момент времени t1 (фиг. 5) открыты диоды 13 (D1) и 18 (D6), в момент времени t2 диод 18 (D6) закрывается, а диоды 13 (D1) и 14 (D2) открыты, в момент времени t3 диод 13 (D1) закрывается, а диоды 14 (D2) и 15 (D3) открыты, в момент времени t4 диод 14 (D2) закрывается, а диоды 15 (D3) и 16 (D4) открыты, в момент времени t5 диод 15 (D3) закрывается, а диоды 16 (D4) и 17 (D5) открыты, в момент времени t6 диод 16 (D4) закрывается, а диоды 17 (D5) и 18 (D6) открыты, в момент времени t7, как и в момент времени t1, диод 17 (D5) закрывается, а диоды 18 (D6) и 13 (D1) открыты, в дальнейшем идет повторение работы выпрямительного моста. С выходов выпрямительного моста преобразованный ток (фиг. 6) проходит через нагрузку 20 (R), подключенную через выход 19 и выход 21 выпрямительного моста.
Таким образом,. предложенное устройство способно вырабатывать повышенную мощность без использования дополнительного источника постоянного напряжения и, соответственно, дополнительного расхода электрической энергии, и системы управления, подающей напряжение на катушки, при параллельном соединении диаметрально расположенных катушек, без значительного усложнения конструкции двигателя, что позволяет суммировать генерируемый ток, причем малый коэффициент пульсации достигается за счет использования выпрямительного моста.