ОДНОФАЗНЫЙ НИЗКООБОРОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ТОКА
SINGLE-PHASE LOW-SPEED CURRENT GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании магнитоэлектрических генераторов тока для ветряных электростанций и микро ГЭС, в которых используется энергия естественных энергоносителей, например, ветра, течений рек и подводных течений.
Известен генератор тока [RU 2147155, C1, Н02K 29/06, 04.12.1998], содержащий корпус с подшипниками, удерживающими вал, дисковые магнитопроводы и аксиально намагниченные основные постоянные магниты с чередующейся полярностью, катушки обмоток статора, датчики положения ротора, блок управления, дополнительные ряды постоянных магнитов, размещенные между основными магнитами, причем постоянные магниты установлены в обоймах, соединены между собой с образованием корпуса и тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора подключены к контактам диэлектрического кольца и через отверстия этого кольца и полого вала подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек также подключены к контактам диэлектрического кольца, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия диэлектрических колец и полого вала присоединены к нагрузке, а другими выводами - к силовым ключам блока управления.
К недостаткам данного устройства можно отнести наличие вращающихся катушек и скользящих токосъемников, что приводит к ухудшению энергетических характеристик генератора и снижению надежности.
Известен также магнитный генератор электрического тока [RU 2147153, C1, H02R 21/04, Н02K 21/14, Н02K 21/24, 08.07.1998], содержащий корпус, статор, включающий магнитную систему, магнитопроводы, катушки, и ротор, при этом магнитные системы статора и ротора выполнены в виде магнитных блоков, каждый из которых состоит из ряда магнитов, размещенных с интервалами, размер которых не меньше размера магнита в направлении движения ротора, причем ориентация намагниченности каждого магнита осуществлена под углом, выбранным в диапазоне от +90 до -90° относительно направления движения ротора, с чередованием последовательности расположения полюсов от магнита к магниту, а катушки размещены на магнитопроводах, замыкающих полюса магнита статора. Это техническое решение имеет две магнитные системы с постоянными магнитами (на роторе и на статоре), а в интервале между ними размещены ферромагнитные магнитопроводы, причем каждая катушка намотана на своем сердечнике, что приводит к неравномерному распределению магнитного потока, т.е. к снижению мощности, КПД и технологичности.
∗
∗
∗
∗
Кроме того, известна низкооборотная электрическая машина [RU 2234788, С2, Н02K 21/24, Н02K 21/12, 25.05.2000], содержащая кольцеобразный ряд обмоток статора на железных сердечниках из листов или прессованного порошка железа, и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, в частности, синхронная машина с постоянной намагниченностью магнитов ротора для выработки синусоидального напряжения, причем обмотки выполнены сосредоточенными, сердечники с обмотками чередуются с железными сердечниками без обмоток так, что на каждом втором железном сердечнике имеется обмотка, число промежутков между сердечниками отличается от числа полюсов, при этом число промежутков между сердечниками s и число полюсов p следует выражениям |s-p|=2m и s=12nm, где n и m - натуральные числа, причем машина рассчитана на генерацию трехфазного напряжения с последовательным соединением соседних катушек для получения m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно.
Недостатком этой электрической машины является то, что образующиеся зазоры между отдельными сердечниками статора понижают КПД, мощность и технологичность ее изготовления.
Дополнительно к указанным известно устройство [RU 71189, U1, Н02K 21/24, Н02K 23/04, 27.02.2008], содержащее кольцеобразный ряд обмоток статора и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, причем статор выполнен в виде тороидального магнитопровода, а ротор состоит из двух частей, первая из которых представляет собой вал с приваренными дисками, а вторая - диски с магнитами при ширине дисков? равной длине магнитов, прикрепленных к дискам первой части, при этом величина зазора между статором и магнитами ротора находится в интервале 0,1÷2,0 мм.
Недостатком этого технического решения является относительно большой момент страгивания, что снижает устойчивость его работы при непостоянном внешнем воздействии низкоскоростных носителей энергии. Кроме того, это техническое решение обладает относительно большой материалоемкостью, поскольку, в частности, статор, выполнен в виде тороидального магнитопровода.
Помимо этого известен низкооборотный генератор тока [RU 98646, U1, Н02K 23/04, 20.10.2010], содержащий вал, статор, выполненный в виде магнитопровода и обмоток статора, выводы которых подключены к выпрямительному блоку, а также ротор, механически соединенный с валом устройства и имеющий набор постоянных магнитов, при этом магнитопровод выполнен в виде радиально ориентированных от оси вала призматических стержней, набранных из полос электротехнической стали, а постоянные магниты ротора закреплены последовательно по окружности на торцах призматических стержней с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту, причем обмотки статора намотаны на удаленные от оси вала концы призматических стержней, число призматических стержней на один меньше числа постоянных магнитов, а призматические стержни, в частном случае, выполнены коэффициентом удлинения 3-20.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая устойчивость работы в условиях колебаний величины внешнего воздействия, в том числе возможных ослаблений воздействия.
Наиболее близким по технической сущности и функциональному назначению к заявленному устройству является низкооборотный генератор тока [RU 2510565, C1, Н02K 21/12, Н02K 29/00, 27.03.2014], содержащий закрепленный на валу ротор с многополюсной системой постоянных магнитов, статор, выполненный в виде магнитопровода и обмоток статора, выводы которых подключены к соответствующим им выпрямительным блокам, задающий генератор высокочастотных импульсов и корректоры мощности по числу выпрямительных блоков, каждый из которых включен на выходе соответствующего выпрямительного блока и управляющие входы которых соединены с выходом задающего генератора высокочастотных импульсов, причем статор выполнен односекционным, а количества полюсов ротора отличается на один от количества обмоток статора, выполненного беззубцовым.
В наиболее близком техническом решении обеспечивается чрезвычайно малый момент страгивания, что является его важным техническим достоинством и которое сохраняется в заявляемом устройстве.
Однако недостатком наиболее близкого технического решения являя.тся относительно узкие функциональные возможности, поскольку в нем отсутствует возможность реализации однофазной электрической цепи генератора (мотора), что не позволяет применять для съема мощности генератора одноканальные блоки питания, использование которых приводит к существенному упрощению конструкцию низкочастотного генератора и делает его более экономичным по сравнению с генераторами, в которых используется трехфазная электрическая цепь.
В частности, в устройстве-прототипе даже в относительно простом варианте его исполнения требовался 11 канальный корректор мощности (по одному каналу на каждую катушку или на каждую пару катушек), что существенно увеличивало его размеры, вес и стоимость при одновременном снижении надежности и ремонтнопригодности. Поэтому крайне желательно иметь одноканальную электронику, что делает необходимость реализации в устройстве однофазной электрической цепи.
Задачей, которая решается в заявленном техническом решении, является расширение функциональных возможностей путем обеспечения однофазной электрической цепи генератора.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих однофазную электрическую цепь генератора.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат относительно устройства достигается тем, что в устройство, содержащее закрепленный на валу ротор с многополюсной системой постоянных магнитов, статор, выполненный в виде магнитопровода и обмоток статора, выводы которых подключены к соответствующим им выпрямительным блокам, причем статор выполнен односекционным, а количества полюсов ротора отличается на один от количества обмоток статора, согласно предложенному изобретению, магнитопровод статора выполнен зубцовым с размещением обмоток статора на зубцах магнитопровода, а обмотки статора разделены на две половины, причем обмотки статора в каждой половине соединены последовательно с изменением полярности на противоположную каждой последующей относительно полярности предыдущей, а полярность включения последней обмотки статора первой половины с первой обмоткой статора второй половины при их соединении выбирают из условия изменения полярности всех катушек второй половины, включенных с чередованием направления поля, на противоположную, при этом свободный конец соответствующей первой обмотки первой половины и свободный конец соответствующей последней обмотки второй половины являются выводами однофазной цепи генератора.
На чертеже представлен фрагмент однофазного низкооборотного генератора тока для частного случая использования, например 42 магнитов ротора.
Однофазный низкооборотный генератор тока содержит закрепленный на валу (на чертеже не показан) ротор 1 с многополюсной системой постоянных магнитов 2.
Кроме того, однофазный низкооборотный генератор тока содержит статор 3, выполненный в виде зубцового магнитопровода 4 и обмоток 5 статора, размещенных на зубцах зубцового магнитопровода 4 и выводы которых подключены к соответствующим им выпрямительным блокам (на чертеже не показаны), причем количества полюсов ротора отличается, по крайней мере, на один от количества железных зубцов статора (отличие целесообразно соблюдать на небольшое число 1, 2, 3…, что составляет не более 5-10% общего числа обмоток), а обмотки статора в каждой группе соединяют последовательно с изменением полярности на противоположную каждой последующей относительно полярности предыдущей, причем при соединении последнего конца обмотки статора первой половины с первым концом первой обмотки статора второй половины полярность включения выбирают такой, чтобы все катушки второй половины, включенные с чередованием направления поля, изменили свою полярность на противоположную, а свободный конец соответствующей первой обмотки первой половины и свободный конец соответствующей последней обмотки второй половины образуют выводы однофазной цепи генератора.
Заявляемый низкооборотный генератор тока на постоянных магнитах изготовлен по технологии полузакрытого паза для уменьшения момента страгивания с места.
С целью получения однофазной электрической цепи генератора тока применен способ, когда статорные обмотки делятся на две половины (группы), отличающиеся, преимущественно, на одну, причем обмотки статора в каждой половине соединены последовательно с изменением полярности на противоположную каждой последующей относительно полярности предыдущей, при этом, при соединении последней обмотки статора первой половины с первой обмоткой статора второй половины полярность включения выбирают такой, чтобы все катушки второй половины, включенные с чередованием направления поля, изменили свою полярность на противоположную, а свободный конец соответствующей первой обмотки первой половины и свободный конец соответствующей последней обмотки второй половины образуют выводы однофазной цепи генератора.
Однофазный низкооборотный генератор тока работает следующим образом.
Предварительно предположим, что количество полюсов ротора равно количеству полюсов статора. Тогда каждая из половин статора перехватывает половину магнитного потока и производит половину силового момента. В разнополюсной конструкции суммарный полный магнитный поток «размазывается» почти до нуля. Это означает, что при суммировании потоков, создающихся в реальных половинках статора, поскольку одна дает +0.4 условной величины потока, а вторая дает -0,4 условной величины потока, как раз и создается ноль. Однако, если мы поменяем на противоположную полярность всех катушек второй половины (группы) обмоток статора, то ее вклад в полный поток будет уже не -0,4, а +0,4, и в сумме с +0,4 от первой группы даст +0,8 условной величины потока. Конечно, при разнополюсной конструкции будут наблюдаться потери магнитного потока от 10% до 20%, однако они окупаются другими преимуществами, в частности тем, что возможный при этом для применения однофазный выпрямитель для съема мощности генератора (одноканальный выпрямительный блок) намного проще и дешевле трехфазного.
Для большего понимания работы устройства рассмотрим частный пример, когда имеется 5 обмоток (катушек) статора, которые делятся на две половины (группы) - по 2 (первая группа) обмотки и по 3 (вторая группа) обмотки (катушки) в каждой. Обозначим: нi - это начало i-й катушки, кi - конец i-й катушки. Тогда к1-к2 - это соединение катушек первой половины (группы) из двух катушек, а н1 - общий вывод однофазного подключения. Далее на стыке половин (групп) меняется полярность, т.е. появляется соединение н2-к3 и во второй половине (группе) имеем соединение н3-н4, к4-к5, а н5 - это второй общий вывод однофазного подключения. Следовательно, обеспечивается заявленное соединение обмоток в группах и между половинами (группами), а свободный конец н1 соответствующей обмотки первой половины (группы) и свободный конец н5 соответствующей обмотки второй половины (группы) образуют выводы однофазной цепи генератора.
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей генератора, поскольку обеспечивается однофазная электрическая цепь генератора с одновременным повышением экономичности за счет упрощения выпрямительного блока.