Синхронный генератор переменного тока с торцевым возбуждением

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к индукторным генераторам, и может быть использована для выработки электрической энергии при вращении ротора, в частности для получения постоянного, однофазного и трехфазного переменного тока нормальной и повышенной частоты.
Известен индукторный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии при вращении ротора, см. патент RU 2085010 С1, 20.08.1997. Известный генератор предназначен для получения электрической энергии переменного и постоянного тока и содержит цилиндрический явнополюсный ротор, неподвижный статор с силовыми обмотками, расположенными на его полюсах, и обмоткой возбуждения.
К недостаткам известного генератора можно отнести то, что он имеет сложную конструкцию, и ограниченные возможности применения и низкий коэффициент полезного действия.
Известен более совершенный индукторный генератор с торцевым возбуждением см. патент РФ №2454775, М. кл. Н02K 19/24, содержащий неподвижный статор с силовыми обмотками, расположенными на его полюсах, и с обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока, цилиндрический явнополюсный ротор, расположенный соосно со статором, при этом статор выполнен в виде центрального цилиндрического сердечника и боковых стержней, расположенных вокруг и симметрично по отношению к сердечнику и имеющих с ним общее основание, торцевые поверхности стержней имеют вид секторов с длиной дуги равной π/2, ротор содержит центральную часть, примыкающую с зазором к сердечнику статора, и два полюса, выполненных в виде секторов с длиной дуги, равной длине дуги секторов стержней статора и примыкающих с зазором к торцевым поверхностям боковых стержней, причем площадь сечения сектора полюса ротора равна площади сечения сектора стержня статора. Торцевые поверхности боковых стержней статора направлены перпендикулярно или к оси сердечника. Число стержней статора равно двум или трем. Обмотка сердечника подключена к приемнику электрической энергии через выпрямители, установленные на выходе силовых обмоток стержней статора. В качестве материала для изготовления статора использован магнитотвердый материал магнитодиэлектрик. Цилиндрический сердечник содержит вал, на котором установлен ротор.
К недостаткам прототипа можно отнести низкие технологические возможности, заключающиеся в невысоком к.п.д.
Техническим результатом является устранение недостатков прототипа, в частности создание индукторного генератора с расширенными технологическими возможностями и способного вырабатывать электрическую энергию в виде однофазного, или трехфазного тока с повышенным коэффициентом полезного действия.
Поставленный технический результат достигается использованием сочетания известных, общих с прототипом признаков включающих неподвижный статор с силовыми обмотками и ротор с обмотками возбуждения постоянным током и новых признаков, заключающихся в том, что ротор генератора выполнен составным в виде центральной металлической основы и сформированной на ней из ленточной электротехнической стали многослойной навивки, при этом на торцевых сторонах навивки, напротив обмоток статора, выполнены выступы, на которых выполнены индуктивные обмотки электрически связанные с контактными кольцами, смонтированными через изоляторы на боковых сторонах основы.
Витки ленточной навивки изолированы друг от друга и жестко соединены с центральной частью основы ротора.
Каждую пару индуктивных обмоток ротора на правой и левой его сторонах, расположенных напротив друг друга, выполняют последовательно одним проводом, начало которого соединяют с контактным правым кольцом, а конец провода с контактным левым кольцом.
Противоположно расположенные обмотки ротора одной пары выполняют чередованием - одну по часовой стрелке, а следующую пару выполняют против часовой стрелки.
Обмотки статора наматывают зеркально, одну по часовой стрелке, а противоположную против часовой стрелки, при этом подключение обмоток также выполняют зеркально.
Количество обмоток каждого статора на одну треть больше количества обмоток ротора.
В качестве материала для изготовления навивки ротора используют электротехническую сталь с содержанием кремния 2,5-3,0%.
Новизной предложенного генератора является выполнение ротора генератора составным в виде центральной металлической основы и сформированной на ней из ленточной электротехнической стали многослойной навивки, при этом на торцевых сторонах навивки, напротив обмоток статора, выполнены выступы, на которых выполнены индуктивные обмотки электрически связанные с контактными кольцами, смонтированными через изоляторы на боковых сторонах основы.
Так, выполнение ротора составным в виде центральной металлической основы и сформированной на ней из ленточной электротехнической стали многослойной навивки позволяет создавать более эффективный и более мощный магнитный поток и как результат повышает к.п.д.
Выполнение обмоток статора напротив выступов ротора, на которых выполнены силовые обмотки электрически связанные с контактными кольцами, смонтированными через изоляторы на боковых сторонах основы, позволяет без потерь использовать магнитный поток для выработки большей мощности.
Признаки выполнения витков ленточной навивки, изолированных друг от друга и жестко соединенных с центральной частью основы ротора, выполнение каждой пары индуктивных обмоток ротора на правой и левой его сторонах, расположенных напротив друг друга, последовательно одним проводом, начало которого соединяют с контактным правым кольцом, а конец провода с контактным левым кольцом, выполнение противоположно расположенных обмоток ротора одной пары чередованием - одну по часовой стрелке, а следующую пару выполняют против часовой стрелки, наматывание обмоток статора зеркально, одну по часовой стрелке, а противоположную против часовой стрелки, при этом подключение обмоток также выполняют зеркально, выполнение количества обмоток каждого статора на одну треть больше количества обмоток ротора, использование в качестве материала для изготовления навивки ротора используют электротехническую сталь с содержанием кремния 2,5-3,0% - являются признаками дополнительными, направленными на более полное раскрытие основных признаков и на достижение поставленного технического результата.
Проведенные патентно-информационные исследования, сочетания известных и новых признаков предполагаемой полезной модели в источниках патентной и научно-технической информации не выявили, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.
Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и не вытекает из него явным образом, и позволяет получить более высокий технический результат, то предлагаемые существенные признаки и их сочетание можно считать имеющими изобретательский уровень.
Описание осуществления предлагаемого устройства, в том числе в работе, позволяет отнести его к промышленно-выполнимым.
На фиг. 1 схематично представлен предлагаемый генератор в разрезе.
На фиг. 2 представлена многослойная навивка ротора из ленточной электротехнической стали с выполненными с правой и левой сторон выступами и впадинами.
На фиг. 3 показана ленточная навивка ротора с торца.
Синхронный генератор переменного тока с торцевым возбуждением состоит из ротора выполненного составным из центральной основы 1 смонтированной на валу 2 с размещенной на ее наружной цилиндрической поверхности ленточной навивки 3, выполненной из электротехнической кремнистой стали. На боковых поверхностях основы 1 через изоляторы 4 закреплены контактные медные кольца 5, с которыми контактируют щетки щеткодержателя 6. Щеткодержатель установлен в направляющей жестко закрепленной на корпусе каждого статора трубке 7. На ленточной навивке ротора выполнены выступы 8 и впадины 9 образующие пазы. На выступах 8 выполнены обмотки 10 ротора. С обеих торцовых сторон ротора на ленточной навивке 11 статора выполнены обмотки 12. На наружной стороне левого 13 и правого 14 корпусов статора выполнены клеммники 15. Корпуса 13 и 14 статора соединены между собой при помощи обечайки 16. Вал 2 ротора смонтирован на подшипниках 17, положение которых фиксируется гайками 18.
Синхронный генератор переменного тока с торцевым возбуждением работает следующим образом:
При подаче постоянного тока на медные кольца 4 ротора происходит возбуждение всех обмоток 10 ротора. Образовалось магнитное поле в обмотках на каждом выступе 8 (индукторе) ротора, которое возбуждает в силовых боковых обмотках 12 (якорях) статора переменный ток. Переменный ток снимаем с клеммников 15. Количество обмоток на каждом статоре больше количества обмоток на роторе на 1/3. Переменный ток с одной обмотки статора является одной фазой. Три обмотки подряд образуют три фазы переменного тока. Так, при вращении ротора по кругу создаем переменный ток в обмотках статора. Наличие с торцов ротора двух статоров позволяет снимать переменный ток в два раза больше чем в прототипе и чем в обычном генераторе. Практически на одном валу получается два генератора - правый и левый. Таким образом, при подаче постоянного тока на обмотки (индукторы) возбуждения ротора, в силовых обмотках статора индуцируется переменный ток, который и снимается с клеммников 15 статоров на общий рубильник.
Обмотки ротора выполняют цельным проводом попарно, путем навивки, например, обмотки на одном правом выступе 8 ротора с переходом и выполнением обмотки на левом выступе ротора, при этом начало правой обмотки соединено с контактным медным кольцом 4, смонтированным на правой стороне ротора и выход обмотки, выполненной на выступе левой стороны, соединен с контактным медным кольцом, смонтированным на левой стороне ротора. Таким образом, все обмотки с правой стороны соединены с токопроводящим контактным медным правым кольцом, а все обмотки левой стороны соединены с токопроводящим медным кольцом, смонтированным на роторе с левой стороны.
Выполнение витков ленточной навивки изолированными друг от друга и жестко соединенными с центральной частью основы ротора обеспечивает надежную работу генератора.
Выполнение противоположно расположенных обмоток ротора одной пары чередованием - одну по часовой стрелке, а следующую пару выполняют против часовой стрелки, позволяет получать переменный ток.
Обмотки статора наматывают зеркально, одну по часовой стрелке, а противоположную против часовой стрелки, при этом подключение обмоток также выполняют зеркально для совместимости фаз.
Количество обмоток каждого статора на одну треть больше количества обмоток ротора для выработки трехфазного тока и получения кривой напряжения под углом в 120°.
В качестве материала для изготовления навивки ротора используют электротехническую сталь с содержанием кремния 2,5-3,0% обеспечивает быстрое перемагничивание.
Катушки ротора через одну на одной стороне ротора наматывают в обратном направлении, чтобы создать чередующееся и противоположно направленное магнитное поле.
В настоящее время автором осуществляется изготовление опытного образца генератора, испытания которого намечено провести в четвертом квартале 2017 года.