САМОРЕГУЛИРУЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
SELF-TUNING GENERATOR WITH PERMANENT MAGNETS

Область техники
Настоящее изобретение относится к саморегулируемому генератору с постоянными магнитами.
Предшествующий уровень техники
Открытие электромагнитной индукции было объявлено Фарадеем в статье, зачитанной в Королевском Обществе 24 ноября 1831 г. Изобретатели немедленно начали разработку машин с постоянными магнитами разных конструкций. Поэтому в 1832 г. стало известно, что прохождение электрического тока по проводнику создает магнитное поле. Была определена концепция силовых линий, и стало известно, что вращение катушки провода в поле постоянного магнита обусловливает генерирование напряжения в проводе.
Общеизвестно, что электрогенераторы содержат две части: систему возбуждения, в которой ранние машины состояли из простых или составных постоянных магнитов; и систему катушек, или обмоток, в которой происходит генерирование электричества. Движение систем относительно друг друга существенно важно, при этом не важно, что именно движется - магниты или катушки; и фактически используются оба типа конструкции.
После лабораторных показов Фарадея первая машина с постоянными магнитами была публично представлена Ипполитом Пиксии в Париже в 1832 г. В этой машине возбуждающий магнит вращался по отношению к катушкам. Машина действовала вручную и представляла собой нечто большее, чем рабочая модель; но все же это был первый практически работающий генератор, созданный по Фарадееву принципу.
Промышленное изготовление электрогенераторов было начато Э.М. Кларком. В 1830-х гг. он был владельцем производства по изготовлению научных приборов в Лондоне. Конструкции Кларка отличались от их предшественников тем, что катушки вращались в плоскости, параллельной сторонам магнита. По-видимому, Кларк был первым, кто экспериментировал с разными типами обмоток, и вскоре обнаружил, что можно изменять выходную мощность сообразно потребностям пользователя.
11 апреля 1855 г. был выдан Британский патент № 806 Сорену Хьорту (Дания) на «усовершенствованную батарею с постоянными магнитами». Описываемая в нем машина является электрогенератором, основное возбуждение которого обеспечивается электромагнитами. Преимущества, получаемые от электромагнитной системы возбуждения, это возможность изменять напряженность магнитного поля. На чертежах патента показана машина, в которой вращающийся диск с установленными на нем катушками приводится во вращение между двумя батареями электромагнитов, имеющими постоянные магниты, для обеспечения первоначального возбуждения.
В декабре 1866 г. Э.В. фон Сименс представил в Берлинскую Академию Наук статью, описывающую преобразование механической энергии в электрическую без использования постоянных магнитов. 14 февраля 1867 г. Карл Сименс переслал статью в Королевское Общество в Лондоне и представил генератор ручного действия, демонстрировавший принцип самовозбуждения.
В настоящее время принято считать, что Зиноб Грамм сконструировал первую динамо-машину, способную вырабатывать действительно непрерывный электрический ток. К 1873 г. компания «Грамм» представила машину для открытого испытания в башне курантов в Вестминстере, Англия. К 1874 г. динамо-машины Грамма использовались по меньшей мере на двух крупных кораблях французского военного флота и на некоторых кораблях российского военного флота.
Поэтому вся предыстория выработки электроэнергии представляет собой ход от использования систем возбуждения с постоянными магнитами до использования электромагнитных самовозбуждающихся динамо-машин. Причина этой эволюции заключается в том, что синхронный, т.е. имеющий постоянную скорость вращения, генератор переменного тока, возбуждаемый полем постоянных магнитов, вырабатывает напряжение, обратно пропорциональное прилагаемой нагрузке. С увеличением нагрузки выходное напряжение снижается. Недостаток синхронных генераторов переменного тока с постоянными магнитами до сих пор препятствовал их промышленному использованию. Все традиционные генераторы согласно известному уровню техники, т.е. генераторы, использующие электромагниты для возбуждения магнитного поля, должны иметь вращающиеся обмотки, электрически соединенные токосъемными контактными кольцами или коммутаторами. Токосъемные контактные кольца или коммутаторы и их щетки могут выходить из строя из-за износа. Токосъемные контактные кольца или коммутаторы необходимо заменять или ремонтировать. Они представляют трудность, которая не преодолена в известном уровне техники, т.е. до разработки данного изобретения.
Мощность переменного тока вырабатывается генераторами, работающими с постоянной частотой вращения. В этих генераторах обмотка движется через магнитное поле, индуцируя течение тока согласно закону Фарадея. Когда магнитное поле, индуцируемое электрическим током, постоянное и скорость движения проводника в поле тоже постоянная, то вырабатываемое генератором напряжение будет прямо зависеть от нагрузки на генератор. С повышением нагрузки выходное напряжение будет снижаться в соответствии с хорошо известными законами электричества для прогнозирования свойств цепей переменного тока.
Если магнитное поле в генераторе переменного тока, работающего с постоянной частотой вращения, создается движением постоянного магнита, то напряженность магнитного поля в основном поле постоянная, поэтому выход по напряжению генератора будет обратно пропорциональным нагрузке на выходе генератора. Обратная взаимосвязь выхода по напряжению с нагрузкой до сих пор препятствовала использованию постоянных магнитов в качестве основного поля в синхронных генераторах переменного тока. Генераторы с постоянными магнитами простые и надежные, поскольку для них не требуется электрических соединений для вращающейся части генератора с постоянными магнитами, создающими основное поле.
В уровне техники не известны аналоги, раскрывающие генератор переменного тока с постоянными магнитами, работающий с постоянной частотой вращения под переменными электрическими нагрузками, в результате чего устраняется старая проблема падения напряжения генератора с увеличением нагрузки.
Большинство электрических нагрузок представляет собой электронное оборудование, для надежной работы которого требуется регулировка напряжения. Генераторы переменного тока с постоянными магнитами не в состоянии обеспечить стабилизированный выход по напряжению по причине присущего им стационарного магнитного поля. Известный уровень техники раскрывает использование генераторов с регулируемым напряжением и с обмоточным полем, в которых часть генератора, используемая для генерирования магнитного поля, является электромагнитом, напряженность поля которого можно изменять при помощи электронной или магнитной цепи обратной связи в соответствии с требованиями нагрузки, прикладываемой к основному генератору.
Фазные генераторы используют различные средства регулировки напряжения. Например, генератор переменного тока может обеспечивать регулировку напряжения путем изменения напряженности поля электромагнитной обмотки, которая создает основное поле генератора, чтобы компенсировать реактивное сопротивление реакции якоря, обусловленное нагрузкой на выходе генератора. Это можно выполнить при помощи цепи обратной связи, использующей внешний электронный или магнитный стабилизатор напряжения. Средства регулирования напряжения хорошо известны специалистам в области конструирования электрических машин. Из уровня техники также известно использование отдельных обмоток возбуждения, расположенных под углом около 90° по отношению к главной обмотке. Обмотки возбуждения реагируют на основную нагрузку увеличением напряжения, в результате чего возрастает основное магнитное поле, и за счет этого компенсируется реактивное сопротивление, вызванное увеличившейся нагрузкой на выходе генератора. Из уровня техники также хорошо известно техническое решение, согласно которому основные обмотки проходят через внешнее поле бесщеточного генератора и эффект которого заключается в усилении напряженности магнитного поля для компенсации возросшей нагрузки.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание генератора с постоянными магнитами, в котором основное вращающееся магнитное поле обеспечивается постоянным магнитом, нагрузка подключена к главной обмотке вокруг якоря, а якорь также имеет вторичную обмотку, смещенную по отношению к первичной обмотке на 90 градусов и соединенную с емкостной нагрузкой. Значение емкостной нагрузки подбирают такой, чтобы реактивное сопротивление вторичной обмотки нейтрализовало реактивное сопротивление первичной обмотки, когда полная нагрузка прилагается на первичную обмотку.
Краткое описание чертежа
Изобретение поясняется описанием со ссылками на сопровождающий чертеж, на котором схематически изображено сечение генератора, осуществленного согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения.
Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Постоянный магнит 101 вращается на валу 103 в направлении стрелки 105. Кольцевой якорь 107 цилиндрически окружает постоянный магнит 101. Якорь 107 и постоянный магнит 101 ограничивают кольцевое пространство 109.
В якоре 107 выполнен паз 111 под первичную обмотку, и в пазу установлена первичная обмотка 113. Первичная обмотка 113 параллельно соединена с нагрузкой 115, которая является электрической нагрузкой.
Электрическая нагрузка 115 может быть любым устройством, для надлежащей работы которого требуется постоянное напряжение.
Якорь 107 также имеет канал 117 для вторичной обмотки, на 90 градусов смещенной по отношению к первичной обмотке. В канале размещена вторичная обмотка 119. Вторичная обмотка 119 параллельно соединена с емкостной нагрузкой 121.
Значение емкостной нагрузки 121 подобрано таким, чтобы реактивное сопротивление, создаваемое емкостной нагрузкой 121 и вторичной обмоткой 119, было прямо пропорционально реактивному сопротивлению, создаваемому цепью, образованной активной нагрузкой 115 и первичной обмоткой 113.
Первичная и вторичная обмотки согласно изобретению могут быть одно- или многофазными обмотками. Если вторичная обмотка является многофазной, то емкостная нагрузка 121 будет многофазной емкостной нагрузкой.
Поле постоянного магнита (не показано), создаваемое постоянным магнитом 101, вращается вокруг якоря 107, индуцируя напряжение в первичной обмотке 113 и во вторичной обмотке 119. Емкостная нагрузка 121 имеет достаточную емкость, чтобы обеспечивать необходимое реактивное сопротивление якоря, равное реактивному сопротивлению реакции якоря от нагрузки 115, при полной нагрузке.
Работа осуществляется следующим образом.
В соответствии с настоящим изобретением при отсутствии нагрузки векторная сумма возбуждения, создаваемого вращающимся постоянным магнитом 101 и вторичной электрической обмоткой 119, соединенной с емкостной нагрузкой 121, будет вырабатывать номинальное выходное напряжение генератора на первичной обмотке 113.
При подключении нагрузки 115 на первичной обмотке 113 реактивное сопротивление первичной обмотки нейтрализуется реактивным сопротивлением вторичной обмотки 119 и емкостной нагрузки 121. Вторичная обмотка 119 приблизительно на 90 градусов смещена по отношению к первичной обмотке 113, поэтому реактивное сопротивление обмотки 119 будет прямо пропорциональным нагрузке на обмотке 113.
В результате выход по току генератора переменного тока с постоянными магнитами согласно настоящему изобретению будет относительно постоянным: от нулевой нагрузки до полной нагрузки. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает регулировку напряжения синхронного генератора переменного тока с постоянными магнитами, работающего с постоянной частотой вращения, без использования внешнего стабилизатора, подключенного к обмоточному полю.
Настоящее изобретение представляет собой шаг вперед в области генераторов переменного тока, работающих с постоянной частотой вращения. Новизна изобретения состоит в его возможностях обеспечения регулируемого выхода по напряжению в работающем с постоянной частотой вращения генераторе с постоянными магнитами без использования поля обмотки. Поэтому, хотя излагаемый схематически выше пример поясняет общий случай предпочтительного осуществления изобретения, оно не должно ограничиваться этим конкретным осуществлением, а только объемом прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентами.