ОДНОФАЗНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в электрических генераторах, в том числе в ветрогенераторах и генераторах автономных объектов.
Уровень техники
Из уровня техники известен униполярный генератор тока [патент РФ на изобретение №2518461], содержащий вращающийся ротор и неподвижный статор. В качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска. В качестве неподвижного статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитных полей, а количество секторов ротора равно количеству полюсов статора или больше, причем полюса статора вращающегося магнитного поля могут быть созданы вращающимися магнитами, либо электромагнитами, либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающееся постоянное или переменное поле. Количество вращающихся полюсов может быть 2 или больше при соблюдении условия, что направления ЭДС, создаваемые в роторе диаметрально расположенными полюсами, сонаправлены, а соседние полюса (по периметру) создают чередования направлений диаметральной полярности ЭДС на роторе.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие скользящего контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.
Также известен бесщеточный генератор [патент РФ на полезную модель №195231], содержащий неподвижный статор с выходной обмоткой, состоящей из катушек, оснащенный цилиндрическим постоянным магнитом ротор, комплекты полюсов из ферромагнитного материала, установленные с его торцов и имеющие по сквозному отверстию в своем центре каждый, с диэлектрическими прокладками изнутри для изоляции пластин комплекта полюсов от вала ротор, ротор выполнен составным с валом из немагнитного материала в центре, а статор выполняется из немагнитного материала и оснащается прорезями для магнитопроводов, каждый магнитопровод установлен в соответствующей ему прорези продольно к направлению оси вращения ротора и имеет два выступающих внутрь полости статора зубца соответственно комплектам полюсов. Количество полюсов в комплекте на один больше половины количества магнитопроводов статора, при количестве магнитопроводов статора, кратном двум.
Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие зубчатой зоны магнитопроводов статора, что усложняет их конструкцию, а также делает невозможным сглаживание магнитного потока путем изготовления зубцов с расширениями.
Раскрытие полезной модели
Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин [1, 2]. Во многих из них используются постоянные магниты для получения магнитного потока возбуждения, который приводит к появлению переменной ЭДС в обмотках генератора при их механическом вращении. Возможны и решения, использующие обмотки возбуждения для получения магнитного потока - большинство из них для своей работы требует механический контакт, например колец на роторе с щетками. Таким образом, применение постоянных магнитов для получения магнитного потока упрощает конструкцию и позволяет исключить контакты для передачи тока в обмотку возбуждения, однако не позволяют изменять магнитный поток возбуждения. В классических же синхронных генераторах обмотки возбуждения и выходная обмотка располагаются всегда раздельно на статоре и роторе.
Поскольку наличие механического контакта щеток и колец, может значительно усложнять эксплуатацию (необходимость замены, вероятность внезапного отказа с разрушением щеток), то идет процесс поиска решения с наиболее простой, удобной и эффективной конструкцией.
На данный момент существует только два варианта такого генератора без щеток, известные из уровня техники. Первый - это применение составной электрической машины, состоящей из двух или трех генераторов на общем валу, причем одна из них выполняется обращенной (обмотки статор-ротор меняются местами). Такие генераторы применяются в авиации и зачастую в судостроении, где устанавливаются в аварийных источниках электроэнергии. Второй - это конструкция генератора с продольным магнитным потоком, предложенная ранее автором данной заявки. У обоих этих вариантов есть как достоинства, так и недостатки.
В предлагаемом решении нет щеток и колец на роторе, при простоте конструкции и использовании классического генератора, без использования продольного магнитного потока. Это достигнуто путем переноса полюсов возбуждения с ротора на статор, и размещения их раздельно от зубцов с катушками выходной обмотки, т.е. в отличие от классического генератора применяются отдельные катушки на зубцах.
На фиг.1 показан внешний вид 3D-модели предлагаемого решения, где видно наличие двух (более крупных) катушек полюсов, расположенных напротив друг друга (диаметрально), а также четырех катушек выходной обмотки, расположенных на зубцах статора. Из рисунка также видно, что ротор выполняется без катушек и содержит шесть зубцов. На фиг. 2 показано поперечное сечение 3D-модели предлагаемого решения, где также наглядно видно расположение катушек на зубцах и полюсах статора.
На фиг.3 показано устройство предлагаемого решения, где указаны его составные части - выполненные ферромагнитными статор (1), ротор (6), а также катушки полюсов (2) и катушки выходной обмотки (4), установленные на полюсах (3) и зубцах (5) статора.
Также на фиг. 3 стрелками показано направление магнитного потока возбуждения, одинаковое для обоих полюсов - таким образом, данный генератор является униполярным по своей сути. Магнитный поток полюсов одинаков, и направление магнитного поля, проходящего через катушки выходной обмотки, не меняет своего знака.
На фиг. 4 показано распределение силовых линий магнитного поля при работе предлагаемого решения, где видно направление их распределения зубцами ротора к зубцам статора с катушками выходной обмотки на них. На фиг. 5 показан график выходного напряжения предлагаемого решения, полученный на 3D-модели в программной среде АНСИС. Напряжение имеет достаточно высокую степень синусоидальности, которая может улучшаться путем оптимизации геометрии и формы зубцов ротора.
Принцип работы предлагаемого решения основан на коммутации магнитного поля, создаваемого полюсами возбуждения на статоре, к зубцам с катушками выходной обмотки. Совмещение на общем статоре двух видов магнитной цепи - полюсов возбуждения и катушек выходной обмотки не применялось ранее в электротехнике.
Все указанные в отличительной части формулы признаки являются существенными для реализации предлагаемого решения, и не известны ранее из уровня техники во всей их совокупности. Использование четырех зубцов объединенных в 2 пары зубцов позволяет повысить эффективность, так как в сочетании с числом зубцов ротора позволяет реализовать генерацию ЭДС во всех четырех катушках двух пар. Таким образом, процесс генерации идет одновременно в большем количестве витков, при этом магнитное поле от отдельных зубцов ротора не накладывается друг на друга.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая простоту изготовления составных частей и процесса сборки генератора. Достигнуто исключение из конструкции сложной формы магнитопроводов и используются зубцовые катушки, которые изготовляются отдельно от самого генератора и устанавливаются при его сборке.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
два полюса возбуждения имеют катушки на каждом с одинаковой полярностью создаваемого ими магнитного поля;
четыре катушки выходной обмотки размещаются на четырех зубцах статора, объединенных в пары, эти пары зубцов статора расположены диаметрально и противоположно друг другу между полюсами возбуждения;
катушки выходной обмотки соединяются последовательно и согласно;
ротор имеет шесть зубцов.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - отсутствию щеток, и этим - к упрощению конструкции.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен внешний вид предлагаемого решения. На фиг. 2 изображено поперечное сечение предлагаемого решения. На фиг. 3 изображено устройство предлагаемого решения. Здесь 1 - статор, 2 - катушка полюса, 3 - полюс, 4 - катушка выходной обмотки, 5 - зубец, 6 - ротор. На фиг. 4 изображены силовые линии магнитного поля предлагаемого решения. На фиг. 5 изображен график выходного напряжения предлагаемого решения.
Список использованной литературы
1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Изд-во «Юрайт», 2014.
2. Штелтинг Г., Байссе А. Электрические машины. М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 2015.