МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к электромашиностроению, и может быть использована при изготовлении генераторов, предназначенных для автономных электростанций, паровых либо газовых турбин.
Известны электрические машины с электромагнитным возбуждением (1), содержащие обмотку возбуждения с охватывающей ее скобой (индуктор), и жестко закрепленный на валу ротор на постоянных магнитах, который размещен внутри неподвижного статора с обмотками. С помощью изменения тока в катушке можно регулировать (стабилизировать) выходные параметры агрегата, однако в его конструкции должны быть предусмотрены большие воздушные зазоры, что неизбежно ведет к ухудшению масса-габаритных показателей. Кроме того, наличие индуктора влечет за собой появление больших потерь мощности, т.е. снижению КПД.
Наиболее близким к полезной модели устройством является магнитоэлектрический генератор, содержащий ротор на постоянных магнитах и статор с соответствующими фазными обмотками (2). Достоинством данной конструкции является высокий КПД, обусловленный практически полным отсутствием потерь в роторе. Однако машина имеет существенный недостаток, заключающийся в невозможности регулирования выходных параметров, например, выходного напряжения при работе в режиме генерирования электроэнергии, т.е. узкие функциональные возможности. Возможность регулирования выходных параметров (при изменении нагрузки от ее минимального значения до максимального) можно обеспечить за счет существенного усложнения конструкции, что приведет к ухудшению масса-габаритных показателей и снижению КПД.
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании полезной модели, является обеспечение возможности стабилизации выходных параметров генератора в случае изменения величины нагрузки при сохранении оптимальных масса-габаритных показателей и высокого КПД.
Технический результат достигается тем, что в магнитоэлектрическом генераторе, содержащем статор и установленный на валу ротор с постоянными магнитами (2), ротор состоит из двух частей с одинаковым
числом полюсов, первая из частей ротора жестко связана с валом, а вторая, имеющая возможность свободного вращения на валу, соединена с валом либо с первой частью ротора посредством упругой муфты, обеспечивающей взаимный угловой сдвиг между частями ротора, минимальное значение которого соответствует максимальной нагрузке, а максимальное - минимальной, причем упругая муфта может быть выполнена в виде жестко закрепленного на валу либо на первой части ротора коромысла, соединенного с одним из концов пружины, второй конец которой неподвижно скреплен со шпонкой, жестко связанной со второй частью ротора.
На Фиг.1 изображена конструктивная схема устройства (продольный разрез).
На Фиг.2 изображена конструктивная схема устройства (поперечный разрез) при максимальной нагрузке.
На Фиг.3 изображена конструктивная схема устройства (поперечный разрез) при минимальной нагрузке.
Устройство содержит статор 1 и установленный на валу 2 ротор с постоянными магнитами. Ротор состоит из двух частей с одинаковым числом полюсов. Первая из частей (ведущая) 3 жестко связана с валом 2, а вторая (ведомая) 4, имеющая возможность свободного вращения на валу, соединена с валом 2 либо с первой его частью 3 посредством упругой муфты 5. Упругая муфта обеспечивает (при неизменности оборотов вала) взаимный угловой сдвиг между частями ротора, минимальное значение которого соответствует максимальной нагрузке, а максимальное - минимальной.
Упругая муфта 5 может иметь различные конструкции, например, в виде (Фиг.2, 3) жестко закрепленного на валу 2 либо на ведущей части 3 ротора коромысла 6, соединенного с одним из концов пружины 7. Второй конец пружины прикреплен к шпонке 8, жестко связанной со второй частью ротора 4 либо с ее обоймой. Жестко соединенный с коромыслом (при помощи шпонки 9) поводок 10 и регулировочная втулка 11 позволяют выставить выходное напряжение в режиме минимальной нагрузки.
Устройство работает следующим образом.
При вращении вала 2 начинает вращаться жестко связанная с ним первая (ведущая) 3 часть ротора. Одновременно приходит в движение коромысло 6, которое через пружину 7 и шпонку 8 передает вращательное движение на обойму ведомой части 4. В результате обе части начинают синхронно вращаться, а в обмотках статора 1 возникают напряжения, создаваемые переменными магнитными потоками частей. Выходное напряжение формируется как сумма напряжений, сдвинутых по фазе. При максимальной нагрузке пружина 7 сжимается (Фиг.2), а при минимальной - разжимается (Фиг.3). В результате угол между коромыслом 6 и шпонкой 9
1
2
изменяется от λ до λ, при этом фазовый сдвиг между напряжениями на обмотках статора 1 изменяется в такой же степени.
При максимальной нагрузке эти напряжения синфазны, т.к. упругая муфта обеспечивает совпадение полюсов обеих частей. Синфазность напряжений влечет за собой отдачу генератором максимальной мощности.
При уменьшении нагрузки увеличивается угловой между полюсами (пружина 7 сжимается) и напряжения пропорционально сдвигаются по фазе друг относительно друга, в результате чего выходное напряжение генератора уменьшается.
3
4
3
4
3
4
Выходное напряжение может изменяться от максимального до нуля при фазовом сдвиге 360/р, где р - число полюсов ротора, и равенстве активных длин обеих частей 3 и 4 ротора. При различных величинах активных длин частей ротора (l и l) выходное напряжение меняется от максимального (Uмах) до Uмах (l-l)/(l+l).
Особенностью данной конструкции является то, что выходное напряжение генератора стабилизируется как при граничных (минимальных и максимальных) величинах нагрузки, так и при ее промежуточных значениях. Это объясняется тем, что косинусоидальный закон зависимости изменения выходного напряжения от величины углового сдвига между частями ротора хорошо апроксимируется с внешней характеристикой генератора.
Таким образом, разделение ротора на две части, одна из которых соединена с валом через упругую муфту, обеспечивающую угловой сдвиг между частями ротора, позволяет стабилизировать выходные параметры генератора при изменении величины нагрузки (при сохранении оптимальных масса-габаритных показателей и высокого КПД).
Устройство может найти применение при изготовлении электрических генераторов широкого назначения.
Составитель описания: Н.Н.Лаптев
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания: «Электрооборудование летательных аппаратов» Москва, МЭИ, с.180, р.6.15 и 6.16, 2005 г.