ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ФУНКЦИЕЙ ОГРАНИЧЕНИЯ ПОЛЯ

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортных средств, а именно к электрическим бесщеточным автотракторным генераторам, в которых используются постоянные магниты. Приводы генераторов производятся, как правило, от основных двигателей транспортных средств, к которым в первую очередь следует отнести колесную и гусеничную технику.
Известен бесщеточный автотракторный электрический генератор, содержащий статор с силовой обмоткой, ротор, представляющий собой шести-лучевую стальную звезду, между зубьями которой размещены постоянные магниты, две неподвижных обмотки возбуждения (Чижков Ю.П., Акимов. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. - М.: Издательство «За рулем», 1999. - 384 с). Вращающийся ротор генератора изменяет магнитный поток в статоре, что приводит к возникновению в обмотке статора электродвижущей силы (ЭДС). Изменением токов в обмотках возбуждения варьируется величина магнитного потока в обмотках статора и, следовательно, регулируется выходное напряжение генератора.
Недостаток указанного генератора заключается в необходимости использования внешнего источника тока (аккумулятора) в начале работы при выходе генератора на номинальный режим работы. Наличие постоянных магнитов между зубьями ротора облегчает выход генератора на номинальный режим работы, однако не исключает необходимости использования внешнего источника.
Известен бесщеточный электрический генератор трехфазного переменного тока (Патент на изобретение РФ 2439770, Воронин С.Г. и др., январь 2012), содержащий статор с двумя шихтованными пакетами с трехфазной обмоткой, впрессованными в массивный магнитопровод, обмотку возбуждения, расположенную между шихтованными пакетами статора, и ротор с укороченными полюсами, полюса выполнены в виде намагниченных радиально и укороченных в аксиальном направлении постоянных магнитов с укорочениями для полюсов разной полярности с противоположных сторон, а на место укорочений вставлены вставки из магнитомягкого материала, обмотка статора состоит их катушек, каждая из которых надета на два расположенных напротив друг друга зубца обоих шихтованных пакетов. Регулирование величины выходного напряжения генератора обеспечивается путем пропускания постоянного тока по обмотке возбуждения. В данном техническом устройстве возможен выход генератора на номинальный режим работы без внешнего источника тока (аккумулятора), что обеспечивается значительной величиной магнитодвижущих сил используемых постоянных магнитов.
С другой стороны, наличие магнитодвижущих сил постоянных магнитов значительной величины в указанном генераторе приводит к возможности возникновения больших амплитуд ЭДС (напряжения) при вращении ротора в случае отсутствия регулирующего тока в обмотке возбуждения. Наличие значительного напряжения на выводах генератора представляет угрозу разрушения изоляции его токопроводящих проводников и нарушения работоспособности приемников электрической энергии, в первую очередь полупроводниковых устройств.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, состоит в ограничении выходного напряжения на обмотках генератора при любых вариациях величины регулирующего тока обмотки возбуждения, что в целом повышает надежность работы генератора и устройств его электрической нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что генератор оснащен ограничителем выходного напряжения, который состоит из дополнительной обмотки возбуждения (ДОБ), расположенной между шихтованными пакетами статора, трех полупроводниковых стабилитронов и полупроводникового диода.
Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез генератора, на фиг.2 поперечный разрез генератора, на фиг.3 электрическая схема ограничителя напряжения и схема его подключения к обмоткам генератора, на фиг.4 изображена развертка ротора по внутреннему диаметру.
Предлагаемый генератор выполнен по обращенной конструкции, то есть неподвижный статор располагается внутри машины, а вращающийся ротор с постоянными магнитами расположен снаружи статора. Такая конструкция представляется более удобной, с точки зрения, крепления привода ротора генератора. Статор содержит магнитопровод 1, в котором установлены два шихтованных пакета 2 и 3 из магнитомягкого материала с зубцами 4. Магнитные оси зубцов 4 в шихтованных пакетах 2 и 3 совпадают в осевом направлении. На каждой паре шихтованных пакетов 2 и 3 установлена катушка 5 с обмоткой. В совокупности катушки 5 образуют трехфазную обмотку статора (α, b, с). В промежутке между шихтованными пакетами 2 и 3 в магнитопроводе 1 выполнено углубление, в котором установлена основная обмотка 6 возбуждения, создающая магнитный поток в аксиальном направлении. Корпус 7 ротора содержит магнитопровод 8, на который наклеены полюса из постоянных магнитов 9 (N и S), намагниченных в радиальном направлении, и закреплены вставки 10 из магнитомягкого материала.
Генератор имеет встроенный ограничитель 11 напряжения, который содержит дополнительную обмотку 12 возбуждения, расположенную, как и основная обмотка 6 возбуждения, между шихтованными пакетами 2 и 3 статора. Один вывод дополнительной обмотки 12 соединен параллельно с тремя выходными выводами фазных обмоток генератора через стабилитроны 13, 14 и 15, другой вывод через полупроводниковый диод 16 соединен с точкой объединения внутренних выводов фазных обмоток генератора.
Генератор может быть выполнен по технологиям, используемым в производстве электрических машин переменного тока.
Статор генератора может быть изготовлен с использованием технологии производства фазных роторов электрических машин переменного тока необращенной конструкции.
Внешняя часть корпуса 7 ротора генератора может изготавливаться из металлической отливки с соответствующей металлообработкой. На внутренней поверхности корпуса 7 ротора послойно размещены: магнитопровод 8, выполненный из ферромагнитного материала, например из электротехнической стали, и плоские постоянные магниты 9, изготавливаемые из магнитных материалов с высокими удельными показателями, например Fe-Nd-B, а также вставки 10 из магнитомягкого материала. Конструктивно магнитопровод 8 ротора и вставки 10 могут быть выполнены в виде одной детали, т.е. вставки 10 изготавливаются как выступы на магнитопроводе 8 с высотой равной высоте постоянных магнитов 9.
Генератор работает следующим образом. Магнитный поток, создаваемый магнитом 9, через воздушный зазор поступает в зубцы 4 шихтованных пакетов 2 и 3, находящихся под этим магнитом. Отсюда поток по магнитопроводу 1 статора проходит на соседнюю пару зубцов 4 шихтованных пакетов статора 2 и 3, находящихся под магнитом противоположной полярности. Из этих зубцов 4 поток через воздушный зазор и соседний магнит 9 противоположной полярности поступает в магнитопровод 8, по которому замыкается на исходный магнит 9. При вращении ротора происходит чередование полюсов магнитов 9 над зубцами 4 шихтованных пакетов 2 и 3, от этого изменяется величина и направление магнитного потока через зубцы 4 и в катушках 5 обмотки статора наводится переменная ЭДС, величина которой зависит от величины магнитного потока и скорости вращения ротора.
При протекании тока по обмотке 6 возбуждения от источника постоянного тока формируется магнитный поток, который также проходит через пакеты статора 2 и 3. Если направление потока, создаваемого обмоткой 6 возбуждения совпадает с направлением потока создаваемого магнитами 9, то происходит подмагничивание генератора и увеличивается выходная ЭДС. При изменении направления потока в обмотке 6 возбуждения происходит уменьшение суммарного потока в зубцах 4 и ЭДС генератора.
Для уменьшения массо-габаритных показателей генератора целесообразно использовать магнитопроводы генератора в режимах близких к насыщению, что ведет к необходимости регулирования ЭДС генератора потоком обмотки 6 возбуждения близким к максимальному.
Следовательно, при случайном отсутствии тока в обмотке 6 возбуждения и при отключении нагрузки генератора, в обмотках статора может вырабатываться ЭДС весьма значительной величины, что особенно характерно для мощных генераторов.
Для предотвращения возникновения значительных ЭДС, что угрожает разрушением изоляции токопроводящих проводников, в генераторе установлен ограничитель 11 величины ЭДС. Ограничение ЭДС проводится путем уменьшения магнитного потока в зубцах 4 с помощью дополнительной обмотки 12 возбуждения. Ток дополнительной обмотки 12 возбуждения формирует магнитный поток с направлением, уменьшающим поток в зубцах 4 независимо от величины тока в основной обмотке 6 возбуждения и от наличия нагрузки генератора. Наиболее целесообразным является встраивание всех деталей ограничителя 12 напряжения в корпус статора.
Ток в дополнительной обмотке 12 возбуждения формируется только в моменты действия ЭДС, которая представляет опасность для электрических цепей генератора. В остальное время ограничитель 11 не влияет на работы генератора. Ток в дополнительной обмотке 12 возбуждения формируется от всех фаз генератора путем подключения их к обмотке 12 через стабилитроны 13, 14 и 15. Выбор величины напряжения пробоя стабилитронов определяется конструкцией генератора и используемыми в нем материалами. Однонаправленность протекания тока а, следовательно, и магнитного потока от дополнительной обмотки 12 возбуждения, задано полупроводниковым диодом 16, через который произведено подключение второго вывода дополнительной обмотке 12 возбуждения к фазным обмоткам генератора.
При возникновении в какой-либо обмотке ЭДС превышающей величину пробоя одного из стабилитронов (13, 14, 15) последний открывается, и по дополнительной обмотке 12 возбуждения и полупроводниковому диоду 16 будет протекать ток. Полупроводниковым диодом 16 определено направление тока, при котором формируется магнитный поток, уменьшающий суммарный магнитный поток в генераторе. Следовательно, после возникновения ЭДС, превышающей величину пробоя одного из стабилитронов (13, 14, 15), в дополнительной обмотке 12 возбуждения появляется ток, от действия которого суммарный магнитный поток в генераторе и ЭДС будут уменьшаться.
Таким образом, использование в генераторе постоянных магнитов 9 в качестве основного источника возбуждения, ведет в ряде случаев к возможности возникновения значительных ЭДС. Следовательно, одним из условий надежной работы такого генератора является применение встроенного ограничителя 11 величин ЭДС. Действие ограничителя 11 не позволяет формироваться ЭДС, величиной превышающей уровень пробоя используемых стабилитронов 13, 14 и 15.