ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
DIRECT CURRENT GENERATOR

Изобретение относится к области электрических машин постоянного тока и может быть использовано на промышленных предприятиях и электрическом транспорте в качестве высоковольтного источника постоянного тока.
Известен генератор постоянного тока, содержащий сердечник якоря с размещенной на нем обмоткой якоря, закрепленный на валу генератора, полюса генератора, на которых расположены обмотки возбуждения, подключенные к источнику постоянного напряжения, при этом концы обмотки якоря соединены с коллекторными пластинами, на которых установлены токосъемные щетки, а вал генератора механически связан с валом приводного электродвигателя, подключенного к источнику переменного напряжения, либо с выходным валом двигателя внутреннего сгорания (Вольдек А.И. Электрические машины. - М.: Энергия, Ленинградское отделение, 2008. - 320 с.).
Известный генератор имеет невысокую надежность, что обусловлено наличием коллекторно-щеточного узла, подверженного искрению с возможностью перехода в круговой огонь.
Наиболее близким к заявляемому изобретению, относящемуся к генераторам постоянного тока, является генератор, описанный в патенте РФ №2091966, М. кл. Н02К 23/38, 1997 - прототип. Этот генератор содержит статор, полюса с размещенными на них обмотками возбуждения, якорь с якорной обмоткой, закрепленный на валу, который соединен с валом приводного электродвигателя, подключенного к источнику переменного напряжения, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих колец с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, а одно из проводящих колец, к которому присоединено начало якорной обмотки, выполнено сплошным.
В известном генераторе обмотки возбуждения подключены к источнику постоянного напряжения, поэтому из условия обеспечения прохождения тока по катушкам якорной обмотки только в одном направлении при изменении положения якоря относительно полюсов магнитного поля статора осуществляется их поочередная коммутация с помощью второго проводящего кольца, выполненного с тремя разрезами, смещенными относительно друг друга на 120°, к секторам которого подключены концы катушек якорной обмотки. Контактное устройство известного генератора является одним из видов коллекторно-щеточного узла, которому присущи такие недостатки, как искрение и обгорание, вследствие чего известный генератор имеет низкую надежность.
Другим недостатком известного генератора является невозможность получения с его выхода высокого напряжения вследствие ограничений, связанных с возможностью возникновения кругового огня на проводящем кольце с тремя разрезами и пробоя изоляции между его секторами.
Задачей данного изобретения является повышение надежности и выходного напряжения генератора.
Технический результат достигается тем, что генератор постоянного тока, содержащий статор, полюса с размещенными на них обмотками возбуждения, якорь с якорной обмоткой, закрепленный на валу, который соединен с валом приводного электродвигателя, подключенного к источнику переменного напряжения, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих колец с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, при этом одно из проводящих колец, к которому присоединено начало якорной обмотки, выполнено сплошным, в контактном устройстве второе проводящее кольцо выполнено сплошным и к нему присоединен конец якорной обмотки, а обмотки возбуждения генератора подключены к источнику переменного напряжения, при этом приводным электродвигателем является синхронный двигатель.
Благодаря подключению обмотки возбуждения генератора к источнику переменного напряжения, питающему синхронный приводной двигатель, обеспечивается синхронное изменение полярности полюсов с изменением положения якоря относительно них, в результате чего направление тока в якорной обмотке при вращении якоря остается неизменным. Поэтому стало возможным использование в контактном устройстве для токосъема двух сплошных проводящих колец, к одному из которых присоединено начало, а к другому конец якорной обмотки, что позволило повысить надежность генератора.
Применение в качестве токосъемных элементов сплошных проводящих колец, аналогичных контактным кольцам синхронных и асинхронных электрических машин, обеспечило значительное повышение выходного напряжения генератора.
На фиг.1 представлена электрическая схема генератора; на фиг.2, 3 показаны положения якоря генератора, на котором расположены активные стороны а и b якорной обмотки, а именно на фиг 2 - при верхнем положении стороны а, когда угол поворота якоря равен 90° и на фиг.2 - при нижнем положении, когда угол поворота якоря равен 270°; на фиг.4 - зависимость ЭДС (е) якорной обмотки от угла поворота якоря (α).
A
B
Генератор постоянного тока содержит статор 1 с полюсами 2, на которых размещены обмотки возбуждения 3, якорь 4 с якорной обмоткой 5, а также контактное устройство 6, закрепленное на валу генератора 7. Контактное устройство 6 выполнено в виде двух сплошных проводящих колец 8 и 9. На сплошных проводящих кольцах 8 и 9 неподвижно установлены токосъемные скользящие щетки 10, 11, с которых снимается постоянное напряжение генератора U, к которым подключено нагрузочное сопротивление 12. Начало якорной обмотки 5 присоединено к сплошному проводящему кольцу 8, а ее конец - к сплошному проводящему кольцу 9. Вал генератора 7 соединен с валом 13 приводного синхронного двигателя 14, подключенного к источнику трехфазного переменного напряжения 15. К двум фазам источника переменного напряжения 15 подключены обмотки возбуждения 3, на которые подается переменное напряжение U.
Генератор работает следующим образом.
При включении генератора переменное напряжение от источника напряжения 15 поступает на приводной синхронный двигатель 14, его вал 13 начинает, например, вращаться против часовой стрелки с установившейся синхронной частотой. Если число пар полюсов генератора равно единице, вал приводного двигателя 13 и соединенный с ним вал генератора 7 совершают один оборот за период питающего напряжения. При этом за один оборот якоря изменяется направление тока в обмотке возбуждения 3 и происходит смена полярности полюсов 2. При этом постоянство полярности ЭДС, индуктируемой под действием магнитного поля полюсов 2 в якорной обмотке 3 при вращении якоря 4, обеспечивается следующим образом.
В первой половине оборота якоря 4, например, при угле, равном 90° (фиг.2), щетка 10, соприкасающаяся со сплошным проводящим кольцом 8, соединенным с началом якорной обмотки 5, имеет положительный потенциал вследствие того, что к этой щетке подводится ток от активной стороны обмотки а, расположенной под полюсом N, щетка 11 в этот момент времени имеет отрицательный потенциал. При угле поворота якоря 4, равном 270° (фиг.3), когда активные стороны а и b якорной обмотки 5 поменялись местами, полярность щеток 11 и 10 остается неизменной, так как при нижнем положении активной стороны а и верхнем положении активной стороны b якорной обмотки 5 нижний полюс меняет свою полярность с S на N, а верхний с N на S. В результате полярность ЭДС, индуктируемой в якорной обмотке 5 при вращении якоря 4, сохраняется постоянной (фиг.4).
A
Таким образом, со щеток 10, 11, контактирующих со сплошными проводящими кольцами 8, 9, на выход генератора, к которому подключено нагрузочное сопротивление 12, подается постоянное напряжение U.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает значительное повышение надежности и выходного напряжения генератора.