Синхронный генератор
SYNCHRONOUS GENERATOR

Область, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области электротехники, в частности касается усовершенствования конструкции синхронного генератора на постоянных магнитах, используемого в системах автономного электроснабжения.
Уровень техники.
Известен «Электрический генератор на постоянных магнитах», который содержит статор с обмотками, которые расположен на зубцах статора, магнитопровод, а также магнитной перемычкой. (RU 137162 U1 Н02К 21/14, Н02К 21/16, Н02К 1/14, Н02К 1/27, Н02К 3/18).
Ее недостаток – сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием многополюсного ротора с постоянными магнитами, а также использование зубцов статора вдоль радиуса генератора выполненных в виде спаренных симметричных и параллельных участков.
Известен «Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов», который содержит несущий узел статора с опорными подшипниками, группу кольцевых магнитопроводов с полюсными выступами по периферии, на которых размещены электрические катушки с многофазными якорными обмотками статора, опорный вал, а также группу одинаковых кольцевых роторов с кольцевыми магнитными вкладышами. (RU 2 548 662 С1 H02K 21/22 H02K 1/27).
Ее недостаток – сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием большого количества магнитов, электрических катушек и группу кольцевых магнитопроводов, на которых они расположены, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения большого количества элементов.
Известен «Магнитоэлектрический генератор», содержащий корпус, статор, в пазы которого вмонтированы ферромагнитные клинья и пазовая изоляция, а также ротор состоящий из вала со втулкой, четырнадцать полюсов установлены на внешней части втулки, содержащие постоянные магниты, которые зашихтованы и электрически изолированы друг от друга. (RU 2018 104 007 А H02K 21/12).
Недостатком является сложность конструкции, требующая сложного технического решения, связанного с использованием большого количество магнитов, которые устанавливаются на внешнюю втулку, за счет чего усложняется конструкция самого ротора, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, большие массогабаритные показатели.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, принятый авторами за прототип является «Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой» содержит два ротора в виде кольца, внутренний и внешний, на которых закреплены ферромагнитные пластины, к которым крепятся прямоугольные магнитные полюса и постоянные магниты, обмотки статора расположены между внешним и внутренним ротором. Внешний и внутренний ротор соединены с волом ротора, который закреплен в подшипниках корпуса синхронного генератора. (RU 2 642 442 С1 H02K 1/27 H02K 21/12 H02K 16/02)
Недостатком данного устройства является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием большого количества магнитов и сложной конфигурации ротора, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения большого количества магнитов, малая мощность генератора.
Раскрытие изобретения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является удешевление конструкции, оптимизации магнитной системы генератора, увеличение мощности генератора и повышение его КПД, организация трехфазной системы генерирования электроэнергии, стабилизация напряжения за счет переключения схем обмоток статора со звезды на треугольник и обратно в зависимости от мощности нагрузки и оборотов ротора, уход от эффекта «залипания» ротора, уменьшение удельной металлоемкости генератора на единицу мощности.
Технический результат достигается с помощью синхронного генератора, содержащего статор, расщепленный на внутренние и внешние кольца статора, состоящие из магнитопровода с расположенными на нем сердечниками. На сердечник намотаны обмотки статора, соединенные электрически между собой, по схеме соединения обмоток звезда или треугольник, с возможностью их переключения в зависимости от угловой скорости вращения ротора и мощности потребителей электроэнергии, статор стационарно закреплен, между внешним и внутренним кольцом статора расположен ротор в виде кольца, выполненного из прочного немагнитного материала, в котором размещены постоянные магниты, ротор соединен с валом, закрепленным с помощью подшипников.
Новизна технического решения обусловлена тем, что синхронный генератор содержит расщепленный статор на внешнее и внутреннее кольца, состоящие из магнитопровода, к магнитопроводу прикреплены сердечники, на которых расположены обмотки статора. Обмотки статора соединены по трехфазной схеме в звезду или треугольник, с возможностью переключения схемы в зависимости от оборотов вращения ротора и мощности потребителей электроэнергии, что позволяет стабилизировать напряжение на фазах синхронного генератора в определенном диапазоне. Ротор расположен между двумя кольцами статора, выполнен из немагнитного материала, внутри которого размещены постоянные магниты, свободно вращается относительно неподвижного статора. Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, пронизывает сердечники и обмотки статора внешних и внутренних колец, что увеличивает ЭДС в обмотках синхронного генератора и, как следствие, его мощность. Вал закреплен при помощи подшипников и приводит в движение ротор синхронного генератора.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения о прототипах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен прототип, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов и прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков прототипа позволила выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлен общий вид синхронного генератора;
На фиг. 2 – представлен вид сбоку синхронного генератора.
Осуществление изобретения.
Синхронный генератор состоит из статора 1, состоящего из внутреннего кольца 2 в виде магнитопровода 3 с сердечниками 4, на которых намотаны обмотки 5 статора 1, и внешнего кольца 6 в виде магнитопровода 7 с сердечниками 8, на которых намотаны обмотки 9 статора 1. Ротор 10 выполнен в виде кольца, с закрепленными на нем постоянными магнитами 11. Ротор 10 соединен с валом 12 синхронного генератора, вал 12 закреплен на подшипниках 13. Ротор 10 выполнен из немагнитного материала, магниты 11 неодимовые (NdFeB) с аксиальным намагничиванием, обмотки 5 и 9 статора 1 выполнены медным проводом.
Синхронный генератор работает следующим образом.
Вращающий момент  передается через вал 12 ротору 10 синхронного генератора, что приводит во вращение постоянные магниты 11, расположенные в роторе 10, вращающемся между внешним кольцом 6 статора и внутренним кольцом 2 статора 1. Постоянные магниты 11 в роторе 10 расположены с поочерёдной полярностью, при вращении ротора 10 магнитные потоки, создаваемые постоянными магнитами 11 во внешнем и внутреннем кольцах статора 1 пронизывают сердечники 4, 8 и обмотки 5,9 статора 1, индуцируя переменное напряжение в данных обмотках 5 и 9. Обмотки 5 и 9 статора 1 соединяются электрически при низком напряжении на фазах статора 1 по схеме звезда, при высоком напряжении по схеме треугольник.
Результатом совокупности перечисленных элементов новизны обеспечивается удешевление конструкции генератора за счет использования меньшего количества постоянных магнитов 11 по сравнению с прототипом, оптимизация магнитной системы за счет направления магнитных потоков постоянных магнитов 11 через магнитопроводы 3 и 7, сердечники 4 и 8 внутреннего кольца 2 и внешнего кольца 6 статора 1, что влечет за собой увеличение мощности и КПД синхронного генератора, организация трехфазной системы генерирования электроэнергии способствует увеличению мощности и уменьшению массогабаритных показателей синхронного генератора, невозможность позиционирования постоянных магнитов 11 напротив сердечников 4 и 8 за счет организации трехфазной системы позволяет уйти от эффекта «залипания» ротора 10, использование композитных материалов, изготавливаемых на 3D принтере, позволяет уменьшить металлоемкость синхронного генератора.
Таким образом, технический результат изобретения позволяет оптимизировать магнитную систему генератора, увеличить мощность генератора и повысить КПД, организовать трехфазную систему генерирования электроэнергии, стабилизировать напряжение за счет переключения схем обмоток 5 и 9 статора 1 со звезды на треугольник и обратно в определенном диапазоне, уйти от эффекта «залипания» ротора 10, уменьшить удельную металлоемкости генератора на единицу мощности.