ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (ЭГПТ) С КРЕЙЦКОПФНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
ALTERNATING CURRENT GENERATOR (ACG) WITH CROSSHEAD ENGINE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам двигатель-генератор, и может быть использовано при проектировании и производстве источников переменного электрического тока.
Известна система двигатель-генератор переменного электрического тока [1], в которой для возбуждения ЭДС в силовых обмотках статора якорь совершает вращательно движение. Зачастую в этой системе в качестве двигателя используют двигатели внутреннего сгорания [2]. Недостатком такой системы является сложность преобразования с помощью кривошипно-шатунного механизма возвратно-поступательного движения поршней двигателя во вращательное движение коленчатого вала, подсоединенного к якорю генератора.
Наиболее близким к предлагаемому является электрический генератор переменного тока, содержащий цилиндр двигателя внутреннего сгорания (ДВС), снабженный клапаном и электрической обмоткой [3]. Внутри цилиндра расположен поршень с образованием одной камеры сгорания. Поршень жестко соединен со штоком, электрическая обмотка расположена внутри нижней части цилиндра. На штоке закреплен ряд кольцевых магнитов, обращенных друг к другу разноименными полюсами.
Недостатком электрического генератора является низкая надежность работы в связи со сложностью конструкции подвижного штока поршня с закрепленными на нем кольцевыми магнитами. Целью изобретения является повышение надежности работы электрического генератора.
Указанная цель достигается тем, что электрический генератор переменного тока (ЭГПТ) с крейцкопфным двигателем, содержащий цилиндр ДВС, снабжен клапаном, электрической обмоткой, расположенной внутри нижней части цилиндра, поршнем, размещенным в цилиндре с образованием одной камеры сгорания и жестко соединенным со штоком, кольцевыми магнитами, обращенными друг к другу разноименными полюсами. При этом шток выполнен из магнитного материала, сердечники электрической обмотки выполнены кольцевыми двутаврового сечения, кольцевые магниты охватывают шток поршня и расположены по обеим сторонам сердечников. На штоке поршня выполнены кольцевые канавки, заполненные немагнитным материалом.
ЭГПТ характеризуется тем, что в качестве материала кольцевых магнитов используется неодим-железо-бор.
ЭГПТ характеризуется тем, что длина прорезей двутавровых сердечников электрической обмотки равна длине канавок штока поршня и толщине кольцевых магнитов, а толщина полок сердечников электрической обмотки выполняется равной толщине выступов штока поршня.
ЭГПТ характеризуется также тем, что прорези кольцевых сердечников электрической обмотки у штока поршня заполнены немагнитным материалом.
На фиг.1 дан поперечный разрез крейцкопфного ДВС при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). ЭГПТ содержит цилиндр 1 крейцкопфного ДВС, клапан 2, электрическую обмотку 3, расположенную в нижней части цилиндра 1, поршень 4, размещенный в цилиндре 1 с образованием одной камеры сгорания и жестко соединенный со штоком 5. В своей нижней части шток 5 подвижно соединен с диафрагмой 6.
Электрическая обмотка 3 состоит из кольцевых сердечников 7 (фиг.2) двутаврового сечения. Кольцевые магниты 8, обращенные друг к другу разноименными полюсами, охватывают шток 5 поршня 4 и расположены по обеим сторонам сердечников 7 вдоль штока 5. На штоке 5 выполнены кольцевые канавки 9, заполненные немагнитным материалом, например сплавом на основе алюминия. Прорези кольцевых сердечников 7 у штока 5 имеют кольцевые вставки 10, выполненные из немагнитного материала.
Кольцевые сердечники 7 имеют прорези длиной «h» и полки толщиной «k». Длина кольцевых канавок 9 штока 5 составляет величину «H». Толщина выступов штока 5 равна «m». Толщина кольцевых магнитов 8 составляет величину «С». Длина прорезей «h» кольцевых двутавровых сердечников 7 равна длине канавок «H» штока 5 и толщине «С» кольцевых магнитов 8, а толщина полок «k» кольцевых сердечников 7 соответствует толщине выступов «m» штока 5.
На фиг.3 представлен поперечный разрез крейцкопфного ДВС при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ).
Генератор работает следующим образом. При положении поршня 4 у ВМТ (фиг.1) в цилиндре 1 происходит сгорание топлива и поршень 4 со штоком 5 перемещается вниз к НМТ. Клапан 2 закрыт. Вследствие этого перемещения магнитные потоки кольцевых магнитов 8 генерируют ЭДС в электрической обмотке 3, снимаемую с электрических разъемов (на фиг.1 не обозначены). Генерирование ЭДС происходит в тот промежуток времени, когда выступы «m» штока 5 находятся вблизи полок «k» кольцевых сердечников 7 (на фиг.2 магнитные силовые линии показаны пунктиром).
В НМТ (фиг.3) свежий заряд воздуха поступает в цилиндр 1 двигателя через продувочные окна, а отработавшие газы удаляются через открытый клапан 2. При движении поршня 4 от НМТ к ВМТ магнитные потоки кольцевых магнитов 8 вновь генерируют ЭДС в электрической обмотке 3 при прохождении выступов «m» штока 5 около полок «k» кольцевых сердечников 7 (фиг.2). Затем цикл повторяется.
В судовых крейцкопфных ДВС поступающий в цилиндр 1 двигателя через продувочные окна свежий заряд воздуха имеет температуру, не превышающую 100°С [4]. При таком нагреве современные теплоизоляционные материалы обеспечивают высокие надежность и долговечность по температурному индексу и нагревостойкости [5]. Поэтому прикрепленная к нижней части цилиндра 1 электрическая обмотка 3 (фиг.1) с кольцевыми сердечниками 7 и кольцевыми магнитами 7 (фиг.2) не будут подвергаться чрезмерным температурным воздействиям.
2
Давление свежего заряда воздуха, поступающего в цилиндр 1 ДВС через продувочные окна, на крейцкопфных двигателях не превышает 5 кг/см [4]. Чтобы этот воздух не поступал в картерное пространство, ниже цилиндра 1 установлена диафрагма 6 с уплотнительными кольцами. Для надежного уплотнения шток 5 выполняется цилиндрическим с заполнением канавок 9 штока 5 немагнитным материалом, например алюминиевым сплавом.
В качестве материала кольцевых магнитов 8 может использоваться сплав неодим-железо-бор, обладающий высокими магнитными свойствами. Наличие кольцевых магнитов 8, охватывающих шток 5, позволит повысить надежность уплотнения диафрагмы 6 использованием в соединении «кольцевые магниты - шток» магнитной смазки.
Для повышения надежности электрической обмотки 3 (фиг.1) прорези кольцевых сердечников 7 у штока 5 имеют кольцевые вставки 10 (фиг.2), выполненные из немагнитного материала, например из алюминиевого сплава.
Во время работы крейцкопфный ДВС может обеспечить не только привод генератора, но и привод гребного винта на судне. В этом случае на судне нет необходимости иметь дополнительный дизель-генератор [2].
Литература
1. Аткинс Б. Общая теория электрических машин. Пер. с англ. И.В. Антика. М.-Л.: Государственное энергетическое издательство. 1960. 272 с.
2. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта: Учеб. пособие / Г.А.Конке, В.А.Лошко. - М.: Машиностроение, 2005. 512 с.
3. Патент на полезную модель №103041. Российская Федерация, МПК Н02К 35/00. Электрический генератор переменного тока. Фокин А.Ю., Фокин Ю.И.; опубл. 20.03.2011, Бюл. №8.
4. Дизели. Справочник. Под общ. редакцией В.А.Ваншейдта, Н.Н.Иванченко, Л.К.Коллерова. - Л.: Машиностроение, 1977. 480 с.
5. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов. - В 2-х кн. Кн.1 / И.П.Копылов, Б.К.Клоков, В.П.Морозин, Б.Ф.Токарев; Под ред. И.П.Копылова. - М.: Энергоатомиздат, 1993. 464 с.