УЛУЧШЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ПОСТОЯННОМ МАГНИТЕ
IMPROVED PERMANENT MAGNET GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение. Полезная модель относится к электротехнике и представляет собой электрическую машину, предназначенную для генерации и питания нагрузки постоянным током высокого качества.
Уровень техники. Из уровня техники известен униполярный генератор тока [патент РФ на изобретение №2518461], содержащий вращающийся ротор и неподвижный статор. В качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска. В качестве неподвижного статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля, а количество секторов ротора равно количеству полюсов статора или больше, причем полюса статора вращающегося магнитного поля могут быть созданы вращающимися магнитами, либо электромагнитами, либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающееся постоянное или переменное поле. Количество вращающихся полюсов может быть 2 или больше при соблюдении условия, что направления ЭДС, создаваемые в роторе диаметрально расположенными полюсами, сонаправлены, а соседние полюса (по периметру) создают чередования направлений диаметральной полярности ЭДС на роторе.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие скользящего контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.
Также известна многовальная униполярная электрическая машина [патент РФ на изобретение №2634350], содержащая систему возбуждения, токопроводящие диски, имеющие общую точку соприкосновения, а также два токосъемника. При этом оси токопроводящих дисков располагаются параллельно и вращаются в разном направлении, а система возбуждения выполнена наборной из ряда индукторов, выполненных в виде П-образного магнитопровода и содержащих обмотки возбуждения. Индукторы расположены параллельно плоскостям вращения дисков, а число индукторов равно количеству дисков плюс один. Каждый из индукторов обхватывает обе половинки двух рядом расположенных дисков, а два крайних индуктора охватывают половинки двух крайних дисков, токосъем реализован парой токосъемников с крайних точек окружностей крайних дисков.
Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие механического контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.
Раскрытие изобретения. Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин [1]. Во многих из них используются постоянные магниты для получения магнитного потока возбуждения, который приводит к появлению переменной ЭДС в обмотках генератора при их механическом вращении. Возможны и решения, использующие обмотки возбуждения для получения магнитного потока - большинство из них для своей работы требуют механического контакта, например колец на роторе со щетками. Таким образом, применение постоянных магнитов для получения магнитного потока упрощает конструкцию, и позволяет исключить контакты для передачи тока в обмотку возбуждения. Кроме того, постоянные магниты позволяют улучшить КПД электрической машины, и зачастую существенно снизить массу и габариты в целом.
Успехи современной промышленности в части добычи и переработки редкоземельных металлов, а также изготовления постоянных магнитов с высоким значением коэрцитивной силы (и магнитной индукции) обеспечили серийный выпуск различных электрических машин с магнитными полюсами из постоянных магнитов. Доступны значительные мощности, вплоть до 15 МВт, что позволило использовать их в системах электродвижения. Возможно изготовление постоянных магнитов самой разной формы.
Хотя двигатели составляют значительную часть выпускаемых машин с постоянными магнитами, актуально также и генерирование электроэнергии. Замена обмотки возбуждения ротора синхронного генератора на постоянные магниты позволяет избавиться от контактных колец на роторе и щеточного аппарата для передачи тока к обмоткам ротора, однако обеспечивает на выходе только переменный ток.
Различают генераторы переменного и постоянного рода тока, причем в последнее время получает все большие перспективы питание потребителей постоянным током. Это обусловлено широким использованием в составе электропривода и прочих систем электронных блоков питания и частотных преобразователей, имеющих в своей структуре звено постоянного тока. Таким образом, любой потребитель может получать резервное питание от сети постоянного тока. Кроме того, существуют особые технологические процессы, требующие питания постоянным током - что делает актуальным создание надежных генераторов постоянного тока большой мощности. Еще одним перспективным направлением является альтернативная энергетика, в частности, ветроэнергетические установки - которые включают большое количество генераторов относительно небольшой мощности, объединенных процессом генерации электроэнергии и передачи ее в сеть. В них также есть питаемое от полупроводникового выпрямителя звено постоянного тока и преобразование постоянного тока в переменное трехфазное напряжение. Применение предлагаемого решения позволит отказаться от выпрямления напряжения, что упростит всю систему в целом и повысит ее надежность.
Одним из путей повышения надежности генераторов постоянного тока является исключение или минимизация числа токосъемов и механических щеточных контактов [1]. Наличие в конструкции классических генераторов постоянного тока коллектора и щеточного аппарата на нем ведет к износу щеток и необходимости их частого обслуживания, а также к выделению в окружающий воздух угольной пыли. Также использование коллектора ведет к ограничению предельной мощности, отдаваемой в нагрузку. Возможная замена контактного аппарата для механического выпрямления напряжения на полупроводниковые диоды или транзисторы, усложняет в целом и поэтому снижает надежность работы генератора.
Задача по созданию бесконтактного генератора постоянного тока, не имеющего в своей конструкции любого рода токосъема, остается актуальной. Причина этого кроется в том, что в известных из уровня техники решениях в обмотках генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, которая выпрямляется при помощи скользящего контакта или блока диодов.
Любой постоянный магнит имеет направление своего намагничения, и два полюса: северный (N) и южный (S), силовые линии которых замыкаются между собой, образуя замкнутый контур для магнитного потока.
В известных из литературы конструкциях генераторов постоянного тока возбуждение магнитного поля осуществляется установкой постоянных магнитов на роторе генератора, причем всегда магнитные полюса чередуются своей полярностью - что определяет их взаимодействие между собой. Известны разные конструкции ротора генератора с постоянным магнитом, в том числе и в виде когтеобразных полюсов, однако во всех из них полюса располагаются с чередованием их полярности. Поочередное прохождение магнитного потока северного и южного полюсов через обмотку генератора постоянного тока, ведет к наведению в ней переменной ЭДС. Это делает неизбежным применение разного рода коммутации (механической или при помощи диодов) для выпрямления тока и питания нагрузки генератора постоянным током [1, 2]. Например, хорошо известный из уровня техники коллектор машин постоянного тока является механическим выпрямителем наведенной в обмотке переменной ЭДС, возникающей при чередовании полярности полюсов возбуждения. Известны решения с возбуждением постоянными магнитами на роторе, и блоком полупроводниковых диодов на статоре - по существу, такие решения являются обращенными машинами, однако механический контакт коллектора заменяется в них на коммутацию полупроводниковыми ключами.
Предлагаемое решение лишено подобного недостатка, и не содержит в своей конструкции любого рода коммутационной аппаратуры и токосъемов. Благодаря этому значительно повышается надежность работы, и снижается время, необходимое для обслуживания персоналом. Кроме того, решается проблема получения значительных мощностей и высоких напряжений, так как отсутствуют ограничивающие мощность элементы.
На фигуре 1 показано поперечное сечение генератора с постоянным магнитом в районе установки первого комплекта полюсов. Видно, что полярность полюсов комплекта одинакова, что отличает такое решение от классических машин постоянного тока. На статоре располагаются зубцы, на которых установлены катушки выходной обмотки. При вращении ротора происходит изменение магнитного потока от зубцов, установленных на нем, однако полярность его остается неизменной. Колебание магнитного потока возбуждения происходит за счет смещения полюсов ротора относительно зубцов статора. При промежуточном положении зубцов статора и ротора относительно друг друга, магнитное поле полюсов будет в значительной мере уходить в поля рассеяния, снижая магнитный поток в зубцах статора. Таким образом, в установленных на зубцах статора катушках наводится ЭДС, с биениями, вызванными зубцовой структурой магнитопровода генератора, и имеющими одну полярность.
Можно различить два взаимных положения зубцов ротора и статора, когда зубцы совпадают и магнитный поток максимален, и положение когда зубцы ротора располагаются в промежутке между зубцами статора, в таком случае магнитный поток возбуждения уходит в поля рассеяния. Генератор работает в непрерывном цикле между этими двумя крайними положениями, наводя в катушках статора ЭДС одной полярности. Однако эффективность такого решения будет ограничена скоростью нарастания индукции dB/dt, которая определяет размах наведенной ЭДС.
На фигуре 2 показано поперечное сечение генератора с постоянным магнитом в районе второго комплекта полюсов. Видно, что полярность зубцов является обратной к полярности первого комплекта полюсов.
При вращении ротора генератора, второй комплект будет наводить катушках ЭДС, имеющую другую полярность относительно ЭДС в катушках статора первого комплекта. Для их суммирования выходная обмотка должна состоять из катушек, включенных последовательно и согласно относительно друг друга. В этом случае ЭДС всех катушек будет суммироваться.
На фигуре 3 показано продольное сечение варианта генератора при установке на роторе намагниченного продольно цилиндрического магнита, создающий магнитный поток возбуждения, расходящийся к установленным по торцам комплектам полюсов из шихтованного магнитного материала. Показанные пунктиром силовые линии магнитного поля замыкаются в продольной оси генератора. Таким образом, также имеет место продольное направление замыкания магнитного потока возбуждения, что позволяет упростить технологию сборки и уменьшить количество магнитов относительно возможного варианта с размещением комплектов магнитов по окружности ротора. В таком случае потребуется увеличенное количество постоянных магнитов, а также усложнится технология сборки. Воздействие угловой скорости снаружи ротора накладывает ограничения на размер ротора генератора, и скорость его вращения для предотвращения разрушения магнитов. Перечисленные факторы не являются препятствием для работы в таком случае, но предоставляют преимущество установке цилиндрического постоянного магнита в центре ротора генератора.
На фигуре 4 показана принципиальная электрическая схема обмотки статора генератора с постоянным магнитом, и равным числом зубцов статора и ротора. Как упоминалось выше, такой вариант будет иметь пониженную скорость нарастания индукции, и потребует большего количества витков в катушках, чем в заявляемом решении - однако может быть реализован и применен в практических целях.
Для уменьшения числа магнитов, упрощения конструкции, повышения ее надежности, в предлагаемом решении используются комплекты полюсов, изготовленные из шихтованного ферромагнитного материала (например, из листов электротехнической стали), устанавливаемые с торцов ротора. Для получения магнитного потока возбуждения используется цилиндрический магнит, как это было описано выше.
Постоянный магнит, устанавливаемый на роторе, имеет продольное к его оси вращения направление намагничения, благодаря чему его магнитный поток поступает в комплекты полюсов, расположенные с торцов. Симметрия магнитной системы комплектов полюсов обеспечивает распределение потока равномерно между комплектов полюсов ротора, причем полярность смежных полюсов в каждом комплекте одинакова. Это исключает взаимодействие смежных полюсов ротора между собой, а магнитный поток замыкается в продольной оси генератора.
На фигуре 5 показано сечение статора предлагаемого генератора с постоянным магнитом, откуда видно, что в его корпусе есть продольные прорези для установки магнитопроводов. Поскольку магнитный поток ротора замыкается в продольном к оси вращения направлении, таким образом, наличие сплошного статора из магнитного материала становится не нужным. Более того, отсутствие магнитного потока в поперечной плоскости снижает потери, а также позволяет уменьшить массу статора благодаря применению пластиков или легких немагнитных сплавов.
Для работы предлагаемого решения достаточно наличие показанных на фигуре 6 магнитопроводов, число которых в 2 раза больше числа полюсов ротора. На фигуре 6 показано продольное сечение магнитопровода, видно наличие выступающих зубцов на его концах, предназначенных для установки катушек выходной обмотки. Магнитный поток полюсов ротора замыкается в продольной плоскости через магнитопроводы, установленные по окружности в продольные прорези статора. Таким образом, корпус статора служит в роли крепления для магнитопроводов.
На фигуре 7 представлено поперечное сечение предлагаемого решения в районе первого комплекта полюсов ротора. Из рисунка видно, что полюса ротора имеют одинаковую полярность магнитного потока по окружности, а их количество в 2 раза меньше числа зубцов статора - таким образом, при совмещении положения ротора с зубцами магнитопроводов статора, каждый второй магнитопровод имеет магнитный поток, равный нулю. При этом в половине катушек будет ЭДС, близкая к максимуму, а в другой половине катушек ЭДС не будет - поскольку весь магнитный поток будет проходить через магнитопроводы, зубцы которых совпали с полюсами ротора. Каждый второй зубец на статоре не имеет катушки вторичной обмотки, это позволяет снизить расстояние между зубцами на статоре, и таким образом сгладить моменты перехода магнитного потока с одного зубца на другой. Другими словами, это способствует более плотной компоновке магнитной системы на статоре, с учетом того, что катушки соответствующие первому комплекту полюсов ротора имеют смещение на один зубец относительно второго - или иначе говоря, катушки выходной обмотки установлены с чередованием по комплектам зубцов на статоре. Каждый магнитопровод на статоре имеет два зубца, и только на одном из них в предлагаемом решении устанавливается катушка выходной обмотки, причем место установки катушки чередуется от магнитопровода к магнитопроводу.
На фигуре 8 представлено поперечное сечение предлагаемого решения в районе второго комплекта полюсов ротора. Из рисунка наглядно видно, что катушки устанавливаются с чередованием относительно сечения на фигуре 7. Таким образом, каждый магнитопровод на статоре имеет катушку выходной обмотки, и каждый магнитопровод участвует в формировании выходного напряжения генератора.
На фигуре 9 представлено продольное сечение предлагаемого решения, где наглядно видно замыкание магнитного потока возбуждения постоянного магнита, размещенного в центре ротора. Использование немагнитного вала ротора позволяет избежать снижения магнитного потока возбуждения.
Также на фигуре 9 видны комплекты полюсов ротора, представляющие собой шихтованные пакеты из ферромагнитного материала, и служащие для разделения магнитного потока постоянного магнита на необходимое число полюсов ротора. Силовые линии магнитного поля проходят через полюса, представляющие собой в поперечном сечении зубцы, число которых в 2 раза меньше числа зубцов на статоре. Диэлектрические прокладки на валу ротора позволяют избежать замыкания пластин комплектов полюсов ротора на вал ротора и возникновения контура для протекания вихревых токов.
На фигуре 10 изображена принципиальная схема выходной обмотки на статоре, также на рисунке показаны магнитопроводы, на которых катушки размещаются. Каждому магнитопроводу соответствует одна катушка, причем место их установки (один или второй комплект полюсов ротора) чередуется. Все катушки включаются согласно и последовательно - таким образом, их пульсирующие ЭДС суммируются, образуя последовательность с малыми пропусками (провалами). Качество выходного постоянного напряжения предлагаемого решения будет зависеть от числа полюсов ротора, а также от его скорости вращения. Чем выше скорость вращения ротора - тем больше будет количество пульсаций за интервал времени, и может достигать 500 пульсаций за период сети 50 Гц (для сравнения), что намного лучше качества выпрямителей. Пульсации напряжения с высокой частотой будет проще сгладить, а размер и масса фильтров на стороне потребителей будет весьма невелика, что также обеспечивает преимущество.
Предлагаемое техническое решение является принципиально новым, и имеет следующие принципиальные отличия:
- число полюсов ротора в два раза меньше числа зубцов статора;
- катушки выходной обмотки устанавливаются с чередованием по комплектам зубцов;
- расстояние между зубцами в комплектах минимально;
- статор изготавливается из немагнитного материала.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения ранее неизвестна и ведет к новому техническому результату - повышению эффективности генератора и снижению массы и габаритов.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображено поперечное сечение генератора с постоянным магнитом в районе первого комплекта полюсов ротора. На фигуре 2 изображено поперечное сечение генератора с постоянным магнитом в районе второго комплекта полюсов ротора. На фигуре 3 изображено продольное сечение генератора с постоянным магнитом. Здесь 1 - статор, 2 - вал ротора, 3 - постоянный магнит, 4 -катушка, 5 - прокладка. На фигуре 4 изображена принципиальная электрическая схема выходной обмотки генератора с постоянным магнитом. На фигуре 5 изображено поперечное сечение статора предлагаемого улучшенного генератора на постоянном магните. На фигуре 6 изображено продольное сечение магнитопровода предлагаемого улучшенного генератора на постоянном магните. На фигуре 7 изображено поперечное сечение предлагаемого улучшенного генератора на постоянном магните в районе первого комплекта полюсов ротора. На фигуре 8 изображено поперечное сечение предлагаемого улучшенного генератора на постоянном магните в районе второго комплекта полюсов ротора. На фигуре 9 изображено продольное сечение предлагаемого улучшенного генератора на постоянном магните. Здесь 1 - статор, 2 - вал ротора, 3 - постоянный магнит, 4 - катушка, 5 - прокладка, 6 - магнитопровод, 7 - торцевые полюса. На фигуре 10 изображена принципиальная электрическая схема выходной обмотки предлагаемого улучшенного генератора на постоянном магните.
Список использованной литературы
1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М: Изд-во «Юрайт», 2014.
2. Штелтинг Г., Байссе А. Электрические машины. М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 2015.