РАДИАЛЬНО-АКСИАЛЬНАЯ ДВУХВХОДОВАЯ БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА-ГЕНЕРАТОР
RADIAL-AXIAL TWO-INPUT NON-CONTACT ELECTRIC MACHINE-GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя механической энергии вращения, подаваемой на механический вход машины, и электрической энергии постоянного тока, одновременно подаваемой на ее электрический вход, в суммарную электрическую энергию постоянного или переменного тока.
Известна двухмерная аксиальная электрическая машина-генератор, содержащая якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу беличьей клетки, имеющих возможность свободно вращаться относительно друг друга, причем ротор и якорь выполнены аксиальными, а в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью трех контактных колец и трех щеток соединен с сетью переменного тока (патент РФ №2349014).
Однако в связи с наличием щеточно-коллекторного узла в такой машине она обладает рядом недостатком, свойственных контактным электрическим машинам: искрение щеток, переходящее в круговой огонь из-за неравномерного их износа, вибрация щеток, их заклинивание и др. Более 40% отказов вращающихся контактных машин приходится на щеточно-коллекторный узел.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятой авторами за прототип является аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор (патент РФ №2450411, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М. и др.), содержащая корпус, вал, на котором установлены подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, при этом подвозбудитель состоит из постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря возбудителя, основной генератор состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с обмоткой якоря основного генератора, причем постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и магнитопроводы, в пазы которых уложены обмотки подвозбудителя, возбудителя и основного генератора, выполнены аксиальными, при этом боковые аксиальные магнитопроводы жестко установлены в корпусе, а постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод жестко установлены на валу с возможностью вращения относительно боковых аксиальных магнитопроводов, при этом постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя установлен с торца одного бокового аксиального магнитопровода, а внутренний аксиальный магнитопровод установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами, внутренний аксиальный магнитопровод и боковой аксиальный магнитопровод, с торца которого установлен постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя, выполнены с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами, а другой боковой аксиальный магнитопровод выполнен с одной активной торцовой поверхностью с пазами, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны постоянного многополюсного магнита подвозбудителя уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, которая подключена к обмотке якоря подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, и дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная к источнику постоянного тока, в пазы внутреннего аксиального магнитопровода со стороны обмотки возбуждения возбудителя и дополнительной обмотки возбуждения возбудителя уложена многофазная обмотка якоря возбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, которая подключена к обмотке якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью уложена многофазная обмотка якоря основного генератора.
H
H
H
B
H
B
а
Однако известная из пат РФ №2450411 аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор имеет недостаточно хорошие массогабаритные показатели вследствие того, что внутри аксиальных магнитопроводов имеется свободное пространство цилиндрической формы. Длина этого пространства равна длине машины-генератора, а диаметр равен D/3, где D - наружный диаметр аксиальных магнитопроводов, так как при изготовлении аксиальной электрической машины, оптимальной с точки зрения максимума удельной мощности, основное соотношение наружного и внутреннего диаметров равно: =D/D=3, где D - наружный диаметр аксиальных магнитопроводов, D - внутренний диаметр аксиальных магнитопроводов (Кашин Я.М., Кашин А.Я., Пауков Д.В. Обоснование и разработка перспективных конструкций генераторных установок для систем автономного электроснабжения // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. №1. С. 46-53).
Задачей заявленного изобретения является разработка двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора меньших габаритных размеров при сохранении неизменной мощности и массы, а также расширение области применения двухвходовых электрических машин-генераторов.
Технический результат заявленного изобретения - уменьшение длины машины вдоль вала на толщину постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и половину толщины бокового магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями при неизменной массе и мощности электрической машины или увеличение мощности электрической машины при неизменной длине машины вдоль вала на указанную выше толщину.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемой радиально-аксиальной двухвходовой бесконтактной электрической машине-генераторе, содержащей корпус, внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, вал, на котором установлены подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, при этом подвозбудитель состоит из постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода, в пазы которого уложены дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя и основная однофазная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря подвозбудителя, и многофазной обмотки якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, основной генератор состоит из однофазной обмотки возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода с одной торцовой активной поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, причем внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами и жестко связан с валом посредством диска, при этом однофазная обмотка возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, а многофазная обмотка якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с однофазными обмотками возбуждения возбудителя, вал выполняется полым, боковой аксиальный магнитопровод, в пазы которого уложены основная и дополнительная однофазные обмотки возбуждения возбудителя, выполняется с одной активной торцовой поверхностью, а в корпусе устанавливается неподвижная ось, располагаемая соосно с полым валом, который выполняется имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси, при этом неподвижная ось закрепляется в подшипниковых узлах, устанавливаемых в полом валу, и выполняется жестко связанной с корпусом одним концом, расположенным со стороны корпуса, на котором закреплен боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, которая подключается к многофазному двухполупериодному выпрямителю, дополнительно устанавливаемому в корпусе, при этом магнитопровод, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, выполняется цилиндрическим и жестко закрепляется на неподвижной оси, а постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя устанавливается на внутренней поверхности полого вала таким образом, чтобы создаваемый постоянным многополюсным магнитом индуктора подвозбудителя магнитный поток был направлен вдоль радиуса цилиндрического магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя.
Уменьшение длины двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора вдоль вала на половину толщины бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого в прототипе уложены многофазная обмотка якоря подвозбудителя, однофазная обмотка возбуждения возбудителя и дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя, достигается за счет того, что вместо него в предлагаемой электрической машине-генераторе выполнен боковой аксиальный магнитопровод с одной активной торцовой поверхностью, толщина которого в два раза меньше толщины бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, установленного в прототипе. В пазы бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью в предлагаемом устройстве уложены основная и дополнительная однофазные обмотки возбуждения возбудителя.
Для размещения подвозбудителя, состоящего из постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения якоря подвозбудителя, используется свободное в прототипе пространство внутри аксиальных магнитопроводов. Для этого вал в предлагаемой радиально-аксиальной двухвходовой бесконтактной электрической машине-генераторе выполняется полым, в корпусе устанавливается неподвижная ось, располагаемая соосно с полым валом, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси, при этом неподвижная ось закрепляется в подшипниковых узлах, устанавливаемых в полом валу, и выполняется жестко связанной с корпусом одним концом, располагаемым со стороны корпуса, на которой закреплен боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, а магнитопровод, в пазы которого укладывается многофазная обмотка якоря подвозбудителя, выполняется цилиндрическим и жестко закрепляется на неподвижной оси.
Уменьшение длины машины-генератора вдоль вала на толщину постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя достигается тем, что постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя устанавливается на внутренней поверхности полого вала. При этом обеспечение необходимого взаимодействия магнитного потока индуктора подвозбудителя с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя достигается установкой постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя таким образом, что создаваемый многополюсным магнитом индуктора подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса цилиндрического магнитопровода.
Благодаря вышеизложенному обеспечивается уменьшение габаритных размеров двухвходовой бесконтактой электрической машины-генератора при ее неизменных массе и мощности или увеличение мощности электрической машины при ее неизменных размерах.
Предлагаемое изобретение, выполняя функцию суммирования и преобразования механической энергии и электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока, как и прототип, в то же время в отличие от него за счет улучшения массогабаритных показателей позволяет расширить область применения двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора, например, для применения в локальных подвижных объектах, на которых габариты и геометрия оборудования имеют существенное значение (летательные аппараты, автомобили и т.д.), а установка в корпусе дополнительного многофазного двухполупериодного выпрямителя и подключение к нему однофазной обмотки якоря основного генератора позволяют получить постоянное напряжение высокого качества, что также расширяет область применения двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой радиально-аксиальной двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора, на фиг. 2 представлена электрическая схема предлагаемой радиально-аксиальной двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора.
Радиально-аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор содержит: корпус 1, внутренний аксиальный магнитопровод 12 с двумя активными торцовыми поверхностями, полый вал 2, закрепленный в подшипниковых узлах 3 и 18, постоянный многополюсный магнит 4 индуктора подвозбудителя, цилиндрический магнитопровод 6, в пазы которого уложена многофазная обмотка 7 якоря подвозбудителя, жестко закрепленный в корпусе боковой аксиальный магнитопровод 8 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложены дополнительная однофазная обмотка 10 возбуждения возбудителя и основная однофазная обмотка 9 возбуждения возбудителя, подключенная через многофазный двухполупериодный выпрямитель 21 к многофазной обмотке 7 якоря подвозбудителя, многофазную обмотку 11 якоря возбудителя, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 12 с двумя активными торцовыми поверхностями, однофазную обмотку 13 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 12 с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенную через многофазный двухполупериодный выпрямитель 14 к многофазной обмотке 11 якоря возбудителя, жестко закрепленный в корпусе 1 боковой аксиальный магнитопровод 15 с одной торцовой активной поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка 16 якоря основного генератора, подключенная к многофазному двухполупериодному выпрямителю 22, установленному в корпусе 1.
Внутренний аксиальный магнитопровод 12 с двумя активными торцовыми поверхностями установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами 8 и 15 и жестко связан с полым валом 2 посредством диска 17.
Однофазная обмотка 13 возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 12 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 15 с одной торцовой активной поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря 16 основного генератора, а многофазная обмотка 11 якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 12 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 8 с одной торцовой поверхностью, в пазы которого уложены основная 9 и дополнительная 10 однофазные обмотки возбуждения возбудителя.
В корпусе 1 установлена неподвижная ось 19, расположенная соосно с полым валом 2, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси 19, при этом неподвижная ось 19 закреплена в подшипниковых узлах 5 и 20, установленных в полом валу 2, и жестко связана с корпусом 1 одним концом, расположенным со стороны корпуса 1, на котором закреплен боковой аксиальный магнитопровод 15 с многофазной обмоткой 16 якоря основного генератора.
Цилиндрический магнитопровод 6, в пазы которого уложена многофазная обмотка 7 якоря подвозбудителя, жестко закреплен на неподвижной оси 19, а постоянный многополюсный магнит 4 индуктора подвозбудителя установлен на внутренней поверхности полого вала 2 таким образом, что создаваемый постоянным многополюсным магнитом 4 индуктора подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса цилиндрического магнитопровода 6 с многофазной обмоткой 7 якоря подвозбудителя.
Радиально-аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор работает следующим образом. При вращении полого вала 2, с которым посредством диска 17 жестко связан внутренний аксиальный магнитопровод 12, в пазы которого уложены многофазная обмотка 11 якоря возбудителя и однофазная обмотка 13 возбуждения основного генератора, а на внутренней поверхности которого установлен постоянный многополюсный магнит 4 индуктора подвозбудителя, вокруг неподвижной оси 19 магнитный поток многополюсного постоянного магнита 4 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 7 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы цилиндрического магнитопровода 6, жестко закрепленного на неподвижной оси 19, и наводит в многофазной обмотке 7 якоря подвозбудителя многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 21 и подается на основную однофазную обмотку 9 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы бокового аксиального магнитопровода 8. При этом в основной однофазной обмотке 9 возбуждения возбудителя создается магнитный поток.
ВХ
ЭЛ
При подключении источника постоянного тока с напряжением U (например, фотоэлектрических преобразователей) к выводам дополнительной однофазной обмотки 10 возбуждения возбудителя, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 8, в ней протекает постоянный ток, при этом создается магнитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, создаваемым основной однофазной обмоткой 9 возбуждения возбудителя. По принципу суперпозиции магнитных полей магнитные потоки, создаваемые основной однофазной обмоткой 9 возбуждения возбудителя и дополнительной однофазной обмоткой 10 возбуждения возбудителя, суммируются. Суммарный магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 11 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 12, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 14 и подается на однофазную обмотку 13 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 12. Магнитный поток однофазной обмотки 13 возбуждения основного генератора взаимодействует с многофазной обмоткой 16 якоря основного генератора, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 15, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 22 и подается в сеть.
ВХ ЭЛ
В результате описанных процессов происходит усиление механической энергии вращения, преобразованной в электрическую энергию, за счет электрической энергии, получаемой от внешнего источника постоянного тока с напряжением U, и выдача на выходе электрической энергии постоянного тока.
Преимуществом предлагаемой радиально-аксиальной двухвходовой бесконтактной электрической машины-генератора является более широкая по сравнению с прототипом область применения за счет лучших массогабаритных показателей и дополнительно установленного многофазного двухполупериодного выпрямителя.