Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами. Синхронные машины с постоянными магнитами Синхронный генератор переменного на магнитах

Из истории вопроса. На сегодняшний день в моей работе возник вопрос об участии в проекте по внедрению собственной малой генерации на предприятии. Ранее, был опыт работы с синхронными электродвигателями, с генераторами опыт минимальный.

Рассматривая предложения различных производителей в одном из таких открыл для себя способ возбуждения синхронного генератора при помощи подвозбудителя на основе генератора на постоянных магнитах (PMG). Обмолвлюсь, что система возбуждения генератора планируется бесщеточная. Пример синхронных электродвигателей я описывал ранее.

И так, из описания генератора (PMG) на постоянных магнитах в качестве подвозбудителя обмотки возбуждения возбудителя генератора следует:

1. Теплообменник типа «воздух-вода». 2. Генератор с постоянным магнитом. 3. Устройство возбуждения. 4. Выпрямитель. 5. Радиальный вентилятор. 6. Воздушный канал.

В данном случае система возбуждения состоит из вспомогательных обмоток или генератора с постоянным магнитом, автоматического регулятора напряжения (AVR), CT и VT для определения тока и напряжения, встроенного устройства возбуждения и вращающегося выпрямителя. В стандартном случае турбогенераторы оборудованы цифровым AVR, обеспечивающим регулирование PF (коэффициента мощности) и выполнение различных функций мониторинга и защиты (ограничение возбуждения, обнаружение перегрузки, возможность резервирования и т.д.). Постоянный ток возбуждения, идущий от AVR, усиливается вращающимся устройством возбуждения и затем выпрямляется вращающимся выпрямителем. Вращающийся выпрямитель состоит из диодов и стабилизаторов напряжения.

Схематичные изображение системы возбуждения турбогенератора с использованием PMG:

Решение с применением генератора на постоянных магнитах (PMG) на главном валу с ротором генератора и бесщеточным возбудителем:

Собственно, на данный момент говорить о преимуществах данного способа регулирования возбуждения для меня не представляется возможным. Думаю, со временем набора информации и опыта поделюсь с вами своим опытом применения PMG.

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам, и касается усовершенствования конструкции синхронных генераторов торцевого типа, которые могут быть использованы преимущественно для получения электрической энергии в ветроэнергетических установках. Конструкция генератора содержит корпус, в котором размещены чередующиеся элементы электромагнитной системы (ротор-статор-ротор), выполненные в виде дисков, установленных на неподвижном валу, где диск статора жестко связан с последним, на дисках роторов закреплены постоянные магниты, а на диске статора - катушки, образующие его кольцевую обмотку с выводом ее концов через осевое отверстие в валу, где корпус состоит из двух щитов - переднего и заднего, установленных на валу в подшипниках, передний щит имеет крышку-вал, диски роторов закреплены на указанных выше щитах, диск статора закреплен на валу многолопастными звеньями с обеих сторон, где каждая лопасть размещена в технологическом зазоре между электрическими катушками. Достоинствами настоящего генератора являются: меньшие, по сравнению с известными машинами аналогичного типа той же мощности, массогабаритные показатели; надежность в эксплуатации; простота в изготовлении; высокий КПД; технологичность сборки-разборки генератора и его ремонтопригодность; возможность выполнять любых габаритов за счет крепления сердечника статора на неподвижном валу многолопастными звеньями с обеих сторон.

Известен синхронный электрогенератор с возбуждением от постоянных магнитов , выполненный по торцевому типу, содержащий статор, состоящий из двух частей с кольцевыми магнитопроводами, расположенными соосно и параллельно друг другу, между которыми помещен ротор.

В используемой конструкции ротор выполнен в виде диска, на который с обеих его сторон закреплены постоянные магниты, вследствие чего возможно их перемагничивание с одной стороны на другую, что приводит к снижению характеристик постоянных магнитов, а, следовательно, уменьшению эффективности работы генератора.

Наиболее близким к заявляемому объекту является торцевой синхронный электрогенератор с возбуждением от постоянных магнитов , содержащий два ротора с постоянными магнитами и статор между ними с катушками, уложенными в радиальные пазы, находящимися на торцевой поверхности статора.

Размещение катушек в пазах приводит к уменьшению рабочего зазора, что может привести к залипанию сердечника статора с постоянными магнитами, вследствие чего генератор становится

неработоспособным. Применение пазов приводит к появлению нежелательных гармонических составляющих токов, индукции в зазоре, а, следовательно, к увеличению потерь и, соответственно, к уменьшению КПД генератора. Дисковые роторы связаны между собой силовыми шпильками, что уменьшает жесткость и надежность конструкции.

Технический результат заявляемого решения, в качестве полезной модели, заключается в устранении возможного залипания сердечника статора с постоянными магнитами, что обеспечит гарантированную работу генератора, и уменьшении потерь, а, следовательно, увеличении КПД за счет применения кольцевой обмотки статора. Данная модель имеет более жесткую конструкцию за счет соединения роторов между собой посредством крепления их к корпусу генератора, что повышает его надежность. Сердечник статора закреплен на неподвижном валу многолопастными звеньями с обеих сторон, что приводит к уменьшению массогабаритных показателей торцевого синхронного электрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов и позволяет выполнить генератор с достаточно большими внутренним и внешним диаметрами. Предлагаемая модель позволяет обеспечить технологичность сборки-разборки генератора и его ремонтопригодность.

Полезная модель предполагает наличие корпуса, в котором располагаются чередующиеся элементы электромагнитной системы (ротор-статор-ротор), которые выполнены в виде дисков и установлены на неподвижном валу. При этом статор жестко связан с последним. На дисках роторов закреплены постоянные магниты, а на диске статора - катушки, образующие его кольцевую обмотку с выводом ее концов через осевое отверстие в валу. Корпус состоит из двух щитов - переднего и заднего, установленных на валу в

подшипниках. Передний щит имеет вал-крышку. Диски роторов закреплены на указанных выше щитах, а диск статора закреплен на валу многолопастными звеньями с обеих сторон, где каждая лопасть размещена в технологическом зазоре между электрическими катушками.

На фиг.1 изображен генератор в продольном разрезе; на фиг.2 - статор (вид спереди).

Генератор состоит из статора 1 и двух роторов 2. Сердечник статора выполнен в виде диска, получаемого путем навивки ленты из электротехнической стали на оправку, наружный диаметр которой равен внутреннему диаметру статора. Сердечник закреплен между многолопастными звеньями 3 с обеих сторон. Каждая лопасть размещена в технологическом зазоре между катушками 4 кольцевой обмотки. Многолопастные звенья закреплены между собой болтами. Их основания выполнены в виде втулок, которые насажены на неподвижный вал 5. Во избежание возможного проворачивания статора звенья зафиксированы шпонкой 6. Для устранения осевого перемещения статора одно многолопастное звено прижато к буртику вала, а другое зажато стальной втулкой 7, прикручиваемой к валу по окружности тремя болтами. Вал имеет осевое отверстие, через которое концы обмотки выведены на клеммную коробку.

Сердечники роторов выполнены из конструкционной стали, как и сердечник статора, в виде дисков, ширина которых равна длине постоянного магнита 8. Постоянные магниты представляют собой кольцевые секторы и приклеены к сердечнику. Ширина магнитов равна ширине катушек статора и приближена к величине полюсного деления. Их размеры ограничены только шириной лопасти, помещаемой между катушками обмотки статора. Сердечники присоединены

винтами с потайными головками к внутренней стороне подшипниковых щитов 9 и 10. Применение винтов с потайными головками уменьшает уровень шума при работе генератора. Щиты выполнены из алюминиевого сплава. Соединены между собой также при помощи винтов с потайными головками - один из щитов имеет специальные углубления, в которые впрессованы стальные гайки (для упрочнения соединения, так как алюминий - мягкий материал), в которые уже и вкручены винты. В щиты установлены подшипники 11 с постоянно заполненной смазкой и двумя защитными шайбами. Подшипниковый щит 9 имеет вал-крышку 12, выполненную из стали. Она выполняет в данном генераторе две функции: а) закрывает подшипник; б) принимает вращение привода. Вал-крышка прикреплена к подшипниковому щиту 9 болтами с внутренней его стороны.

Работа данного генератора осуществляется следующим образом: привод передает крутящий момент через вал-крышку 12 всему корпусу, вследствие чего роторы приходят во вращение. Принцип же действия этого генератора аналогичен принципу действия известных синхронных генераторов: при вращении роторов 2 магнитное поле постоянных магнитов пересекает витки обмотки статора, изменяясь как по абсолютному значению, так и по направлению, и наводит в них переменную электродвижущую силу. Катушки обмотки соединяются последовательно таким образом, что их электродвижущие силы складываются. Генерируемое напряжение снимается с выводных концов обмотки, которые выходят на клеммную коробку через осевое отверстие в валу 5.

Данная конструкция генератора позволяет устранить возможное залипание сердечника статора с постоянными магнитами, а, следовательно, обеспечить гарантированную работу генератора; дает

возможность уменьшить пульсационные и поверхностные потери в стали за счет применения беспазового сердечника и кольцевой обмотки статора, вследствие чего увеличивается КПД. Также позволяет повысить надежность генератора из-за применения более жесткой конструкции (соединение роторов между собой посредством крепления их к корпусу генератора), уменьшить при той же мощности массогабаритные показатели и выполнять генератор любого габарита за счет крепления сердечника статора на неподвижном валу многолопастными звеньями с обеих сторон. Предлагаемая модель позволяет обеспечить технологичность сборки-разборки генератора и его ремонтопригодность.

Торцевой синхронный электрогенератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий корпус, в котором размещены чередующиеся элементы электромагнитной системы (ротор - статор - ротор), выполненные в виде дисков, установленных на неподвижном валу, где диск статора жестко связан с последним, на дисках роторов закреплены постоянные магниты, а на диске статора - катушки, образующие его кольцевую обмотку с выводом ее концов через осевое отверстие в валу, отличающийся тем, что корпус состоит из двух щитов - переднего и заднего, установленных на валу в подшипниках, передний щит имеет вал-крышку, диски роторов закреплены на указанных выше щитах, диск статора закреплен на валу многолопастными звеньями с обеих сторон, где каждая лопасть размещена в технологическом зазоре между электрическими катушками.

Целью данной работы является выяснение энергетических особенностей сверхединичных синхронных генераторов на постоянных магнитах, и, в частности, влияние тока нагрузки, создающего размагничивающее поле (реакцию якоря), на нагрузочную характеристику таких генераторов. Испытанию подвергались два дисковых синхронных генератора различной мощности и конструкции. Первый генератор представлен малым синхронным дисковым генератором с одним магнитным диском диаметром 6 дюймов, с шестью парами полюсов, и обмоточным диском с двенадцатью обмотками. Этот генератор изображен на испытательном стенде (Фото №1), и его полные испытания описаны в моей статье под названием: ,Экспериментальные исследования энергетической эффективности получения электрической энергии из магнитного поля постоянных магнитов». Второй генератор представлен большим дисковым генератором с двумя магнитными дисками диаметром 14 дюймов, с пятью парами полюсов, и обмоточным диском с десятью обмотками. Этот генератор еще не был комплексно испытан, и изображен на фото №3, самостоятельной электрической машиной, рядом с испытательным стендом маленького генератора. Вращение этого генератора производилось двигателем постоянного тока, установленным на его корпусе.
Выходные переменные напряжения генераторов выпрямлялись, сглаживались конденсаторами большой емкости, и измерение токов и напряжений в обеих генераторах производилось на постоянном токе цифровыми мультиметрами типа DT9205A.Для малого генератора измерения производились на стандартной частоте переменного тока в 60Гц, что для малого генератора соответствовало 600 об/мин. Для малого генератора измерения также производились и на кратной частоте в 120 Гц, что соответствовало 1200 об/мин. Нагрузка в обеих генераторах была чисто активной. В маленьком генераторе с одним магнитным диском магнитная цепь была разомкнута, а воздушный зазор между ротором и статором составлял около 1 мм. В большом генераторе, с двумя магнитными дисками, магнитная цепь была замкнута, а обмотки помещались в воздушном зазоре 12 мм.
При описании физических процессов в обеих генераторах, аксиомой является то, что у постоянных магнитов магнитное поле неизменно, и его нельзя ни уменьшить, ни увеличить. Это важно учитывать при анализе характера внешних характеристик этих генераторов. Поэтому в качестве переменной будем рассматривать только изменяющееся размагничивающее поле нагрузочных обмоток генераторов. Внешняя характеристика маленького генератора, при частоте 60 Гц, приведена на рис.1, на котором также изображена кривая выходной мощности генератора Рген, и кривая КПЭ. Характер кривой внешней характеристики генератора может быть объяснен, исходя из следующих соображений — если величина магнитного поля на поверхности полюсов магнитов и неизменна, то по мере удаления от этой поверхности она уменьшается, и, находясь вне тела магнита, может изменяться. При малых токах нагрузки поле нагрузочных обмоток генератора взаимодействует с ослабленной, рассеяной частью поля магнитов и сильно уменьшает его. В результате их общее поле сильно уменьшается, и выходное напряжение резко падает по параболе, поскольку мощность размагничивающего тока пропорциональка его квадрату. Это подтверждает и картина магнитного поля магнита и обмотки, полученная с помощью железных опилок. На фото №1 видна картина только самого магнита, и четко видно, что силовые линии поля сосредоточены у полюсов, в виде сгустков опилок. Ближе к центру магнита, где поле вообще нулевое, поле сильно ослабевает, так, что не может даже сдвинуть опилки. Вот это ослабленное поле и обнуляет реакция якоря обмотки, при малом токе в 0,1А, как это видно на фото №2. С дальнейшим увеличением тока нагрузки уменьшаются и более сильные поля магнита, находящиеся ближе к их полюсам, но уменьшать дальше, все возрастающее поле магнита, обмотка не может, и кривая внешней характеристики генератора постепенно выпрямляется, и превращается в прямую зависимости выходного напряжения генератора от тока нагрузки. Причем на этой линейной части нагрузочной характеристики, напряжения под нагрузкой уменьшаются меньше чем на нелинейной, и внешняя характеристика становится жеще. Она приближается к характеристике обычного синхронного генератора, но с меньшим начальным напряжением. В промышленных синхронных генераторах допускается до 30% падения напряжения под номинальной нагрузкой. Посмотрим же какие проценты падения напряжения у маленького генератора при 600 и 1200 об/мин. При 600 оборотах, напряжение его холостого хода составляло 26 Вольт, а под током нагрузки в 4 Ампера, упало до 9 Вольт, тоесть уменьшилось на 96,4% — это очень высокое падение напряжения, более чем в три раза превашающее норму. При 1200 оборотах, напряжение холостого хода стало уже 53,5 Вольт, а под тем-же током нагрузки в 4 Ампера, упало до 28 Вольт, тоесть уменьшилось уже на 47,2% — это уже ближе к допустимым 30%. Однако рассмотрим численные изменения жесткости внешней характеристики этого генератора в широком диапазоне нагрузок. Жесткость нагрузочной характеристики генератора определяется скоростью падения выходного напряжения под нагрузкой, поэтому просчитаем её, начиная от напряжения холостого хода генератора. Резкий и нелинейный спад этого напряжения наблюдается примерно до тока в один Ампер, и наиболее ярко выражен до тока в 0,5 Ампера. Так, при токе нагрузки в 0,1 Ампера, напряжение равно 23 Вольта и падает, по сравнению с напряжением холостого хода в 25 Вольт, на 2 Вольта, тоесть скорость падения напряжения составляет 20 В/A. При токе нагрузки в 1.0 Ампера напряжение уже равно 18 Вольт, и падает на 7 Вольт, по сравнению с напряжением холостого хода, тоесть скорость падения напряжения составляет уже 7 В/А, тоесть она уменьшилась в 2,8 раза. Такое повышение жесткости внешней характеристики продолжается и при дальнейшем увеличении нагрузки генератора. Так, при токе нагрузки в 1.7 Ампера, напряжение падает с 18 Вольт до 15,5 Вольт, тоесть скорость падения напряжения составляет уже 3,57 В/А, а при токе нагрузки в 4 Ампера, напряжение с 15,5 Вольт падает до 9 Вольт, тоесть скорость падения напряжения уменьшается до 2,8 В/А. Такой процесс сопровождается и постоянным увеличением выходной мощности генератора (Рис. 1), при одновременном повышением жесткости его внешней характеристики. Повышение выходной мощности, при этих 600 об/мин, обеспечивает при этом и достаточно высокий КПЭ генератора в 3,8 единиц. Аналогичные процессы происходят и при двойной синхронной скорости генератора (Рис. 2), тоже сильное квадратурное снижение выходного напряжения при малых токах нагрузки, с дальнейшим повышением жесткости его внешней характеристики с увеличением нагрузки, отличия только в численных значениях. Возьмем только два крайних случая нагрузки генератора — минимального и максимального токов. Так при минимальном токе нагрузки в 0,08 А, напряжение равно 49,4 В, и падает, по сравнению с напряжением в 53,5 В на 4,1 В. Тоесть скорость падения напряжения составляет 51,25 В/А, и более чем в два раза превышает эту скорость при 600 об/мин. При максимальном токе нагрузки в 3,83 А, напряжение уже равно 28,4 В, и падает, по сравнению с 42 В при токе в 1,0 А, на 13,6 В. Тоесть скорость падения напряжения составила 4,8 В/А, и в 1,7 раза превышает эту скорость при 600 об/мин. Из этого можно сделать вывод, что увеличение скорости вращения генератора значительно снижает жесткость его внешней характеристики на её начальном участке, но не значительно снижает её на линейном участке его нагрузочной характеристики. Характерно, что при этом, при полной нагрузке генератора в 4 Ампера, процентное падение напряжения оказывается при этом меньше чем при 600 оборотах. Это объясняется тем, что выходная мощность генератора пропорциональна квадрату генерируемого напряжения, тоесть оборотам ротора, а мощность размагничивающего тока пропорциональна квадрату тока нагрузки. Поэтому при номинальной, полной нагрузке генератора размагничивающая мощность, по отношению к выходной, оказывается меньше, и прцентное падение напряжения снижается. Главной положительной особенностью более высокой скорости вращения маленького генератора является существенное повышение его КПЭ. При 1200 об/мин КПЭ генератора увеличился, с 3,8 единиц при 600 об/мин, до 5,08 единиц.
Большой генератор концептуально имеет иную конструкцию, основанную на применении второго закона Кирхгофа в магнитных цепях. Этот закон гласит, что если в магнитной цепи имеются два, или несколько источников МДС (в виде постоянных магнитов), то в магнитном контуре эти МДС алгебраически суммируются. Поэтому, если мы возьмем два одинаковых магнита, и одни их разноименные полюса соеденим магнитопроводом, то в воздушном зазоре других двух разноименных полюсов возникает удвоенная МДС. Этот принцип и положен в конструкцию большого генератора. Такие же плоские по форме обмотки, как и в магеньком генераторе, и помещены в этот образовавшийся воздушный зазор с двойной МДС. Как повлияло это на внешнюю характеристику генератора показали его испытания. Испытания этого генератора производились на стандартной частоте в 50Гц, что, так-же, как и в маленьком генераторе, соответствует 600 об/мин. Была сделана попытка сравнить внешние характеристики этих генераторов при одинаковых напряжениях их холостого хода. Для этого скорость вращения большого генератора была понижена до 108 об/мин, и его выходное напряжение понизилось до 50 Вольт, напряжения близкого к напряжению холостого хода маленького генератора при скорости вращения 1200 об/мин. Полученная таким образом внешняя характеристика большого генератора приведена на том-же рисунке №2, где изображена и внешняя характеристика маленького генератора. Сравнение этих характеристик показывает, что при таком, очень низком выходном напряжении для большого генератора, его внешняя характеристика оказывается очень мягкой, даже по сравнения не со столь жесткой внешней характеристикой маленького генератора. Поскольку оба сверединичных генератора способны к самовращению, то предстояло выяснить, что требуется для этого в их энергетических характеристиках. Поэтому проводилось и экспериментальное исследовани мощности, потребляемой приводным электродвигателем, без потребления свободной энергии от большого генератора, тоесть измерение потерь холостого хода генератора. Эти исследования проводились для двух разных передаточных отношений понижающего редуктора между валом электродвигателя и валом генератора, с целью их влияния на потребляемую мощность холостого хода генератора. Все эти измерения проводились в диапазоне от 100 до 1000 об/мин. Измерялось напряжение питания приводного электродвигателя, потребляемый им ток, и рассчитывалась мощность холостого хода генератора, при передаточных отношениях редуктора равных 3,33 и 4,0. На рис.№3 приведены графики изменений этих величин. Напряжение питания приводного электродвигателя линейно возрастало с увеличением оборотов при обеих редукторных отношениях, а потребляемый ток имел небольшую нелинейность, вазванную квадратичной зависимостью электрической составляющей мощности от тока. Механическая же составляющая потребляемой мощности, как известно, линейно зависит от скорости вращения. Замечено, что повышение передаточного отношения редуктора снижает потребляемый ток во всем диапазоне скоростей, и особенно при больших скоростях. И это естественно сказывается и на потребляемой мощности — эта мощность снижается пропорционально увеличению передаточного отношения редуктора, и в данном случае примерно на 20%. Внешняя характеристика большого генератора снималась только при передаточном отношении равном четырем, но при двух значениях оборотов — 600 (частота 50 Гц) и 720 (частота 60 Гц). Эти нагрузочные характеристики приведены на рис.4. Это характеристики, в отличие от характеристик маленького генератора, имеют линейный характер, с очень малым падением напряжения под нагрузкой. Так при 600 об/мин напряжение холостого хода в 188 В под током нагрузки 0,63 А упало на 1,0 В. При 720 об/мин напряжение холостого хода в 226 В под током нагрузки 0,76 А упало тоже на 1,0 В. При дальнейшем увеличении нагрузки генератора эта закономерность сохранялась, и можно считать что скорость падения напряжения составляет примерно 1 В на Ампер. Если посчитать процентное падение напряжения, то для 600 оборотов оно составляло 0,5%, а для 720 оборотов 0,4%. Это падение напряжения обусловлено только падением напряжения на активном сопротивлении цепи обмотки генератора — самой обмотки, выпрямителя и соеденительных проводов, а оно равно примерно 1,5 Ом. Размагничивающее действие генераторной обмотки под нагрузкой при этом не проявлялось, или проявлялось очень слабо при больших токах нагрузки. Это объясняется тем, что удвоенное магнитное поле, в столь узком воздушном зазоре, где и находится обмотка генератора, реакция якоря не может преодолеть, и непряжение генерируется в.этом удвоенном магнитном поле магнитов. Главной отличительной особенностью внешних характеристик большого генератора является то, что и при малых токах нагрузки они линейны, нет резких падений напряжения, как в маленьком генераторе, и это объясняется тем, что существующая реакция якоря не может проявить себя, не может преодолеть поле постоянных магнитов. Поэтому можно сделать следующие рекомендации для разработчиков генераторов СЕ на постоянных магнитах:

1. Ни в каком случае не применяйте в них разомкнутых магнитных цепей, это приводит к сильному рассеиванию и недоиспользованию магнитного поля.
2. Поле рассеивания легко преодолевается реакцией якоря, что приводит к резкому смягчению внешней характеристики генератора, и невозможности снять с генератора расчетную мощность.
3. Мощность генератора вы можете удвоить, при одновременном увеличении жесткости внешней характеристики, применив в его магнитной цепи два магнита, и создав поле с удвоенной МДС.
4. В этом поле с удвоенной МДС нельзя помещать катушки с ферромагнитными сердечниками, ибо это приводит к магнитному соединению двух магнитов, и исчезновению эффекта удвоения МДС.
5. В электроприводе генератора применяйте такое передаточное отношение редуктора, которое наиболее эффективно позволит вам уменьшить потери на входе генератор на холостом ходу.
6. Рекомендую дисковую конструкцию генератора, это наиболее простая конструкция, доступная в изготовлении в домашних условиях.
7. Дисковая конструкция позволяет использовать корпус и вал с подшибниками от обычного электродвигателя.

И наконец пожелаю вам упорства и терпения в создании
реально действующего генератора.

Владельцы патента RU 2548662:

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к синхронным генераторам с возбуждением от постоянных магнитов. Технический результат: стабилизация выходного напряжения и активной мощности. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов содержит несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии. Магнитопровод снабжен размещенными на полюсных выступах электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора. Кольцевой ротор установлен на опорном валу с возможностью вращения в опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора. На внутренней боковой стенке ротора смонтирован кольцевой магнитный вкладыш с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар. Магнитный вкладыш выполнен в виде двух одинаковых колец, имеющих возможность перемещения в осевом направлении. Между кольцами расположен упругий элемент. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к синхронным генераторам с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в автономных источниках электропитания как стандартной промышленной частоты, так и повышенной частоты, в электрических машинах и энергоустановках. В частности, заявляемый синхронный генератор может быть использован в качестве автономного источника энергии на автомобилях, катерах и других транспортных средствах.

Известен синхронный генератор, содержащий статор с системой проводников и ротор, имеющий систему возбуждения с постоянными магнитами, причем между статором и ротором находится активная поверхность - воздушный зазор, ротор выполнен в виде наружного ротора с активной поверхностью с внутренней стороны, ротор имеет, если смотреть по направлению вращательного движения, чередующиеся друг с другом по направлению вращения намагниченные постоянные магниты и участки из магнитопроводного материала, постоянные магниты выполнены из материала с магнитной проницаемостью, близкой к проницаемости воздуха, постоянные магниты, если измерять в направлении вращения, имеют увеличивающуюся с увеличением расстояния от активной поверхности ширину, а магнитопроводные участки - уменьшающуюся с увеличением расстояния от активной поверхности ширину, магнитопроводные участки имеют поверхность, через которую выходит магнитный поток и которая обращена к активной поверхности, причем она меньше, чем сумма поверхностей поперечного сечения магнитного потока обоих примыкающих к ней постоянных магнитов, в результате чего магнитный поток постоянных магнитов концентрируется к активной поверхности полюса статора, если измерять в направлении вращения, имеют почти такую же ширину, как поверхность магнитопроводных участков, через которую выходит магнитный поток (патент РФ №2141716, МПК Н02K 21/12, опубликовано 20.11.1991).

Известен синхронный генератор, содержащий многополюсный якорь, имеющий n полюсов (n - целое число) с обмотками, и систему возбуждения, образованную множеством постоянных магнитов. При этом постоянные магниты имеют (n-1) полюсов для создания магнитного поля возбуждения при вращении относительно якоря, причем постоянные магниты намагничены вдоль направления вращения, а полюса выполнены со скосом относительно вращения системы возбуждения (патент РФ №2069441, МПК Н02K 21/22, опубликовано 20.11.1996).

Общим недостатком данных синхронных генератора являются ограниченные функциональные возможности по стабилизации при увеличении нагрузки выходного напряжения и активной мощности, зависящих от величины общего магнитного потока. При этом в конструктивном исполнении данных генераторов отсутствуют элементы, позволяющие оперативно изменять величину общего магнитного потока, создаваемого отдельными постоянными магнитами кольцевого магнитного вкладыша.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на полюсных выступах электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора кольцевой ротор со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки кольцевого магнитопровода статора. Несущий узел статора выполнен из группы одинаковых модулей с кольцевым магнитопроводом и кольцевым ротором, смонтированными на одном опорном валу, при этом модули несущего узла статора установлены с возможностью их разворота друг относительно друга вокруг оси, соосной с опорным валом, и снабжены кинематически связанным с ними приводом углового разворота их друг относительно друга, а одноименные фазы якорных обмоток в модулях несущего узла статора соединены между собой, образуя общие фазы якорной обмотки статора (патент РФ №2273942, МПК Н02K 21/22, Н02K 21/12, опубликовано 27.07.2006).

Недостатком известного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов является необходимость использования группы модулей, что приводит к усложнению конструкции, увеличению массы и габаритов генератора. Это в свою очередь приводит к снижению эксплуатационных характеристики генератора.

Кроме того, также как и в упомянутых аналогах, в известном генераторе отсутствуют элементы, позволяющие оперативно изменять величину общего магнитного потока отдельных постоянных магнитов, образующих кольцевой магнитный вкладыш.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей синхронного генератора, за счет снабжения электроэнергией самых различных приемников переменного многофазного электрического тока с различными параметрами питающего напряжения.

Технический результат - стабилизация выходного напряжения и активной мощности, за счет введения в конструкцию синхронного генератора упругих элементов.

Технический результат достигается тем, что в синхронном генераторе с возбуждением от постоянных магнитов, содержащем несущий узел статора с подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на полюсных выступах электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора кольцевой ротор со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки кольцевого магнитопровода статора, согласно изобретению, кольцевой магнитный вкладыш выполнен в виде двух одинаковых колец, имеющих возможность перемещения в осевом направлении, при этом между кольцами расположен упругий элемент.

При изменении нагрузки на генераторе ток, протекающий по якорной обмотке статора, изменяется, при этом изменяется сила притяжения, действующая на магнитные вкладыши. Последние в той ли иной степени втягиваются в воздушный зазор, сжимая упругий элемент, увеличивая или уменьшая тем самым общий магнитный поток. И за счет этого стабилизируется напряжение и активная мощность на зажимах обмотки статора генератора.

Упругий элемент может быть цельным, в виде волнообразной упругой шайбы или составным, в виде отдельных пружин.

Приведенный в качестве примера упругий элемент выполнен в виде пружин.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 изображен общий вид предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов в продольном разрезе, с магнитными вкладышами в нерабочем положении.

На фиг. 2 представлен вид, когда магнитные вкладыши находятся в рабочем положении.

На обеих фигурах упругий элемент выполнен в виде пружин.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов содержит внутренний корпус 1 статора, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод 2 (например, в виде монолитного диска из порошкового композиционного магнитотвердого материала) с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на них электрическими катушками (секциями) 3, с многофазными (например, трехфазными, а в общем случае n-фазными) якорными обмотками статора. На валу 4 с возможностью вращения на подшипниках 5, 6 вокруг несущего узла статора, установлен кольцевой ротор 7, со смонтированными на внутренней боковой стенке кольцевыми магнитными вкладышами 8 (например, в виде монолитных магнитных колец из порошкового магнитоанизотропного материала) с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар, и выполненные в виде одинаковых по конструкции колец с возможностью перемещения в пазах 9 в направлении оси вращения, и исключающих их поворот относительно кольцевого ротора 7, разделенный упругим элементом 10, например пружинами сжатия. И охватывающие полюсные выступы с якорной обмоткой кольцевого магнитопровода статора. Кольцевой ротор 7 включает в себя кольцевые магнитные вкладыши 8, упругий элемент 10 и упорное кольцо 11. Статор включает в себя кольцевой магнитопровод 2, катушки якорной обмотки 3, внутренний корпус 1 и внешний корпус 12 с центральными отверстиями 13 в торце. Внутренний корпус 1 несущего узла статора сопряжен своей внутренней цилиндрической боковой стенкой с подшипником 5, а внешний корпус 12 с подшипником 6. Кольцевой ротор 7 соединен с валом 4. Кольцевой магнитопровод 2 (с обмотками 3) статора установлен на указанный внутренний корпус 1, который жестко закреплен с внешним корпусом 12, и образуют совместно с последним кольцевую полость 14. Вентилятор 15 для охлаждения якорных обмоток статора расположен на конце вала 4. На внешний корпус установлен кожух 16. Фазы (А, В, С) якорной обмотки 3 на кольцевом магнитопроводе 2 статора соединены между собой в электрическую схему.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов работает следующим образом.

От привода, например от двигателя внутреннего сгорания, через шкив клиноременной передачи (на чертеже не показан), вращательное движение передается к валу 4 с кольцевым ротором 7. При вращении кольцевого ротора 7 с кольцевыми магнитными вкладышами 8 создается вращающийся магнитный поток, пронизывающий воздушный кольцевой зазор между кольцевыми магнитными вкладышами 8 и кольцевым магнитопроводом 2 статора, а также пронизывающие радиальные полюсные выступы (на чертеже не показаны) кольцевого магнитопровода 2 статора. При вращении кольцевого ротора 7 осуществляется также попеременное прохождение "северных" и "южных" чередующихся магнитных полюсов кольцевых магнитных вкладышей 8 над радиальными полюсными выступами кольцевого магнитопровода 2 статора, вызывающее вращение магнитного потока как по величине, так и по направлению в радиальных полюсных выступах кольцевого магнитопровода 2. При этом в якорной обмотке 3 статора наводятся синусоидальная электродвижущая сила (ЭДС) со сдвигом по фазе между собой на угол 120 градусов и с частотой, равной произведению числа пар (р) магнитных полюсов в кольцевом магнитном вкладыше 8 на частоту вращения кольцевого ротора 7. Переменный ток (например, трехфазный), протекающий по якорной обмотке статора 3, подается на выходные электрические силовые разъемы (на чертеже не показаны) для подключения приемников электрической энергии переменного тока.

При увеличении нагрузки на генератор ток, протекающий по якорной обмотке статора 3, увеличивается, при этом увеличивается также сила притяжения, действующая на кольцевые магнитные вкладыши 8. Последние втягиваются в воздушный зазор, сжимая упругий элемент 10, усиливая магнитный поток кольцевых магнитных вкладышей 8. За счет этого стабилизируется напряжение на зажимах обмотки 3 статора генератора. Выполнение статора с указанными кольцевым магнитопроводом 2 и кольцевым ротором 7, смонтированным на одном валу 4, а также кольцевого ротора с возможностью втягивания кольцевых магнитных вкладышей 8 в воздушный зазор, позволяют стабилизировать выходное напряжение и активную мощность синхронного генератора в заданных пределах.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить стабилизацию как выходного напряжения, так и активной мощности при изменении электрической нагрузки генератора.

Предложенный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов может быть использован при соответствующей коммутации якорных обмоток статора для снабжения электроэнергией самых различных приемников переменного многофазного электрического тока с различными параметрами питающего напряжения.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на полюсных выступах электрическими катушками, с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора кольцевой ротор со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки кольцевого магнитопровода статора, отличающийся тем, что магнитный вкладыш выполнен в виде двух одинаковых колец, имеющих возможность перемещения в осевом направлении, при этом между кольцами расположен упругий элемент.

Похожие патенты:

Данное изобретение относится к электрической машине (1) для гибридных или электрических транспортных средств. Машина содержит внешний ротор, статор (2), расположенный внутри ротора (3), ротор содержит несущий элемент (4) ротора, роторные пластины (5) и постоянные магниты (6), несущий элемент (4) ротора содержит первую, радиально проходящую часть (7) несущего элемента и вторую, проходящую в осевом направлении часть (8) несущего элемента, которая соединена с ним, вторая часть (8) несущего элемента несет роторные пластины (5) и постоянные магниты (6), а статор (2) имеет статорные пластины (9) и обмотки (10), обмотки образуют головки обмоток (11, 12), которые проходят в осевом направлении с обеих сторон над статорными пластинами (9), также имеет колесо (14) крыльчатки, которое соединено с несущим элементом (4) ротора.

Трехфазный синхронный генератор переменного тока без магнитного залипания с возбуждением от постоянных неодимовых магнитов, 12 пар полюсов.

Очень давно еще в советские времена в журнале "Моделист Конструктор" была опубликована статья посвященная построению ветряка роторного типа. С тех пор у меня появилось желание построить что то подобное на своем дачном участке, но до реальных действий дело так и не дошло. Все изменилось с появлением неодимовых магнитов. Собрал кучу информации в интернете и вот что получилось.
Устройство генератора: Два стальных диска из низкоуглеродистой стали с наклеенными магнитами жестко соединены между собой через распорную втулку. В зазоре между дисками расположены неподвижные плоские катушки без сердечников. ЭДС индукции возникающая в половинках катушки противоположна по направлению и суммируется в общую ЭДС катушки. ЭДС индукции возникающая в проводнике движущемся в постоянном однородном магнитном поле определяется по формуле E=B·V·L где: B -магнитная индукция V -скорость перемещения L -активная длина проводника. V=π·D·N/60 где: D -диаметр N -скорость вращения. Магнитная индукция в зазоре между двумя полюсами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Генератор собран на нижней опоре ветряной турбины.

Схема трехфазного генератора, для простоты развернута на плоскость.

На рис. 2 показана схема расположения катушек когда их количество в два раза больше, правда в этом случае увеличивается и зазор между полюсами. Катушки перекрываются на 1/3 от ширины магнита. Если ширину катушек уменьшить на 1/6 тогда они встанут в один ряд и зазор между полюсами не изменится. Максимальный зазор между полюсами равен высоте одного магнита.