Кпд синхронных генераторов на постоянных магнитах. Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами. Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Генератор - устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60· f / p

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС E A , E B и E C , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи I A , I B , I C , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = B max sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ max (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r 1 и подвозбудителя r 2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ ) с выпрямительным трансформатором (ВТ ) и тиристорным преобразователем (ТП ), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ , на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН ) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ ). Схема содержит блок защиты (БЗ ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s - скольжение.

s = (n - n r)/n

здесь:
n - частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r - частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота .

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы .
Асинхронный генератор. Характеристики .
Асинхронный генератор. Стабилизация .

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Синхронные генераторы

с возбуждением от постоянных магнитов

(разработано в 2012 г.)

Предлагаемый генератор по принципу действия является синхронным генератором с возбуждением от постоянных магнитов. Магниты состава NeFeB, создающие магнитное поле с индукцией 1,35 Тл , расположены по окружности ротора с чередованием полюсов.

В обмотках генератора возбуждается э. д.с., амплитуда и частота которой определяются скоростью вращения ротора генератора.

Конструкция генератора не содержит коллектора с размыкаемыми контактами. Генератор также не имеет обмоток возбуждения, потребляющих дополнительный ток.

Преимущества генератора предлагаемой конструкции:

1. Обладает всеми положительными чертами синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов:

1) отсутствие токосъёмных щеток,

2) отсутствие тока возбуждения.

2. Большинство аналогичных выпускающихся в настоящее время генераторов при той же мощности имеют массо - габаритные параметров 1,5 – 3 раза больше.

3. Номинальная скорость вращения вала генератора – 1600 об ./мин . Она соответствует скорости вращения тихоходных дизельных приводов. Поэтому при переводе индивидуальных энергоустановок с бензиновых двигателей на дизельные с использованием нашего генератора, потребитель получит существенную экономию горючего и, как следствие, – стоимость киловатт-часа понизится.

4. Генератор имеет маленький стартовый момент страгивания (менее 2 Н×м ), т. е. для пуска достаточно мощности привода всего в 200 Вт , и запуск генератора возможен от самого дизеля при старте, даже без муфты сцепления. Аналогичные рыночные двигатели имеют разгонный период для создания запаса мощности при пуске генератора, т. к. при пуске бензиновый двигатель работает в режиме дефицита мощности.

5. При уровне надежности 90% ресурс генератора составляет 92 тыс. часов (10,5 лет безостановочной работы). Цикл же работы двигателя привода между капитальными ремонтами , заявляемый производителями (равно как и рыночных аналогов генератора) составляет 25 – 40 тыс. часов. То есть наш генератор по надежности на наработку превышает надежность серийных двигателей и генераторов в 2-3 раза.

6. Простота изготовления и сборки генератора – сборочным участком может быть слесарная мастерская при штучном и малосерийном производстве.

7. Простая адаптация генератора под выходное напряжение переменного тока:

1) 36 В , частота 50 – 400 Гц

2) 115 В , частота 50 – 400 Гц (аэродромные энергоустановки);

3) 220 В , частота 50 – 400 Гц ;

4) 380 В , частота 50 – 400 Гц .

Базовая конструкция генератора позволяет настраивать выпускаемое изделие на различную частоту и различное напряжение без изменения конструкции.

8. Высокая пожаробезопасность. Предлагаемый генератор не может стать источником пожара даже при коротком замыкании в цепи нагрузки или в обмотках, что заложено в конструкцию системы. Это очень важно при использовании генератора для бортовой электростанции в условиях замкнутого пространства водного судна, воздушного судна, а так же частного деревянного домостроения и т. п.

9. Низкий уровень шума.

10. Высокая ремонтопригодность.

Параметры генератора мощностью 0,5 кВт

Параметры генератора мощностью 2,5 кВт

ИТОГИ:

Предлагаемый генератор может изготавливаться для использования в электрогенераторных установках с частотой вращения вала 1500-1600 об/мин. - в дизельных, бензиновых и паро-генераторных электростанциях индивидуального пользования или в локальных энергетических системах. В паре с мультипликатором , электромеханический преобразователь энергии может использоваться и для генерации электроэнергии в низкооборотных генераторных системах, типа ветроэлектростанций, волновых электростанций и т. п. любой мощности. То есть сфера применения электро-механического преобразователя делает предлагаемый комплекс (мультипликатор-генератор) универсальным. Приведенные в тексте массогабаритные и иные электро-технические параметры дают предлагаемой конструкции явные конкурентные преимущества на рынке по сравнению с аналогами.

Заложенные в основу конструкции принципы изготовления, имеют высокую технологичность, в основе своей не требуют прецизионного станочного парка и ориентированы на массовое серийное производство. В итоге конструкция будет иметь низкую себестоимость серийного производства.

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.

В синхронных машинах этого типа постоянно направленное поле возбуждения образуется с помощью постоянных магнитов. Синхронные машины с постоянными магнитами не нуждаются в возбудителе и благодаря отсутствию потерь на возбуждение и в скользящем контакте обладают высоким КПД, их надежность существенно выше, чем у обычных синхронных машин, в которых вращающаяся обмотка возбуждения и щеточное устройство достаточно часто повреждаются; кроме того, они практически не нуждаются в обслуживании в течение всего срока службы.
Постоянные магниты могут заменять обмотку возбуждения как в многофазных синхронных машинах обычного исполнения, так и во всех специальных исполнениях, которые были описаны выше (однофазных синхронных машинах, синхронных машинах с клюво- образными полюсами и в индукторных машинах).
Синхронные машины с постоянными магнитами отличаются от своих аналогов с электромагнитным возбуждением конструкцией индукторных магнитных систем. Аналогом ротора обычной неявнопо- люсной синхронной машины является цилиндрический кольцеобразный магнит, намагничиваемый в радиальном направлении (рис., 6).

Индукторные магнитные системы с цилиндрическим и звездообразным магнитами;
а - звездообразный магнит без полюсных башмаков; б - четырехполюсный цилиндрический магнит

Рис. 2. Ротор с когтеобразными полюсами, возбуждаемый постоянным магнитом:
1 - кольцевой постоянный магнит; 2 - диск с системой южных полюсов; 3 - диск с системой северных полюсов

Явнополюсному ротору обычной машины с электромагнитным возбуждением аналогичен ротор со звездообразным магнитом по рис. 1, а, в котором магнит 1 крепится на валу 3 заливкой из алюминиевого сплава 2.

В роторе с когтеобразиыми полюсами (рис. 2) кольцевой магнит, намагниченный в осевом направлении, заменяет кольцевую обмотку возбуждения. В разноименнополюсной индукторной машине по рис. электромагнитное возбуждение может быть заменено магнитным, как показано на рис. 3 (вместо трех малых зубцов в каждой из зон I-IV здесь имеется по одному зубцу в каждой из зон). Соответствующий аналог с магнитным возбуждением имеется и у одноименнополюсной машины. Постоянный магнит может быть в этом случае выполнен в виде намагниченного в осевом направлении кольца, которое вставлено между станиной и подшипниковым щитом.

Рис. 3. Индукторный разноименнополюсной генератор с магнитоэлектрическим возбуждением:
ОЯ - обмотка якоря; ПМ - постоянный магнит
Для описания электромагнитных процессов в синхронных машинах с постоянными магнитами вполне пригодна теория синхронных машин с электромагнитным возбуждением, основы которой изложены в предыдущих главах раздела. Однако для того, чтобы воспользоваться этой теорией и применить ее для расчета характеристик синхронной машины с постоянными магнитами в генераторном или двигательном режиме, нужно предварительно определить по кривой размагничивания постоянного магнита ЭДС холостого хода Е, или коэффициент возбужденности г = Ef / U и рассчитать индуктивные сопротивления Xad и X с учетом влияния магнитного сопротивления магнита, которое может быть настолько существенным, что Ха(1 < Xaq.
Машины с постоянными магнитами были изобретены еще на заре развития электромеханики. Однако широкое применение они получили в течение последних десятилетий в связи с разработкой новых материалов для постоянных магнитов с большой удельной магнитном энергией (например, типа магнико или сплавов на основе самария и кобальта). Синхронные машины с такими магнитами по своим массо- габаритным показателям и эксплуатационным характеристикам в определенном диапазоне мощностей и частот вращения вполне могут конкурировать с синхронными машинами, имеющими электромагнитное возбуждение.

Мощность быстроходных синхронных генераторов с постоянными магнитами для питания бортовой сети самолетов достигает десятков киловатт. Генераторы и двигатели с постоянными магнитами небольшой мощности применяются в самолетах, автомобилях, тракторах, где их высокая надежность имеет первостепенное значение. В качестве двигателей малой мощности они широко применяются и во многих других областях техники. По сравнению с реактивными двигателями они обладают более высокой стабильностью частоты вращения, лучшими энергетическими показателями, уступая им по стоимости и пусковым свойствам.
По способам пуска в ход синхронные двигатели малой мощности с постоянными магнитами делятся на самозапускающиеся двигатели и двигатели с асинхронным пуском.
Самозапускающиеся двигатели малой мощности с постоянными магнитами применяются для приведения в движение механизмов часов и различных реле, разнообразных программных устройств и т.п. Номинальная мощность этих двигателей не превышает нескольких ватт (обычно составляет доли ватта). Для облегчения пуска двигатели выполняют многополюсными (р > 8) и получают питание от однофазной сети промышленной частоты.
В нашей стране такие двигатели выпускаются в серии ДСМ, в которой для создания многополюсного поля применены клювообразное исполнение магнитопровода статора и однофазная якорная обмотка.
Запуск этих двигателей в ход осуществляется за счет синхронного момента от взаимодействия пульсирующего поля с постоянными магнитами ротора. Для того чтобы пуск произошел успешно и в нужную сторону, применяют специальные механические устройства, которые позволяют ротору вращаться только в одном направлении и отсоединяют его от вала во время синхронизации
Синхронные двигатели малой мощности с постоянными магнитами с асинхронным пуском выпускаются с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки и с аксиальным расположением постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки. По устройству статора эти двигатели ничем не отличаются от машин с электромагнитным возбуждением. Обмотка статора в обоих случаях выполняется двух- или трехфазной. Различаются они лишь по конструкции ротора.
В двигателе с радиальным расположением магнита и коротко- замкнутой обмоткой последняя размещается в пазах шихтованных полюсных наконечников постоянных магнитов Для получения приемлемых потоков рассеяния между наконечниками соседних полюсов имеются немагнитные промежутки. Иногда в целях увеличения механической прочности ротора наконечники объединяются с помощью насыщающихся перемычек в целый кольцевой сердечник.
В двигателе с аксиальным расположением магнита и коротко- замкнутой обмоткой часть активной длины занята постоянным магнитом, а на другой ее части рядом с магнитом размешается шихтованный магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой, причем и постоянный магнит, и шихтованный магнитопровод укреплены на общем валу. В связи с тем что во время пуска двигатели с постоянными магнитами остаются возбужденными, их пуск протекает менее благоприятно, чем в обычных синхронных двигателях, возбуждение которых отключается. Объясняется это тем, что при пуске наряду с положительным асинхронным моментом от взаимодействия вращающегося поля с токами, индуктированными в короткозамкнутой обмотке, на ротор действует отрицательный асинхронный момент от взаимодействия постоянных магнитов с токами, индуктированными полем постоянных магнитов в обмотке статора.

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.