Синхронные машины с постоянными магнитами. Синхронный двигатель с постоянными магнитами Синхронный генератор на постоянных магнитах характеристики

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к области электромашиностроения, в частности к синхронным генераторам с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в автономных источниках электроэнергии на автомобилях, катерах, а также в автономных источниках электропитания потребителей переменным током как стандартной промышленной частоты, так и повышенной частоты и в автономных энергоустановках в качестве источника сварочного тока для проведения электродуговой сварки в полевых условиях.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известен синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с якорной обмоткой статора, а также установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых опорных подшипниках возбуждения (см., напр., А.И.Вольдек, "Электрические машины", изд. Энергия, Ленинградское отделение, 1974 г., с.794).

Недостатками известного синхронного генератора являются значительная металлоемкость и большие габариты, обусловленные значительными металлоемкостью и габаритами массивного цилиндрической формы ротора, выполненного с постоянными магнитами возбуждения из магнитотвердых сплавов (типа ални, алнико, магнико и др.).

Известен также синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с якорной обмоткой статора, установленный с возможностью вращения вокруг кольцевого магнитопровода статора со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами, охватывающий полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора (см., напр., патент РФ № 2141716, кл. Н 02 К 21/12 по заявке № 4831043/09 от 02.03.1988 г.).

Недостатком известного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов являются узкие эксплуатационные параметры, обусловленные отсутствием возможности регулирования активной мощности синхронного генератора, поскольку в конструктивном исполнении данного синхронного индукторного генератора отсутствует возможность оперативного изменения величины общего магнитного потока, создаваемого отдельными постоянными магнитами указанного кольцевого магнитного вкладыша.

Наиболее близким аналогом (прототипом) 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, снабженными размещенными на них электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых 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 p-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора (см. патент РФ № 2069441, кл. Н 02 К 21/22 по заявке № 4894702/07 от 01.06.1990 г.).

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Недостатком известного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов являются также узкие эксплуатационные параметры, обусловленные как отсутствием возможности регулирования активной мощности синхронного индукторного генератора, так и отсутствием возможности регулирования величины выходного напряжения переменного тока, что затрудняет возможность использования его в качестве источника сварочного тока при электродуговой сварке (в конструкции известного синхронного генератора отсутствует возможность оперативного изменения величины общего магнитного потока отдельных постоянных магнитов, образующих между собой кольцевой магнитный вкладыш).

Целью настоящего изобретения является расширение эксплуатационных параметров синхронного генератора путем обеспечения возможности регулирования как его активной мощности, так и возможности регулирования напряжения переменного тока, а также обеспечения возможности использования его в качестве источника сварочного тока при проведении электродуговой сварки на различных режимах.

Поставленная цель достигается тем, что синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых 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 p-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора, в нем несущий узел статора выполнен из группы одинаковых модулей с указанными кольцевым магнитопроводом и кольцевым ротором, смонтированных на одном опорном валу 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.

Дополнительным отличием предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов является то, что одноименные магнитные полюсы кольцевых магнитных вкладышей кольцевых роторов в смежных модулях несущего узла статора расположены конгруэнтно друг другу в одних радиальных плоскостях, а концы фаз якорной обмотки в одном модуле несущего узла статора соединены с началами одноименных фаз якорной обмотки в другом смежном модуле несущего узла статора, образуя в соединении между собой общие фазы якорной обмотки статора.

Кроме того, каждый из модулей несущего узла статора включает кольцевую втулку с наружным упорным фланцем и стакан с центральным отверстием в торце, а кольцевой ротор в каждом из модулей несущего узла статора включает кольцевую обечайку с внутренним упорным фланцем, в которой установлен упомянутый соответствующий кольцевой магнитный вкладыш, при этом указанные кольцевые втулки модулей несущего узла статора сопряжены своей внутренней цилиндрической боковой стенкой с одними из упомянутых опорных подшипников, другие из которых сопряжены со стенками центральных отверстий в торцах указанных соответствующих стаканов, кольцевые обечайки кольцевого ротора жестко соединены с опорным валом посредством крепежных узлов, а кольцевой магнитопровод в соответствующем модуле несущего узла статора смонтирован на указанной кольцевой втулке, жестко скрепленной своим наружным упорным фланцем с боковой цилиндрической стенкой стакана и образующей совместно с последним кольцевую полость, в которой размещен указанный соответствующий кольцевой магнитопровод с электрическими катушками соответствующей якорной обмотки статора. Дополнительным отличием предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов является то, что каждый из крепежных узлов, соединяющих кольцевую обечайку кольцевого ротора с опорным валом, включает смонтированную на опорном валу ступицу с фланцем, жестко скрепленным с внутренним упорным фланцем соответствующей кольцевой обечайки.

Дополнительным отличием предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов является то, что привод углового разворота модулей несущего узла статора друг относительно друга смонтирован посредством опорного узла на модулях несущего узла статора.

Кроме того, привод углового разворота друг относительно друга модулей несущего узла статора выполнен в виде винтового механизма с ходовым винтом и гайкой, а опорный узел привода углового разворота секций несущего узла статора включает закрепленные на одном из упомянутых стаканов опорную проушину, а на другом стакане опорную планку, при этом ходовой винт шарнирно связан двухстепенным шарниром одним концом посредством оси, параллельной оси упомянутого опорного вала, с указанной опорной планкой, выполненной с расположенной по дуге окружности направляющей прорезью, а гайка винтового механизма шарнирно связана одним концом с упомянутой проушиной, выполнена на другом конце с хвостовиком, пропущенным через направляющую прорезь в опорной планке, и снабжена стопорным элементом.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов в продольном разрезе;

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

На фиг.2 - Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, вид А;

На фиг.3 изображена схематически магнитная цепь возбуждения синхронного генератора в варианте исполнения с трехфазными электрическими цепями якорных обмоток статора в исходном начальном положении (без углового смещения соответствующих одноименных фаз в модулях несущего узла статора) для числа пар полюсов статора р=8;

На фиг.4 - то же, с фазами трехфазных электрических цепей якорных обмоток статора, развернутыми друг относительно друга в угловом положении на угол, равный 360/2р градусов;

На фиг.5 изображен вариант электрической схемы соединений якорных обмоток статора синхронного генератора с соединением фаз генератора звездой и последовательным соединением одноименных фаз в общих образованных ими фазах;

На фиг.6 изображен другой вариант электрической схемы соединений якорных обмоток статора синхронного генератора с соединением фаз генератора треугольником и последовательным соединением одноименных фаз в общих образованных ими фазах;

схематически векторная диаграмма изменения величины фазных напряжений синхронного генератора при угловом развороте соответствующих одноименных фаз якорных обмоток статора (соответственно и модулей несущего узла статора) на соответствующий угол и при соединении указанных фаз по схеме "звезда"

На фиг.7 изображена схематически векторная диаграмма изменения величины фазных напряжений синхронного генератора при угловом развороте соответствующих одноименных фаз якорных обмоток статора (соответственно и модулей несущего узла статора) на соответствующий угол и при соединении указанных фаз по схеме "звезда";

то же, при соединении фаз якорных обмоток статора по схеме "треугольник"

На фиг.8 - то же, при соединении фаз якорных обмоток статора по схеме "треугольник";

диаграмма с графиком зависимости выходного линейного напряжения синхронного генератора от геометрического угла разворота одноименных фаз якорных обмоток статора с приведением соответствующего электрического угла поворота вектора напряжения в фазе для соединения фаз по схеме "звезда"

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

На фиг.9 изображена диаграмма с графиком зависимости выходного линейного напряжения синхронного генератора от геометрического угла разворота одноименных фаз якорных обмоток статора с приведением соответствующего электрического угла поворота вектора напряжения в фазе для соединения фаз по схеме "звезда";

диаграмма с графиком зависимости выходного линейного напряжения синхронного генератора от геометрического угла разворота одноименных фаз якорных обмоток статора с приведением соответствующего электрического угла поворота вектора напряжения в фазе для соединения фаз по схеме "треугольник"

На фиг.10 изображена диаграмма с графиком зависимости выходного линейного напряжения синхронного генератора от геометрического угла разворота одноименных фаз якорных обмоток статора с приведением соответствующего электрического угла поворота вектора напряжения в фазе для соединения фаз по схеме "треугольник".

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов содержит несущий узел статора с опорными подшипниками 1, 2, 3, 4, на котором смонтирована группа одинаковых кольцевых магнитопроводов 5 (например, в виде монолитных дисков из порошкового композиционного магнитомягкого материала) с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками 6 с многофазными (например, трехфазными, а в общем случае m-фазными) якорными обмотками 7, 8 статора, установленную на опорном валу 9 с возможностью вращения в упомянутых опорных подшипниках 1, 2, 3, 4 вокруг несущего узла статора группу одинаковых кольцевых роторов 10, со смонтированными на внутренних боковых стенках кольцевыми магнитными вкладышами 11 (например, в виде монолитных магнитных колец из порошкового магнитоанизотропного материала) с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из p-пар (в данном варианте исполнения генератора число пар p магнитных полюсов равно 8), охватывающими полюсные выступы с электрическими катушками 6 якорных обмоток 7, 8 указанных кольцевых магнитопроводов 5 статора. Несущий узел статора выполнен из группы одинаковых модулей, каждый из которых включает кольцевую втулку 12 с наружным упорным фланцем 13 и стакан 14 с центральным отверстием "а" в торце 15 и с боковой цилиндрической стенкой 16. Каждый из кольцевых роторов 10 включает кольцевую обечайку 17 с внутренним упорным фланцем 18. Кольцевые втулки 12 модулей несущего узла статора сопряжены своей внутренней цилиндрической боковой стенкой с одними из упомянутых опорных подшипников (с опорными подшипниками 1, 3), другие из которых ( 2, 4) сопряжены со стенками центральных отверстий "а" в торцах 15 указанных соответствующих стаканов 14. Кольцевые обечайки 17 кольцевых роторов 10 жестко соединены с опорным валом 9 посредством крепежных узлов, а каждый из кольцевых магнитопроводов 5 в соответствующем модуле несущего узла статора смонтирован на указанной кольцевой втулке 12, жестко скрепленной своим наружным упорным фланцем 13 с боковой цилиндрической стенкой 16 стакана 14 и образующей совместно с последним кольцевую полость "б", в которой размещен указанный соответствующий кольцевой магнитопровод 5 с электрическими катушками 6 соответствующей якорной обмотки (якорные обмотки 7, 8) статора. Модули несущего узла статора (образующие эти модули кольцевые втулки 12 со стаканами 14) установлены с возможностью их разворота друг относительно друга вокруг оси, соосной с опорным валом 9, и снабжены кинематически связанным с ними приводом углового разворота их друг относительно друга, смонтированным посредством опорного узла на модулях несущего узла статора. Каждый из крепежных узлов, соединяющих кольцевую обечайку 17 соответствующего кольцевого ротора 10 с опорным валом 9, включает смонтированную на опорном валу 9 ступицу 19 с фланцем 20, жестко скрепленным с внутренним упорным фланцем 18 соответствующей кольцевой обечайки 17. Привод углового разворота модулей несущего узла статора друг относительно друга в представленном частном варианте исполнения выполнен в виде винтового механизма с ходовым винтом 21 и гайкой 22, а опорный узел привода углового разворота секций несущего узла статора включает закрепленные на одном из упомянутых стаканов 14 опорную проушину 23, а на другом стакане 14 опорную планку 24. Ходовой винт 21 шарнирно связан двухстепенным шарниром (шарниром с двумя степенями свободы) одним концом "в" посредством оси 25, параллельной оси O-O1 упомянутого опорного вала 9, с указанной опорной планкой 24, выполненной с расположенной по дуге окружности направляющей прорезью "г", а гайка 22 винтового механизма шарнирно связана одним концом с упомянутой опорной проушиной 23, выполнена на другом конце с хвостовиком 26, пропущенным через направляющую прорезь "г" в опорной планке 24, и снабжена стопорным элементом 27 (стопорной гайкой). На конце гайки 22, шарнирно связанном с опорной проушиной 23, установлен дополнительный стопорный элемент 28 (дополнительная стопорная гайка). Опорный вал 9 снабжен вентиляторами 29 и 30 охлаждения якорных обмоток 7, 8 статора, один из которых (29) расположен на одном из концов опорного вала 9, а другой (30) размещен между секциями несущего узла статора и смонтирован на опорном валу 9. Кольцевые втулки 12 секций несущего узла статора выполнены с вентиляционными отверстиями "д" на наружных упорных фланцах 13 для прохождения потока воздуха в соответствующие кольцевые полости "б", образованные кольцевыми втулками 12 и стаканами 14, и для охлаждения тем самым якорных обмоток 7 и 8, размещенных в электрических катушках 6 на полюсных выступах кольцевых магнитопроводов 5. На конце опорного вала 9, на котором расположен вентилятор 29, смонтирован шкив 31 клиноременной передачи для приведения во вращение кольцевых роторов 10 синхронного генератора. Вентилятор 29 закреплен непосредственно на шкиве 31 клиноременной передачи. На другом конце ходового винта 21 винтового механизма установлена рукоятка 32 ручного управления винтовым механизмом привода углового разворота модулей несущего узла статора друг относительно друга. Одноименные фазы (А1, В1, С1 и А2, В2, С2) якорных обмоток в кольцевых магнитопроводах 5 модулей несущего узла статора соединены между собой, образуя общие фазы генератора (соединение одноименных фаз в общем виде как последовательное, так и параллельное, а также компаундное). Одноименные магнитные полюсы ("северные" и соответственно "южные") кольцевых магнитных вкладышей 11 кольцевых роторов 10 в смежных модулях несущего узла статора расположены конгруэнтно друг другу в одних радиальных плоскостях. В представленном варианте исполнения концы фаз (A1, B1, C1) якорной обмотки (обмотки 7) в кольцевом магнитопроводе 5 одного модуля несущего узла статора соединены с началами одноименных фаз (А2, В2, С2) якорной обмотки (обмотки 8) в смежном другом модуле несущего узла статора, образуя в последовательном соединении между собой общие фазы якорной обмотки статора.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов работает следующим образом.

От привода (например, от двигателя внутреннего сгорания, преимущественно дизеля, на чертеже не показано) через шкив 31 клиноременной передачи вращательное движение передается к опорному валу 9 с кольцевыми роторами 10. При вращении кольцевых роторов 10 (кольцевых обечаек 17) с кольцевыми магнитными вкладышами 11 (например, монолитными магнитными кольцами из порошкового магнитоанизотропного материала) создаются вращающиеся магнитные потоки, пронизывающие воздушный кольцевой зазор между кольцевыми магнитными вкладышами 11 и кольцевыми магнитопроводами 5 (например, монолитными дисками из порошкового композиционного магнитомягкого материала) модулей несущего узла статора, а также пронизывающие радиальные полюсные выступы (на чертеже условно не показаны) кольцевых магнитопроводов 5. При вращении кольцевых роторов 10 осуществляется также попеременное прохождение "северных" и "южных" чередующихся магнитных полюсов кольцевых магнитных вкладышей 11 над радиальными полюсными выступами кольцевых магнитопроводов 5 модулей несущего узла статора, вызывающее пульсации вращающегося магнитного потока как по величине, так и по направлению в радиальных полюсных выступах указанных кольцевых магнитопроводов 5. При этом в якорных обмотках 7 и 8 статора наводятся переменные электродвижущие силы (ЭДС) с взаимным сдвигом по фазе в каждой из m-фазных якорных обмоток 7 и 8 на угол, равный 360/m электрических градусов, а для представленных трехфазных якорных обмоток 7 и 8 в фазах их (А1, В1, С1 и А2, В2, С2) индуктируются синусоидальные переменные электродвижущие силы (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 11 на частоту вращения кольцевых роторов 10 (для числа пар магнитных полюсов р=8 индуктируются переменные ЭДС преимущественно повышенной частоты, например с частотой 400 Гц). Переменный ток (например, трехфазный или в общем случае m-фазный), протекающий по общей якорной обмотке статора, образованной указанным выше соединением между собой одноименных фаз (А1, В1, С1 и А2, В2, С2) якорных обмоток 7 и 8 в смежных кольцевых магнитопроводах 5, подается на выходные электрические силовые разъемы (на чертеже не показаны) для подключения приемников электрической энергии переменного тока (например, для подключения электродвигателей, электроинструмента, электронасосов, нагревательных приборов, а также для подключения электросварочного оборудования и т.д.). В представленном варианте исполнения синхронного генератора выходное фазное напряжение (Uф) в общей якорной обмотке статора (образованной соответствующим указанным выше соединением между собой одноименных фаз якорных обмоток 7 и 8 в кольцевых магнитопроводах 5) в исходном начальном положении модулей несущего узла статора (без углового смещения друг относительно друга этих модулей несущего узла статора и соответственно без углового смещения друг относительно друга кольцевых магнитопроводов 5 с полюсными выступами по периферии) равно сумме по модулю отдельных фазных напряжений (Uф1 и Uф2) в якорных обмотках 7 и 8 кольцевых магнитопроводов модулей несущего узла статора (в общем случае суммарное выходное фазное напряжение Uф генератора равно геометрической сумме векторов напряжений в отдельных одноименных фазах А1, В1, С1 и А2, В2, С2 якорных обмоток 7 и 8, см. фиг.7 и 8 с диаграммами напряжений). При необходимости изменения (уменьшения) величины выходного фазного напряжения Uф (и соответственно выходного линейного напряжения U л) представленного синхронного генератора для питания определенных приемников электроэнергии с пониженным напряжением (например, для электродуговой сварки переменным током на определенных режимах) осуществляется угловой разворот отдельных модулей несущего узла статора друг относительно друга на определенный угол (заданный или оттарированный). При этом стопорный элемент 27 гайки 22 винтового механизма привода углового разворота модулей несущего узла статора расфиксируется и посредством рукоятки 32 приводится во вращение ходовой винт 21 винтового механизма, вследствие чего осуществляется угловое перемещение гайки 22 по дуге окружности в прорези "г" опорной планки 24 и разворот на заданный угол одного из модулей несущего узла статора по отношению к другому модулю этого несущего узла статора вокруг оси O-O1 опорного вала 9 (в представленном варианте исполнения синхронного индукторного генератора осуществляется разворот модуля несущего узла статора, на котором смонтирована опорная проушина 23, при этом другой модуль несущего узла статора с опорной планкой 24, имеющей прорезь "г", находится в неподвижном положении, т.е. закреплен на каком-либо основании, на представленном чертеже условно не показано). При угловом развороте модулей несущего узла статора (кольцевых втулок 12 со стаканами 14) друг относительно друга вокруг оси O-O1 опорного вала 9 осуществляется также разворот кольцевых магнитопроводов 5 с полюсными выступами по периферии друг относительно друга на заданный угол, вследствие чего осуществляется также и разворот на заданный угол друг относительно друга вокруг оси O-O1 опорного вала 9 самих полюсных выступов (на чертеже условно не показаны) с электрическими катушками 6 многофазных (в данном случае трехфазных) якорных обмоток 7 и 8 статора в кольцевых магнитопроводах. При развороте полюсных выступов кольцевых магнитопроводов 5 друг относительно друга на заданный угол в пределах 360/2р градусов происходит пропорциональный поворот векторов фазных напряжений в якорной обмотке подвижного модуля несущего узла статора (в данном случае происходит поворот векторов фазных напряжений Uф2 в якорной обмотке 7 модуля несущего узла статора, имеющей возможность углового разворота) на вполне определенный угол в пределах 0-180 электрических градусов (см. фиг.7 и 8), что приводит к изменению результирующего выходного фазного напряжения Uф синхронного генератора в зависимости от электрического угла поворота векторов фазных напряжений Uф2 в фазах А2, В2, С2 одной якорной обмотки 7 статора относительно векторов фазных напряжений Uф1 в фазах A1, B1, C1 другой якорной обмотки 8 статора (данная зависимость имеет расчетный характер, вычисляемый решением косоугольных треугольников и определяется следующим выражением:

Диапазон регулирования выходного результирующего фазного напряжения Uф представленного синхронного генератора для случая, когда Uф1=Uф2, будет изменяться от 2Uф1 до 0, а для случая, когда Uф2

Выполнение несущего узла статора из группы одинаковых модулей с указанными кольцевым магнитопроводом 5 и кольцевым ротором 10, смонтированных на одном опорном валу 9, а также установка модулей несущего узла статора с возможностью их разворота друг относительно друга вокруг оси, соосной с опорным валом 9, снабжение модулей несущего узла статора кинематически связанным с ними приводом углового разворота их друг относительно друга и соединение между собой одноименных фаз якорных обмоток 7 и 8 в модулях несущего узла статора с образованием общих фаз якорной обмотки статора позволяют расширить эксплуатационные параметры синхронного генератора за счет обеспечения возможности регулирования как его активной мощности, так и обеспечения возможности регулирования выходного напряжения переменного тока, а также обеспечения возможности использования его в качестве источника сварочного тока при проведении электродуговой сварки на различных режимах (путем обеспечения возможности регулирования величины сдвига фаз напряжения в одноименных фазах А1, В1, С1 и А2, В2, С2, а в общем случае в фазах Ai, Bi, Ci якорных обмоток статора в предложенном синхронном генераторе). 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. Кроме того, дополнительное расположение одноименных магнитных полюсов ("северный" и соответственно "южный") кольцевых магнитных вкладышей 11 в смежных кольцевых роторах 10 конгруэнтно друг другу в одних радиальных плоскостях, а также соединение концов фаз A1, B1, C1 якорной обмотки 7 в кольцевом магнитопроводе 5 одного модуля несущего узла статора с началами одноименных фаз А2, В2, С2 якорной обмотки 8 в смежном модуле несущего узла статора (последовательное соединение между собой одноименных фаз якорной обмотки статора) обуславливают возможность обеспечения плавного и эффективного регулирования выходного напряжения синхронного генератора от максимального значения (2U ф1, а в общем случае для числа n секций несущего узла статора nU ф1) до 0, что может быть использовано также для снабжения электроэнергией специальных электрических машин и установок.

Формула изобретения

1. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых 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 p-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора, отличающийся тем, что несущий узел статора выполнен из группы одинаковых модулей с указанными 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.

2. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по п.1, отличающийся тем, что одноименные магнитные полюсы кольцевых магнитных вкладышей кольцевых роторов в смежных модулях несущего узла статора расположены конгруэнтно друг другу в одних радиальных плоскостях, а концы фаз якорной обмотки в одном модуле несущего узла статора соединены с началами одноименных фаз якорной обмотки в другом, смежном модуле несущего узла статора, образуя в соединении между собой общие фазы якорной обмотки статора.

3. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по п.1, отличающийся тем, что каждый из модулей несущего узла статора включает кольцевую втулку с наружным упорным фланцем и стакан с центральным отверстием в торце, а кольцевой ротор в каждом из модулей несущего узла статора включает кольцевую обечайку с внутренним упорным фланцем, в которой установлен упомянутый соответствующий кольцевой магнитный вкладыш, при этом указанные кольцевые втулки модулей несущего узла статора сопряжены своей внутренней цилиндрической боковой стенкой с одними из упомянутых опорных подшипников, другие из которых сопряжены со стенками центральных отверстий в торцах указанных соответствующих стаканов, кольцевые обечайки кольцевого ротора жестко соединены с опорным валом посредством крепежных узлов, а кольцевой магнитопровод в соответствующем модуле несущего узла статора смонтирован на указанной кольцевой втулке, жестко скрепленной своим наружным упорным фланцем с боковой цилиндрической стенкой стакана и образующей совместно с последним кольцевую полость, в которой размещен указанный соответствующий кольцевой магнитопровод с электрическими катушками соответствующей якорной обмотки статора.

4. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что каждый из крепежных узлов, соединяющих кольцевую обечайку кольцевого ротора с опорным валом, включает смонтированную на опорном валу ступицу с фланцем, жестко скрепленным с внутренним упорным фланцем соответствующей кольцевой обечайки.

5. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по п.4, отличающийся тем, что привод углового разворота модулей несущего узла статора друг относительно друга смонтирован посредством опорного узла на модулях несущего узла статора.

6. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по п.5, отличающийся тем, что привод углового разворота друг относительно друга модулей несущего узла статора выполнен в виде винтового механизма с ходовым винтом и гайкой, а опорный узел привода углового разворота модулей несущего узла статора включает закрепленные на одном из упомянутых стаканов опорную проушину, а на другом стакане опорную планку, при этом ходовой винт шарнирно связан двухстепенным шарниром одним концом посредством оси, параллельной оси упомянутого опорного вала, с указанной опорной планкой, выполненной с расположенной по дуге окружности направляющей прорезью, а гайка винтового механизма шарнирно связана одним концом с упомянутой проушиной, выполнена на другом конце с хвостовиком, пропущенным через направляющую прорезь в опорной планке, и снабжена стопорным элементом.

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!

Синхронные машины с постоянными магнита­ми (магнитоэлектрические) не имеют обмотки воз­буждения на роторе, а возбуждающий магнитный поток у них создается постоянными магнитами, рас­положенными на роторе. Статор этих машин обыч­ной конструкции с двух- или трехфазной обмоткой.

Применяют эти машины чаще всего в качестве двигателей небольшой мощности. Синхронные ге­нераторы с постоянными магнитами применяют ре­же, главным образом в качестве автономно рабо­тающих генераторов повышенной частоты, малой и средней мощности.

Синхронные магнитоэлектрические двигате­ли. Эти двигатели получили распространение в двух конструктивных исполнениях: с радиальным и акси­альным расположением постоянных магнитов.

При радиальном расположении по­стоянных магнитов пакет ротора с пусковой клет­кой, выполненный в виде полого цилиндра, закреп­ляют на наружной поверхности явно выраженных полюсов постоянного магнита 3. В цилиндре делают межполюсные прорези, предотвращающие замыка­ние потока постоянного магнита в этом цилиндре (рис. 23.1, ).

При аксиальном расположении маг­нитов конструкция ротора аналогична конструкции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. К торцам этого ротора прижаты кольцевые постоян­ные магниты (рис. 23.1, ).

Конструкции с аксиальным расположением маг­нита применяют в двигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт; конструкции с радиальным расположением магнитов применяют в двигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более.

Физические процессы, протекающие при асин­хронном пуске этих двигателей, имеют некоторую осо­бенность, обусловленную тем, что магнитоэлектриче­ские двигатели пускают в возбужденном состоянии. Поле постоянного магнита в процессе разгона ротора наводит в обмотке статора ЭДС
, частота которой увеличивается пропор­ционально частоте вращения ротора. Эта ЭДС наводит в обмотке статора ток, взаимодействующий с полем постоянных магнитов и создающий тормозной момент
, направленный встречно вращению ротора.

Рис. 23.1. Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и

аксиальным (б) расположением постоянных магнитов:

1 - статор, 2 - короткозамкнутый ротор, 3 - постоянный магнит

Таким образом, при разгоне двигателя с постоянными магни­тами на его ротор действуют два асинхронных момента (рис. 23.2): вращающий
(от тока , поступающего в обмотку статора из сети) и тормозной
(от тока , наведенного в обмотке статораполем постоянного магнита).

Однако зависимость этих моментов от частоты вращения ро­тора (скольжения) различна: максимум вращающего момента
соответствует значительной частоте (небольшому скольжению), а максимум тормозного момента М Т - малой частоте вращения (большому скольжению). Разгон ротора происходит под действи­ем результирующего момента
, который имеет зна­чительный «провал» в зоне малых частот вращения. Из приведен­ных на рисунке кривых видно, что влияние момента
на пусковые свойства двигателя, в частности на момент входа в син­хронизм М вх , значительно.

Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо, чтобы минимальный результирующий момент в асинхронном ре­жиме
и момент входа в синхронизмМ вх , были больше момента нагрузки. Форма кривой асинхронного момента магнитоэлектри­ческого

Рис.23.2. Графики асинхронных моментов

магнитоэлектрического синхронного двигателя

двигателя в значительной степени зависит от активного сопротивления пусковой клетки и от степени возбужденности дви­гателя, характеризуемой величиной
, гдеЕ 0 - ЭДС фазы статора, наведенная в режиме холостого хода при вра­щении ротора с синхронной частотой. С увеличением «провал»в кривой момента
увеличивается.

Электромагнитные процессы в магнитоэлектрических син­хронных двигателях в принципе аналогичны процессам в син­хронных двигателях с электромагнитным возбуждением. Однако необходимо иметь в виду, что постоянные магниты в магнито­электрических машинах подвержены размагничиванию действием магнитного потока реакции якоря. Пусковая обмотка несколько ослабляет это размагничивание, так как оказывает на постоянные магниты экранирующее действие.

Положительные свойства магнитоэлектрических синхронных двигателей - повышенная устойчивость работы в синхронном режиме и равномерность частоты вращения, а также способность синфазного вращения нескольких двигателей, включенных в одну сеть. Эти двигатели имеют сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и
,).

Недостатки магнитоэлектрических синхронных двигателей - повышенная стоимость по сравнению с синхронными двигателями других типов, обусловленная высокой стоимостью и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из сплавов, обла­дающих большой коэрцитивной силой (ални, алнико, магнико и др.). Эти двигатели обычно изго­товляют на небольшие мощности и применяют в приборостроении и в устройствах автоматики для привода механизмов, требующих по­стоянства частоты вращения.

Синхронные магнитоэлек­ трические генераторы . Ротор та­кого генератора выполняют при малой мощности в виде «звездоч­ки» (рис. 23.3, а ), при средней мощности - с когтеобразными полюсами и цилиндрическим постоянным магнитом (рис. 23.3, б). Ротор с когтеобразными полюсами дает возможность получить генератор с рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезапном коротком замыкании генератора. Этот ток представляет большую опасность для постоянного магнита ввиду сильного размагничивающего действия.

Помимо недостатков, отмеченных при рассмотрении магнитоэлектрических синхронных двигателей, генераторы с постоянны­ми магнитами имеют еще один недостаток, обусловленный отсутствием обмотки возбуждения, а поэтому регулировка напряжения в магнитоэлектрических генераторах практически невозможна. Это затрудняет стабилизацию напряжения генератора при измене­ниях нагрузки.

Рис.23.3. Роторы магнитоэлектрических синхронных генераторов:

1 – вал; 2 – постоянный магнит; 3 – полюс; 4 – немагнитная втулка

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!

Настоящее изобретение относится к области электротехники, а именно к бесколлекторным электрическим машинам, в частности электрогенераторам постоянного тока, и может быть использовано в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания. Технический результат - создание компактного высокоэффективного электрического генератора, который позволяет при сохранении относительно простой и надежной конструкции широко варьировать выходные параметры электрического тока в зависимости от условий эксплуатации. Сущность изобретения состоит в том, что бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, устройство для выпрямления электрического тока. Постоянные магниты закреплены на магнитопроводе таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Количество электромагнитов в генераторе обычно не превышает число (n-2). 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

Рисунки к патенту РФ 2303849

Настоящее изобретение относится к бесколлекторным электрическим машинам, в частности электрогенераторам постоянного тока, и может быть использовано в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания.

Синхронные машины переменного тока получили самое широкое распространение как в сфере производства, так и в сфере потребления электрической энергии. Все синхронные машины обладают свойством обратимости, то есть каждая из них может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Синхронный генератор содержит статор, обычно это полый шихтованный цилиндр с продольными пазами на внутренней поверхности, в которых расположена обмотка статора, и ротор, представляющий собой постоянные магниты чередующейся полярности, расположенные на валу, который может приводиться в движение тем или иным способом. В промышленных генераторах большой мощности для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, расположенную на роторе. В синхронных генераторах относительно небольшой мощности применяют постоянные магниты, расположенные на роторе.

При неизменной частоте вращения форма кривой ЭДС, вырабатываемой генератором, определяется только законом распределения магнитной индукции в зазоре между ротором и статором. Поэтому для получения напряжения на выходе генератора определенной формы и для эффективного преобразования механической энергии в электрическую используют различную геометрию ротора и статора, а также подбирают оптимальное количество постоянных магнитных полюсов и число витков обмотки статора (US 5117142, US 5537025, DE 19802784, ЕР 0926806, WO 02/003527, US 2002153793, US 2004021390, US 2004212273, US 2004155537). Перечисленные параметры не являются универсальными, а выбираются в зависимости от условий эксплуатации, что зачастую ведет к ухудшению других характеристик электрогенератора. Кроме того, сложная форма ротора или статора усложняет изготовление и сборку генератора и, как следствие, увеличивает себестоимость изделия. Ротор синхронного магнитоэлектрического генератора может иметь различную форму, например, при малой мощности ротор обычно выполняют в виде «звездочки», при средней мощности - с когтеобразными полюсами и цилиндрическими постоянными магнитами. Ротор с когтеобразными полюсами дает возможность получить генератор с рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезапном коротком замыкании генератора.

В генераторе с постоянными магнитами затруднена стабилизация напряжения при изменении нагрузки (поскольку отсутствует обратная магнитная связь, как, например, в генераторах с обмоткой возбуждения). Для стабилизации выходного напряжения и выпрямления тока используют различные электрические схемы (GB 1146033).

Настоящее изобретение направлено на создание компактного высокоэффективного электрического генератора, который позволяет при сохранении относительно простой и надежной конструкции широко варьировать выходные параметры электрического тока в зависимости от условий эксплуатации.

Электрогенератор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, является бесколлекторным синхронным генератором с постоянными магнитами. Он состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает:

Ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов,

Статор, несущий четное число подковообразных (П-образных) электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки,

Устройство для выпрямления электрического тока.

Постоянные магниты закреплены на магнитопроводе таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Количество электромагнитов в генераторе обычно не превышает число n-2.

Устройство для выпрямления тока обычно представляет собой одну из стандартных выпрямительных схем, выполненных на диодах: двухполупериодную со средней точкой или мостовую, соединенную с обмотками каждого электромагнита. В случае необходимости может быть также использована иная схема выпрямления тока.

В зависимости от особенностей эксплуатации электрогенератора ротор может располагаться как с внешней стороны статора, так и внутри статора.

Электрогенератор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может включать несколько идентичных секций. Количество таких секций зависит от мощности источника механической энергии (приводного двигателя) и требуемых параметров электрогенератора. Предпочтительно, чтобы секции были сдвинуты по фазе относительно друг друга. Это может достигаться, например, начальным сдвигом ротора в соседних секциях на угол , лежащий в диапазоне от 0° до 360°/n; или угловым сдвигом электромагнитов статора в соседних секциях относительно друг друга. Предпочтительно, чтобы электрогенератор также включал блок регулятора напряжений.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

на Фиг.1(а) и (б) изображена схема электрогенератора, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, у которого ротор расположен внутри статора;

на Фиг.2 представлено изображение одной секции электрогенератора;

на Фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с двухполупериодной со средней точкой схемой выпрямления тока;

на Фиг.4 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с одной из мостовых схем выпрямления тока;

на Фиг.5 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с другой мостовой схемой выпрямления тока;

на Фиг.6 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с другой мостовой схемой выпрямления тока;

на Фиг.7 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с другой мостовой схемой выпрямления тока;

на Фиг.8 изображена схема электрогенератора с наружным исполнением ротора;

на Фиг.9 представлено изображение многосекционного генератора, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.1(а) и (б) представлен электрогенератор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, который содержит корпус 1; ротор 2 с круговым магнитопроводом 3, на котором с одинаковым шагом закреплено четное число постоянных магнитов 4; статор 5, несущий четное число подковообразных электромагнитов 6, расположенных попарно напротив друг друга, и средство для выпрямления тока (не показано).

Корпус 1 электрогенератора обычно отливают из алюминиевого сплава или чугуна либо делают сварным. Монтаж электрогенератора в месте его установки осуществляют посредством лап 7 или посредством фланца. Статор 5 имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность, на которой с одинаковым шагом крепятся идентичные электромагниты 6. В данном случае десять. Каждый из указанных электромагнитов имеет по две катушки 8 с последовательно встречным направлением обмотки, расположенных на П-образном сердечнике 9. Пакет сердечника 9 собирается из нарубленных пластин электротехнической стали на клею или склепывается. Выводы обмоток электромагнитов через одну из выпрямительных схем (не показано) подключаются к выходу электрогенератора.

Ротор 3 отделен от статора воздушным промежутком и несет четное число постоянных магнитов 4, расположенных таким образом, что образуются два параллельных ряда полюсов, равноудаленных от оси генератора и чередующихся по полярности в продольном и поперечном направлениях (Фиг.2). Количество полюсов в одном ряду удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. В данном случае (Фиг.1) n=14 (k=1) и соответственно общее число постоянных магнитных полюсов равно 28. При вращении электрогенератора каждая из катушек электромагнитов проходит над соответствующим рядом чередующихся полюсов. Постоянные магниты и сердечники электромагнитов имеют форму такую, чтобы минимизировать потери и добиться однородности (насколько это возможно) магнитного поля в воздушном зазоре при работе электрогенератора.

Принцип действия электрогенератора, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, аналогичен принципу действия традиционного синхронного генератора. Вал ротора механически связан с приводным двигателем (источником механической энергии). Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с некоторой частотой. При этом в обмотке катушек электромагнитов в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС. Поскольку катушки отдельного электромагнита имеют разное направление обмотки и находятся в любой момент времени в зоне действия различных магнитных полюсов, то наводимая ЭДС в каждой из обмоток складывается.

В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита вращается с некоторой частотой, поэтому каждая из обмоток электромагнитов попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитного полюса. При этом смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотках электромагнитов.

Обмотки каждого электромагнита соединены с устройством для выпрямления тока, которое обычно представляет собой одну из стандартных выпрямительных схем, выполненных на диодах: двухполупериодную со средней точкой или одну из мостовых схем.

На Фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой, для электрогенератора с тремя парами электромагнитов 10. На Фиг.3 электромагниты пронумерованы от I до VI. Один из выводов обмотки каждого электромагнита и разноименный с ним вывод обмотки противоположного электромагнита подключены к одному выходу 12 генератора; другие выводы обмоток названных электромагнитов подключены через диоды 11 к другому выходу 13 генератора (при данном включении диодов выход 12 будет отрицательным, а выход - 13 положительным). То есть если для электромагнита I начало обмотки (В) подключается к отрицательной шине, то для противоположного ему электромагнита IV к отрицательной шине подключается конец обмотки (Е). Аналогично и для других электромагнитов.

На Фиг.4-7 представлены различные мостовые схемы выпрямления тока. Соединение мостов, выпрямляющих ток от каждого из электромагнитов, может быть параллельное, последовательное или смешанное. Вообще различные схемы используют для перераспределения выходных токовых и потенциальных характеристик электрогенератора. Один и тот же электрогенератор, в зависимости от режимов эксплуатации, может иметь ту или иную схему выпрямления. Предпочтительно, чтобы электрогенератор содержал дополнительный переключатель, позволяющий выбирать требуемый режим работы (схему соединения мостов).

На Фиг.4 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с одной из мостовых схем выпрямления тока. Каждый из электромагнитов I-VI подключен к отдельному мосту 15, которые в свою очередь соединены параллельно. Общие шины подключены соответственно к отрицательному выходу 12 электрогенератора или к положительному 13.

На Фиг.5 представлена электрическая схема с последовательным соединением всех мостов.

На Фиг.6 представлена электрическая схема со смешанным соединением. Мосты, выпрямляющие ток от электромагнитов: I и II; III и IV; V и VI, соединены попарно последовательно. А пары в свою очередь соединены параллельно через общие шины.

На Фиг.7 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора, в которой отдельный мост выпрямляет ток от пары диаметрально противоположных электромагнитов. Для каждой пары диаметрально противоположных электромагнитов одноименные выводы (в данном случае «В») электрически соединены между собой, а оставшиеся выводы подсоединены к выпрямляющему мосту 15. Общее количество мостов равно m/2. Между собой мосты могут быть соединены параллельно и/или последовательно. На Фиг.7 изображено параллельное соединение мостов.

В зависимости от особенностей эксплуатации электрогенератора ротор может располагаться как с внешней стороны статора, так и внутри статора. На Фиг.8 изображена схема электрогенератора с наружным исполнением ротора (10 электромагнитов; 36=18+18 постоянных магнитов (k=2)). Конструкция и принцип действия такого электрогенератора аналогичны описанному выше.

Электрогенератор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может включать несколько секций А, В и С (Фиг.9). Количество таких секций зависит от мощности источника механической энергии (приводного двигателя) и требуемых параметров электрогенератора. Каждая из секций соответствует одной из конструкций, описанных выше. Электрогенератор может включать как идентичные секции, так и секции, отличающиеся друг от друга числом постоянных магнитов и/или электромагнитов или схемой выпрямления.

Предпочтительно, чтобы идентичные секции были сдвинуты по фазе относительно друг друга. Это может достигаться, например, начальным сдвигом ротора в соседних секциях и угловым сдвигом электромагнитов статора в соседних секциях относительно друг друга.

Примеры реализации:

Пример 1. В соответствии с настоящим изобретением был изготовлен электрогенератор для питания электроприборов напряжением до 36 В. Электрогенератор выполнен с вращающимся внешним ротором, на котором размещено 36 постоянных магнитов (по 18 в каждом ряду, k=2), изготовленных из сплава Fe-Nd-В. Статор несет 8 пар электромагнитов, каждый из которых имеет по две катушки, содержащие по 100 витков провода ПЭТВ диаметром 0,9 мм. Схема включения - мостовая, с соединением одноименных выводов диаметрально противоположных электромагнитов (Фиг.7).

внешний диаметр - 167 мм;

напряжение на выходе - 36 В;

максимальный ток - 43 А;

мощность - 1,5 кВт.

Пример 2. В соответствии с настоящим изобретением был изготовлен электрогенератор для подзарядки блоков питания (пара батарей на 24 В) для электромобилей городского типа. Электрогенератор выполнен с вращающимся внутренним ротором, на котором размещено 28 постоянных магнитов (по 14 в каждом ряду, k=1), изготовленных из сплава Fe-Nd-В. Статор несет 6 пар электромагнитов, каждый из которых имеет по две катушки, содержащие по 150 витков, намотанных проводом ПЭТВ диаметром 1,0 мм. Схема включения - двухполупериодная со средней точкой (Фиг.3).

Электрогенератор обладает следующими параметрами:

внешний диаметр - 177 мм;

напряжение на выходе - 31 В (для зарядки 24 В блока аккумуляторов);

максимальный ток - 35А,

максимальная мощность - 1,1 кВт.

Дополнительно электрогенератор содержит автоматический регулятор напряжения на 29,2 В.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электрогенератор, содержащий, по крайней мере, одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора и количество полюсов в одном ряду равное n удовлетворяет соотношению

n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д.

2. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что количество электромагнитов статора m удовлетворяет соотношению m n-2.

3. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что устройство для выпрямления электрического тока содержит диоды, подключенные к, по крайней мере, одному из выводов обмоток электромагнитов.

4. Электрогенератор по п.3, отличающийся тем, что диоды подключены по двухполупериодной со средней точкой схеме.

5. Электрогенератор по п.3, отличающийся тем, что диоды подключены по мостовой схеме.

6. Электрогенератор по п.5, отличающийся тем, что количество мостов равно m, и они соединены между собой последовательно, или параллельно, или последовательно-параллельно.

7. Электрогенератор по п.5, отличающийся тем, что количество мостов равно m/2 и одни из одноименных выходов каждой пары диаметрально противоположных электромагнитов соединены между собой, а другие подключены к одному мосту.

8. Электрогенератор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что ротор расположен с внешней стороны статора.

9. Электрогенератор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что ротор расположен внутри статора.

10. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, две идентичные секции.

11. Электрогенератор по п.10, отличающийся тем, что, по крайней мере, две секции сдвинуты по фазе относительно друг друга.

12. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, две секции, различающиеся числом электромагнитов.

13. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок регулятора напряжений.

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.