Синхронные генераторы с постоянными магнитами. Экспериментальные исследования энергетической эффективности сверхединичных синхронных генераторов на постоянных магнитах. Постоянные магниты в конструкциях генераторов

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.

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.

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

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.