RU130760U1

RU130760U1 - AC GENERATOR WITH FIELD LIMIT FUNCTION

Info

Publication number: RU130760U1
Application number: RU2013106555/07U
Authority: RU
Inventors: Борис Дмитриевич Шумаков; Андрей Игоревич Согрин; Павел Олегович Шабуров
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2013-07-27

Abstract

Генератор переменного тока с функцией ограничения поля, содержащий статор с двумя шихтованными пакетами с трехфазной обмоткой, впрессованными в массивный магнитопровод, обмотку возбуждения, расположенную между шихтованными пакетами статора, ротор, выполненный в виде кольцевого магнитопровода с радиально намагниченными и укороченными в аксиальном направлении постоянными магнитами, имеющими укорочения для полюсов разной полярности с противоположных сторон, а на места укорочений вставлены вставки из магнитомягкого материала, обмотку статора, состоящую из катушек, каждая из которых надета на два расположенных напротив друг друга зубца обоих шихтованных пакетов, отличающийся тем, что генератор имеет дополнительную обмотку возбуждения, расположенную между шихтованными пакетами статора, причем один вывод дополнительной обмотки соединен параллельно с тремя выходными выводами фазных обмоток генератора через стабилитроны, а другой вывод соединен с точкой объединения внутренних выводов фазных обмоток через полупроводниковый диод.An alternating current generator with a field limiting function, comprising a stator with two burnt packets with a three-phase winding, pressed into a massive magnetic circuit, an excitation winding located between the burnt stator packets, a rotor made in the form of an annular magnetic circuit with permanent magnets radially magnetized and axially shortened, having shortening for poles of different polarity from opposite sides, and inserts of magnetically soft material, a winding are inserted at the places of shortening a stator, consisting of coils, each of which is worn on two opposite teeth of both burnt packets, characterized in that the generator has an additional excitation winding located between the burnt stator packets, and one output of the additional winding is connected in parallel with three output terminals of the phase windings generator through zener diodes, and the other terminal is connected to the point of combining the internal terminals of the phase windings through a semiconductor diode.

Description

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортных средств, а именно к электрическим бесщеточным автотракторным генераторам, в которых используются постоянные магниты. Приводы генераторов производятся, как правило, от основных двигателей транспортных средств, к которым в первую очередь следует отнести колесную и гусеничную технику.The utility model relates to the electrical equipment of vehicles, namely to electric brushless autotractor generators that use permanent magnets. Generator drives are produced, as a rule, from the main engines of vehicles, which in the first place should include wheeled and tracked vehicles.

Известен бесщеточный автотракторный электрический генератор, содержащий статор с силовой обмоткой, ротор, представляющий собой шести-лучевую стальную звезду, между зубьями которой размещены постоянные магниты, две неподвижных обмотки возбуждения (Чижков Ю.П., Акимов. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. - М.: Издательство «За рулем», 1999. - 384 с). Вращающийся ротор генератора изменяет магнитный поток в статоре, что приводит к возникновению в обмотке статора электродвижущей силы (ЭДС). Изменением токов в обмотках возбуждения варьируется величина магнитного потока в обмотках статора и, следовательно, регулируется выходное напряжение генератора.Known brushless autotractor electric generator containing a stator with a power winding, a rotor, which is a six-beam steel star, between the teeth of which are placed permanent magnets, two stationary excitation windings (Chizhkov Yu.P., Akimov. Electrical equipment of cars. Textbook for universities. - M .: Publishing house "Behind the wheel", 1999. - 384 s). The rotating rotor of the generator changes the magnetic flux in the stator, which leads to the appearance of an electromotive force (EMF) in the stator winding. By changing the currents in the field windings, the magnitude of the magnetic flux in the stator windings varies, and therefore, the output voltage of the generator is regulated.

Недостаток указанного генератора заключается в необходимости использования внешнего источника тока (аккумулятора) в начале работы при выходе генератора на номинальный режим работы. Наличие постоянных магнитов между зубьями ротора облегчает выход генератора на номинальный режим работы, однако не исключает необходимости использования внешнего источника.The disadvantage of this generator is the need to use an external current source (battery) at the beginning of work when the generator reaches its rated operating mode. The presence of permanent magnets between the teeth of the rotor facilitates the output of the generator to the nominal operating mode, but does not exclude the need for an external source.

Известен бесщеточный электрический генератор трехфазного переменного тока (Патент на изобретение РФ 2439770, Воронин С.Г. и др., январь 2012), содержащий статор с двумя шихтованными пакетами с трехфазной обмоткой, впрессованными в массивный магнитопровод, обмотку возбуждения, расположенную между шихтованными пакетами статора, и ротор с укороченными полюсами, полюса выполнены в виде намагниченных радиально и укороченных в аксиальном направлении постоянных магнитов с укорочениями для полюсов разной полярности с противоположных сторон, а на место укорочений вставлены вставки из магнитомягкого материала, обмотка статора состоит их катушек, каждая из которых надета на два расположенных напротив друг друга зубца обоих шихтованных пакетов. Регулирование величины выходного напряжения генератора обеспечивается путем пропускания постоянного тока по обмотке возбуждения. В данном техническом устройстве возможен выход генератора на номинальный режим работы без внешнего источника тока (аккумулятора), что обеспечивается значительной величиной магнитодвижущих сил используемых постоянных магнитов.A brushless electric three-phase alternating current generator is known (RF Patent 2439770, Voronin S.G. et al., January 2012), comprising a stator with two charge packages with a three-phase winding pressed into a massive magnetic circuit, an excitation winding located between the charge stator packages , and a rotor with shortened poles, the poles are made in the form of permanent magnets magnetized radially and axially shortened with shortening for poles of different polarity from opposite sides, and on one hundred shortenings, inserts of soft magnetic material are inserted, the stator winding consists of coils, each of which is worn on two opposite teeth of both burnt packages. The regulation of the output voltage of the generator is provided by passing a direct current to the field winding. In this technical device, it is possible for the generator to reach the nominal operating mode without an external current source (battery), which is ensured by a significant magnitude of the magnetomotive forces of the used permanent magnets.

С другой стороны, наличие магнитодвижущих сил постоянных магнитов значительной величины в указанном генераторе приводит к возможности возникновения больших амплитуд ЭДС (напряжения) при вращении ротора в случае отсутствия регулирующего тока в обмотке возбуждения. Наличие значительного напряжения на выводах генератора представляет угрозу разрушения изоляции его токопроводящих проводников и нарушения работоспособности приемников электрической энергии, в первую очередь полупроводниковых устройств.On the other hand, the presence of magnetizing forces of permanent magnets of significant magnitude in the specified generator leads to the possibility of the emergence of large amplitudes of the EMF (voltage) during rotation of the rotor in the absence of a control current in the excitation winding. The presence of significant voltage at the terminals of the generator poses a threat to the destruction of the insulation of its conductive conductors and impaired operability of electrical energy receivers, primarily semiconductor devices.

Техническая задача, решаемая полезной моделью, состоит в ограничении выходного напряжения на обмотках генератора при любых вариациях величины регулирующего тока обмотки возбуждения, что в целом повышает надежность работы генератора и устройств его электрической нагрузки.The technical problem solved by the utility model is to limit the output voltage on the generator windings for any variation in the magnitude of the control current of the field winding, which generally increases the reliability of the generator and its electrical load devices.

Поставленная задача решается тем, что генератор оснащен ограничителем выходного напряжения, который состоит из дополнительной обмотки возбуждения (ДОБ), расположенной между шихтованными пакетами статора, трех полупроводниковых стабилитронов и полупроводникового диода.The problem is solved in that the generator is equipped with an output voltage limiter, which consists of an additional field winding (DOB) located between the stator stacks, three semiconductor zener diodes and a semiconductor diode.

Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез генератора, на фиг.2 поперечный разрез генератора, на фиг.3 электрическая схема ограничителя напряжения и схема его подключения к обмоткам генератора, на фиг.4 изображена развертка ротора по внутреннему диаметру.The technical essence of the utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a longitudinal section of a generator, Fig. 2 is a cross-sectional view of a generator, Fig. 3 is an electrical diagram of a voltage limiter and a circuit for connecting it to a generator windings, and Fig. 4 shows a scan of the rotor along the inner diameter.

Предлагаемый генератор выполнен по обращенной конструкции, то есть неподвижный статор располагается внутри машины, а вращающийся ротор с постоянными магнитами расположен снаружи статора. Такая конструкция представляется более удобной, с точки зрения, крепления привода ротора генератора. Статор содержит магнитопровод 1, в котором установлены два шихтованных пакета 2 и 3 из магнитомягкого материала с зубцами 4. Магнитные оси зубцов 4 в шихтованных пакетах 2 и 3 совпадают в осевом направлении. На каждой паре шихтованных пакетов 2 и 3 установлена катушка 5 с обмоткой. В совокупности катушки 5 образуют трехфазную обмотку статора (α, b, с). В промежутке между шихтованными пакетами 2 и 3 в магнитопроводе 1 выполнено углубление, в котором установлена основная обмотка 6 возбуждения, создающая магнитный поток в аксиальном направлении. Корпус 7 ротора содержит магнитопровод 8, на который наклеены полюса из постоянных магнитов 9 (N и S), намагниченных в радиальном направлении, и закреплены вставки 10 из магнитомягкого материала.The proposed generator is made in a reversed design, that is, a fixed stator is located inside the machine, and a rotating rotor with permanent magnets is located outside the stator. This design seems more convenient, in terms of mounting the rotor of the generator. The stator contains a magnetic circuit 1, in which two burnt packages 2 and 3 are made of soft magnetic material with teeth 4. The magnetic axis of the teeth 4 in the burnt packages 2 and 3 coincide in the axial direction. On each pair of packaged packages 2 and 3, a coil 5 with a winding is installed. Together, the coils 5 form a three-phase stator winding (α, b, c). In the gap between the packaged packets 2 and 3 in the magnetic circuit 1 there is a recess in which the main field winding 6 is mounted, which generates a magnetic flux in the axial direction. The rotor housing 7 contains a magnetic circuit 8, on which poles of permanent magnets 9 (N and S) magnetized in the radial direction are glued, and inserts 10 of soft magnetic material are fixed.

Генератор имеет встроенный ограничитель 11 напряжения, который содержит дополнительную обмотку 12 возбуждения, расположенную, как и основная обмотка 6 возбуждения, между шихтованными пакетами 2 и 3 статора. Один вывод дополнительной обмотки 12 соединен параллельно с тремя выходными выводами фазных обмоток генератора через стабилитроны 13, 14 и 15, другой вывод через полупроводниковый диод 16 соединен с точкой объединения внутренних выводов фазных обмоток генератора.The generator has a built-in voltage limiter 11, which contains an additional field winding 12 located, like the main field winding 6, between the charged stator packets 2 and 3. One terminal of the additional winding 12 is connected in parallel with the three output terminals of the phase windings of the generator through zener diodes 13, 14 and 15, the other terminal is connected via a semiconductor diode 16 to the point of combination of the internal terminals of the phase windings of the generator.

Генератор может быть выполнен по технологиям, используемым в производстве электрических машин переменного тока.The generator can be made according to the technologies used in the manufacture of electrical AC machines.

Статор генератора может быть изготовлен с использованием технологии производства фазных роторов электрических машин переменного тока необращенной конструкции.The stator of the generator can be manufactured using the production technology of phase rotors of electric machines of alternating current of an unconverted design.

Внешняя часть корпуса 7 ротора генератора может изготавливаться из металлической отливки с соответствующей металлообработкой. На внутренней поверхности корпуса 7 ротора послойно размещены: магнитопровод 8, выполненный из ферромагнитного материала, например из электротехнической стали, и плоские постоянные магниты 9, изготавливаемые из магнитных материалов с высокими удельными показателями, например Fe-Nd-B, а также вставки 10 из магнитомягкого материала. Конструктивно магнитопровод 8 ротора и вставки 10 могут быть выполнены в виде одной детали, т.е. вставки 10 изготавливаются как выступы на магнитопроводе 8 с высотой равной высоте постоянных магнитов 9.The outer part of the housing 7 of the rotor of the generator can be made of metal casting with appropriate metalworking. On the inner surface of the rotor body 7, layers are arranged in layers: a magnetic circuit 8 made of ferromagnetic material, for example, electrical steel, and flat permanent magnets 9 made of magnetic materials with high specific indicators, for example, Fe-Nd-B, as well as soft magnetic inserts 10 material. Structurally, the magnetic circuit 8 of the rotor and the insert 10 can be made in the form of a single part, i.e. inserts 10 are made as tabs on the magnetic circuit 8 with a height equal to the height of the permanent magnets 9.

Генератор работает следующим образом. Магнитный поток, создаваемый магнитом 9, через воздушный зазор поступает в зубцы 4 шихтованных пакетов 2 и 3, находящихся под этим магнитом. Отсюда поток по магнитопроводу 1 статора проходит на соседнюю пару зубцов 4 шихтованных пакетов статора 2 и 3, находящихся под магнитом противоположной полярности. Из этих зубцов 4 поток через воздушный зазор и соседний магнит 9 противоположной полярности поступает в магнитопровод 8, по которому замыкается на исходный магнит 9. При вращении ротора происходит чередование полюсов магнитов 9 над зубцами 4 шихтованных пакетов 2 и 3, от этого изменяется величина и направление магнитного потока через зубцы 4 и в катушках 5 обмотки статора наводится переменная ЭДС, величина которой зависит от величины магнитного потока и скорости вращения ротора.The generator operates as follows. The magnetic flux generated by the magnet 9, through the air gap enters the teeth 4 of the burnt packages 2 and 3, located under this magnet. From here, the flux through the stator magnetic circuit 1 passes to an adjacent pair of teeth 4 of the charge packages of the stator 2 and 3, which are under a magnet of opposite polarity. From these teeth 4, the flow through the air gap and an adjacent magnet 9 of opposite polarity enters the magnetic circuit 8, through which it closes to the original magnet 9. When the rotor rotates, the poles of the magnets 9 alternate over the teeth 4 of the burnt packages 2 and 3, this changes the size and direction the magnetic flux through the teeth 4 and in the coils 5 of the stator winding is induced by a variable EMF, the magnitude of which depends on the magnitude of the magnetic flux and the speed of rotation of the rotor.

При протекании тока по обмотке 6 возбуждения от источника постоянного тока формируется магнитный поток, который также проходит через пакеты статора 2 и 3. Если направление потока, создаваемого обмоткой 6 возбуждения совпадает с направлением потока создаваемого магнитами 9, то происходит подмагничивание генератора и увеличивается выходная ЭДС. При изменении направления потока в обмотке 6 возбуждения происходит уменьшение суммарного потока в зубцах 4 и ЭДС генератора.When current flows through the excitation winding 6 from a direct current source, a magnetic flux is formed, which also passes through the stator packets 2 and 3. If the direction of the flux generated by the excitation winding 6 coincides with the direction of the flux generated by the magnets 9, the generator magnetizes and the output EMF increases. When changing the direction of flow in the excitation winding 6, the total flow in the teeth 4 and the emf of the generator decreases.

Для уменьшения массо-габаритных показателей генератора целесообразно использовать магнитопроводы генератора в режимах близких к насыщению, что ведет к необходимости регулирования ЭДС генератора потоком обмотки 6 возбуждения близким к максимальному.To reduce the mass-dimensional parameters of the generator, it is advisable to use the magnetic circuits of the generator in modes close to saturation, which leads to the need to control the EMF of the generator with a flow of the excitation winding 6 close to maximum.

Следовательно, при случайном отсутствии тока в обмотке 6 возбуждения и при отключении нагрузки генератора, в обмотках статора может вырабатываться ЭДС весьма значительной величины, что особенно характерно для мощных генераторов.Therefore, if there is a random absence of current in the field winding 6 and when the generator load is disconnected, an emf of a very significant magnitude can be generated in the stator windings, which is especially typical for high-power generators.

Для предотвращения возникновения значительных ЭДС, что угрожает разрушением изоляции токопроводящих проводников, в генераторе установлен ограничитель 11 величины ЭДС. Ограничение ЭДС проводится путем уменьшения магнитного потока в зубцах 4 с помощью дополнительной обмотки 12 возбуждения. Ток дополнительной обмотки 12 возбуждения формирует магнитный поток с направлением, уменьшающим поток в зубцах 4 независимо от величины тока в основной обмотке 6 возбуждения и от наличия нагрузки генератора. Наиболее целесообразным является встраивание всех деталей ограничителя 12 напряжения в корпус статора.To prevent the occurrence of significant EMF, which threatens to destroy the insulation of conductive conductors, a limiter 11 of the EMF value is installed in the generator. The limitation of the EMF is carried out by reducing the magnetic flux in the teeth 4 using an additional winding 12 of the excitation. The current of the additional field winding 12 generates a magnetic flux with a direction that reduces the flux in the teeth 4, regardless of the magnitude of the current in the main field winding 6 and the presence of a generator load. The most appropriate is the embedding of all parts of the voltage limiter 12 in the stator housing.

Ток в дополнительной обмотке 12 возбуждения формируется только в моменты действия ЭДС, которая представляет опасность для электрических цепей генератора. В остальное время ограничитель 11 не влияет на работы генератора. Ток в дополнительной обмотке 12 возбуждения формируется от всех фаз генератора путем подключения их к обмотке 12 через стабилитроны 13, 14 и 15. Выбор величины напряжения пробоя стабилитронов определяется конструкцией генератора и используемыми в нем материалами. Однонаправленность протекания тока а, следовательно, и магнитного потока от дополнительной обмотки 12 возбуждения, задано полупроводниковым диодом 16, через который произведено подключение второго вывода дополнительной обмотке 12 возбуждения к фазным обмоткам генератора.The current in the additional excitation winding 12 is formed only at the moments of action of the EMF, which is a danger to the electrical circuits of the generator. The rest of the time, the limiter 11 does not affect the operation of the generator. The current in the additional excitation winding 12 is generated from all phases of the generator by connecting them to the winding 12 through zener diodes 13, 14 and 15. The choice of the zener breakdown voltage is determined by the design of the generator and the materials used in it. The unidirectionality of the flow of current and, consequently, of the magnetic flux from the additional excitation winding 12 is set by a semiconductor diode 16, through which the second output of the additional excitation winding 12 is connected to the phase windings of the generator.

При возникновении в какой-либо обмотке ЭДС превышающей величину пробоя одного из стабилитронов (13, 14, 15) последний открывается, и по дополнительной обмотке 12 возбуждения и полупроводниковому диоду 16 будет протекать ток. Полупроводниковым диодом 16 определено направление тока, при котором формируется магнитный поток, уменьшающий суммарный магнитный поток в генераторе. Следовательно, после возникновения ЭДС, превышающей величину пробоя одного из стабилитронов (13, 14, 15), в дополнительной обмотке 12 возбуждения появляется ток, от действия которого суммарный магнитный поток в генераторе и ЭДС будут уменьшаться.If an EMF occurs in any winding that exceeds the breakdown value of one of the zener diodes (13, 14, 15), the latter opens, and a current will flow through the additional excitation winding 12 and the semiconductor diode 16. The semiconductor diode 16 determines the direction of the current at which a magnetic flux is formed, which reduces the total magnetic flux in the generator. Therefore, after the occurrence of an EMF exceeding the breakdown value of one of the zener diodes (13, 14, 15), a current appears in the additional excitation winding 12, from which the total magnetic flux in the generator and EMF will decrease.

Таким образом, использование в генераторе постоянных магнитов 9 в качестве основного источника возбуждения, ведет в ряде случаев к возможности возникновения значительных ЭДС. Следовательно, одним из условий надежной работы такого генератора является применение встроенного ограничителя 11 величин ЭДС. Действие ограничителя 11 не позволяет формироваться ЭДС, величиной превышающей уровень пробоя используемых стабилитронов 13, 14 и 15.Thus, the use of a permanent magnet generator 9 as the main source of excitation, leads in some cases to the possibility of significant emf. Therefore, one of the conditions for reliable operation of such a generator is the use of a built-in limiter 11 of the EMF values. The action of the limiter 11 does not allow the formation of an EMF that exceeds the breakdown level of the used Zener diodes 13, 14 and 15.

Claims

An alternating current generator with a field limiting function, comprising a stator with two burnt packets with a three-phase winding, pressed into a massive magnetic circuit, an excitation winding located between the burnt stator packets, a rotor made in the form of an annular magnetic circuit with permanent magnets radially magnetized and axially shortened, having shortening for poles of different polarity from opposite sides, and inserts of magnetically soft material, a winding are inserted at the places of shortening a stator, consisting of coils, each of which is worn on two opposite teeth of both burnt packets, characterized in that the generator has an additional excitation winding located between the burnt stator packets, and one output of the additional winding is connected in parallel with three output terminals of the phase windings generator through zener diodes, and the other terminal is connected to the point of combining the internal terminals of the phase windings through a semiconductor diode.