RU195231U1 - Бесщеточный генератор - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и представляет собой электрическую машину, предназначенную для генерации и питания нагрузки постоянным током.Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин, в том числе использующих постоянные магниты для возбуждения ЭДС в своих выходных обмотках для питания нагрузки постоянным током. Использование постоянных магнитов в качестве замены обмоткам полюсов обеспечивает улучшение массы и габаритов электрической машины в целом. Единственным принципиальным недостатком известных из уровня техники решений является возбуждение переменного напряжения в выходных обмотках генератора, и наличие механического скользящего контакта в виде коллектора или колец для его преобразования в постоянный ток на выходе генератора. Это ведет к снижению надежности конструкции генератора из-за износа места контакта, а также и ограничивает область применения всех подобного рода решений по коммутируемому току. В случае применения щеток возникает искрение и загрязнение угольной пылью.В предлагаемом решении описан генератор с постоянным магнитом, обладающий преимуществами возбуждения без механических щеток, и при этом обеспечивающий питание нагрузки пульсирующим постоянным током. Работа основана на прохождении магнитного потока постоянного магнита в перпендикулярном к оси вращения ротора генератора направлении, причем магнитный поток полюсов ротора проходит в продольной оси генератора, вдоль оси вращения. Статор генератора может быть изготовлен из пластиков или немагнитной стали, что позволяет снизить его массу и себестоимость. Использование числа полюсов ротора, на один больше половины количества зубцов статора, позволяет достигнуть смещения фаз в катушках статора.Достигнутым техническим результатом предлагаемого здесь решения является повышение качества выходного напряжения генератора, а именно - увеличение числа пульсаций и снижение их амплитуды.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электротехнике и представляет собой электрическую машину, предназначенную для генерации и питания нагрузки постоянным током высокого качества.

Уровень техники. Из уровня техники известен униполярный генератор тока [патент РФ на изобретение №2518461], содержащий вращающийся ротор и неподвижный статор. В качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска. В качестве неподвижного статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля, а количество секторов ротора равно количеству полюсов статора или больше, причем полюса статора вращающегося магнитного поля могут быть созданы вращающимися магнитами, либо электромагнитами, либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающееся постоянное или переменное поле. Количество вращающихся полюсов может быть 2 или больше при соблюдении условия, что направления ЭДС, создаваемые в роторе диаметрально расположенными полюсами, сонаправлены, а соседние полюса (по периметру) создают чередования направлений диаметральной полярности ЭДС на роторе.

К недостаткам этого решения можно отнести наличие скользящего контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.

Также известна многовальная униполярная электрическая машина [патент РФ на изобретение №2634350], содержащая систему возбуждения, токопроводящие диски, имеющие общую точку соприкосновения, а также два токосъемника. При этом оси токопроводящих дисков располагаются параллельно и вращаются в разном направлении, а система возбуждения выполнена наборной из ряда индукторов, выполненных в виде П-образного магнитопровода и содержащих обмотки возбуждения. Индукторы расположены параллельно плоскостям вращения дисков, а число индукторов равно количеству дисков плюс один. Каждый из индукторов обхватывает обе половинки двух рядом расположенных дисков, а два крайних индуктора охватывают половинки двух крайних дисков, токосъем реализован парой токосъемников с крайних точек окружностей крайних дисков.

Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.

К недостаткам этого решения можно отнести наличие механического контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.

Раскрытие изобретения. Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин. Во многих используются постоянные магниты для получения магнитного потока возбуждения, который приводит к появлению переменной ЭДС в обмотках генератора при их механическом вращении. Возможны и решения, использующие обмотки возбуждения для получения магнитного потока - большинство из них для своей работы требуют механического контакта, например колец на роторе со щетками. Таким образом, применение постоянных магнитов для получения магнитного потока упрощает конструкцию ротора, и позволяет исключить контакты для передачи тока в обмотку возбуждения. Кроме того, постоянные магниты позволяют улучшить КПД электрической машины, и зачастую существенно снизить массу и габариты в целом.

Успехи современной промышленности в части добычи и переработки редкоземельных металлов, а также изготовления постоянных магнитов с высоким значением коэрцитивной силы (и магнитной индукции) обеспечили серийный выпуск различных электрических машин с магнитными полюсами из постоянных магнитов. Доступны значительные мощности, вплоть до 15 МВт, что позволило использовать их в системах электродвижения. Возможно изготовление постоянных магнитов самой разной формы.

Хотя двигатели составляют значительную часть выпускаемых машин с постоянными магнитами, актуально также и генерирование электроэнергии. Замена обмотки возбуждения ротора синхронного генератора на постоянные магниты позволяет избавиться от контактных колец на роторе и щеточного аппарата для передачи тока к обмоткам ротора, однако обеспечивает на выходе только переменный ток.

Различают генераторы переменного и постоянного рода тока, причем в последнее время получает все большие перспективы питание потребителей постоянным током. Это обусловлено широким использованием в составе электропривода и прочих систем электронных блоков питания и частотных преобразователей, имеющих в своей структуре звено постоянного тока. Таким образом, любой потребитель может получать резервное питание от сети постоянного тока. Кроме того, существуют особые технологические процессы, требующие питания постоянным током, что делает актуальным создание надежных генераторов постоянного тока большой мощности. Еще одним перспективным направлением является альтернативная энергетика, в частности, ветроэнергетические установки, которые включают большое количество генераторов относительно небольшой мощности, объединенных процессом генерации электроэнергии и передачи ее в сеть. В них также есть питаемое от полупроводникового выпрямителя звено постоянного тока и преобразование постоянного тока в переменное трехфазное напряжение. Применение предлагаемого решения позволит отказаться от выпрямления напряжения, что упростит всю систему в целом и повысит ее надежность.

Одним из путей повышения надежности генераторов постоянного тока является исключение или минимизация числа токосъемов и механических щеточных токосъемов. Наличие в конструкции классических генераторов постоянного тока коллектора и щеточного аппарата на нем ведет к износу щеток и необходимости их частого обслуживания, а также к выделению в окружающий воздух угольной пыли. Также использование коллектора ведет к ограничению предельной мощности, отдаваемой в нагрузку. Возможная замена контактного аппарата для механического выпрямления напряжения на полупроводниковые диоды или транзисторы, усложняет в целом и поэтому снижает надежность работы генератора.

Задача по созданию бесконтактного генератора постоянного тока, не имеющего в своей конструкции любого рода токосъема, остается актуальной. Причина этого кроется в том, что в известных из уровня техники решениях в обмотках генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, которая выпрямляется при помощи скользящего контакта или блока диодов.

Любой постоянный магнит имеет направление своего намагничения, и два полюса: северный (N) и южный (S), силовые линии которых замыкаются между собой, образуя замкнутый контур для магнитного потока.

В известных из литературы конструкциях генераторов постоянного тока возбуждение магнитного поля осуществляется установкой постоянных магнитов на роторе генератора, причем всегда магнитные полюса чередуются своей полярностью, что определяет их взаимодействие между собой. Известны разные конструкции ротора генератора с постоянным магнитом, в том числе и в виде когтеобразных полюсов, однако во всех из них полюса располагаются с чередованием их полярности. Поочередное прохождение магнитного потока северного и южного полюсов через обмотку генератора постоянного тока, ведет к наведению в ней переменной ЭДС. Это делает неизбежным применение разного рода коммутации (механической или при помощи диодов) для выпрямления тока и питания нагрузки постоянным током. Например, хорошо известный из уровня техники коллектор машин постоянного рода тока является механическим выпрямителем наведенной в обмотке переменной ЭДС, возникающей при чередовании полярности полюсов возбуждения. Известны решения с возбуждением постоянными магнитами на роторе, и блоком полупроводниковых диодов на статоре - по своей сути, такие решения являются обращенными машинами переменного тока, а механический коллектор заменяется полупроводниковыми ключами, осуществляющие выпрямление.

Предлагаемое решение лишено подобного недостатка, и не содержит в своей конструкции любого рода коммутационной аппаратуры и токосъемов. Благодаря этому значительно повышается надежность работы, и снижается время, необходимое для обслуживания персоналом. Кроме того, решается проблема получения значительных мощностей и высоких напряжений, так как отсутствуют ограничивающие мощность элементы.

На фигуре 1 показано поперечное сечение генератора с постоянным магнитом в районе установки первого комплекта полюсов. Видно, что полярность полюсов комплекта одинакова, что отличает такое решение от классических машин постоянного тока. На статоре располагаются зубцы, на которых установлены катушки выходной обмотки. При вращении ротора происходит изменение магнитного потока от зубцов, установленных на нем, однако полярность его остается неизменной. Колебание магнитного потока возбуждения происходит за счет смещения полюсов ротора относительно зубцов статора. При промежуточном положении зубцов статора и ротора относительно друг друга, магнитное поле полюсов будет в значительной мере уходить в поля рассеяния, снижая магнитный поток в зубцах статора. Таким образом, в установленных на зубцах статора катушках наводится ЭДС, с биениями, вызванными зубцовой структурой магнитопровода генератора, и имеющими одну полярность.

Можно различить два взаимных положения зубцов ротора и статора, когда зубцы совпадают и магнитный поток максимален, и положение когда зубцы ротора располагаются в промежутке между зубцами статора, в таком случае магнитный поток возбуждения уходит в поля рассеяния. Генератор работает в непрерывном цикле между этими двумя крайними положениями, наводя в катушках статора ЭДС одной полярности. Однако эффективность такого решения будет ограничена скоростью нарастания индукции dB/dt, которая определяет размах наведенной ЭДС.

На фигуре 2 показано поперечное сечение генератора с постоянным магнитом в районе второго комплекта полюсов. Видно, что полярность зубцов является обратной к полярности первого комплекта полюсов.

При вращении ротора генератора, второй комплект будет наводить катушках ЭДС, имеющую другую полярность относительно ЭДС в катушках статора первого комплекта. Для их суммирования выходная обмотка должна состоять из катушек, включенных последовательно и согласно относительно друг друга. В этом случае ЭДС всех катушек будет суммироваться.

На фигуре 3 показано продольное сечение варианта генератора при установке на роторе намагниченного продольно цилиндрического магнита, создающий магнитный поток возбуждения, расходящийся к установленным по торцам комплектам полюсов из шихтованного магнитного материала. Показанные пунктиром силовые линии магнитного поля замыкаются в продольной оси генератора. Таким образом, также имеет место продольное направление замыкания магнитного потока возбуждения, что позволяет упростить технологию сборки и уменьшить количество магнитов относительно возможного варианта с размещением комплектов магнитов по окружности ротора. В таком случае потребуется увеличенное количество постоянных магнитов, а также усложнится технология сборки. Воздействие угловой скорости снаружи ротора накладывает ограничения на размер ротора генератора, и скорость его вращения для предотвращения разрушения магнитов. Перечисленные факторы не являются препятствием для работы в таком случае, но предоставляют преимущество установке цилиндрического постоянного магнита в центре ротора генератора.

На фигуре 4 показана принципиальная электрическая схема обмотки статора генератора с постоянным магнитом, и равным числом зубцов статора и ротора. Как упоминалось выше, такой вариант будет иметь пониженную скорость нарастания индукции, и потребует большего количества витков в катушках, чем в заявляемом решении, однако может быть реализован и применен в практических целях.

Для уменьшения числа магнитов, упрощения конструкции, повышения ее надежности, в предлагаемом решении используются комплекты полюсов, изготовленные из шихтованного ферромагнитного материала (например, из листов электротехнической стали), устанавливаемые с торцов ротора. Для получения магнитного потока возбуждения используется цилиндрический магнит, как это было описано выше.

Постоянный магнит, устанавливаемый на роторе, имеет продольное к его оси вращения направление намагничения, благодаря чему его магнитный поток поступает в комплекты полюсов, расположенные с торцов. Симметрия магнитной системы комплектов полюсов обеспечивает распределение потока равномерно между комплектов полюсов ротора, причем полярность смежных полюсов в каждом комплекте одинакова. Это исключает взаимодействие смежных полюсов ротора между собой, а магнитный поток замыкается в продольной оси генератора.

На фигуре 5 показано сечение статора предлагаемого бесщеточного генератора, откуда видно, что в его корпусе есть продольные прорези для установки магнитопроводов. Поскольку магнитный поток ротора замыкается в продольном к оси вращения направлении, таким образом, наличие сплошного статора из магнитного материала становится не нужным. Более того, отсутствие магнитного потока в поперечной плоскости снижает потери, а также позволяет уменьшить массу статора благодаря применению пластиков или легких немагнитных сплавов.

Для работы бесщеточного генератора достаточно наличия показанных на фигуре 6 магнитопроводов, число которых в 2 раза больше числа полюсов ротора. На фигуре 6 показано продольное сечение магнитопровода, видно наличие выступающих зубцов на его концах, предназначенных для установки катушек выходной обмотки. Магнитный поток полюсов ротора замыкается в продольной плоскости через магнитопроводы, установленные по окружности в продольные прорези статора. Таким образом, корпус статора служит только в роли крепления для магнитопроводов.

На фигуре 7 представлено поперечное сечение предлагаемого решения в районе первого комплекта полюсов ротора. Из рисунка видно, что полюса ротора имеют одинаковую полярность магнитного потока по окружности, а их количество в 2 раза меньше числа зубцов статора - таким образом, при совмещении положения ротора с зубцами магнитопроводов статора, каждый второй магнитопровод имеет магнитный поток, равный нулю. При этом в половине катушек будет ЭДС, близкая к максимуму, а в другой половине катушек ЭДС не будет, поскольку весь магнитный поток будет проходить через магнитопроводы, зубцы которых совпали с полюсами ротора. Каждый второй зубец на статоре не имеет катушки вторичной обмотки, это позволяет снизить расстояние между зубцами на статоре, и таким образом сгладить моменты перехода магнитного потока с одного зубца на другой. Другими словами, это способствует более плотной компоновке магнитной системы на статоре, с учетом того, что катушки соответствующие первому комплекту полюсов ротора имеют смещение на один зубец относительно второго, или, иначе говоря, катушки выходной обмотки установлены с чередованием по комплектам зубцов на статоре. Каждый магнитопровод на статоре имеет два зубца, и только на одном из них в предлагаемом решении устанавливается катушка выходной обмотки, причем место установки катушки чередуется от магнитопровода к магнитопроводу.

На фигуре 8 представлено поперечное сечение предлагаемого решения в районе второго комплекта полюсов ротора. Из рисунка наглядно видно, что катушки устанавливаются с чередованием относительно сечения на фигуре 7. Таким образом, каждый магнитопровод на статоре имеет катушку выходной обмотки, и каждый магнитопровод участвует в формировании выходного напряжения генератора.

На фигуре 9 представлено продольное сечение предлагаемого решения, где наглядно видно замыкание магнитного потока возбуждения от магнита, размещенного в центре ротора. Использование немагнитного вала позволяет избежать снижения магнитного потока возбуждения.

Также на фигуре 9 видны комплекты полюсов ротора, представляющие собой шихтованные пакеты из ферромагнитного материала, и служащие для разделения магнитного потока постоянного магнита на необходимое число полюсов ротора. Силовые линии магнитного поля проходят через полюса, представляющие собой в поперечном сечении зубцы, число которых в 2 раза меньше числа зубцов на статоре, плюс один. Диэлектрические прокладки на валу позволяют избежать замыкания пластин комплектов полюсов ротора на вал ротора и возникновения контура для протекания вихревых токов.

На фигуре 10 изображена принципиальная схема выходной обмотки на статоре для случая с 12 магнитопроводами статора, на которых размещаются катушки. Каждому магнитопроводу соответствует одна катушка, причем место их установки (один или второй комплект полюсов ротора) чередуется. Все катушки включаются согласно и последовательно - таким образом, их пульсирующие ЭДС суммируются, образуя последовательность с малыми пропусками (провалами). Качество выходного постоянного напряжения предлагаемого решения будет зависеть от числа полюсов ротора, а также от его скорости вращения. Чем выше скорость вращения ротора, тем больше будет количество пульсаций за интервал времени, и может достигать 500 пульсаций за период сети 50 Гц (для сравнения), что намного лучше качества выпрямителей. Пульсации напряжения с высокой частотой будет проще сгладить, а размер и масса фильтров на стороне потребителей будет весьма невелика, что также обеспечивает преимущество.

На фигуре 11 изображен график выходного напряжения бесщеточного генератора для случая с 6 полюсами ротора, при 12 магнитопроводах на статоре. Из графика виден большой размах пульсаций напряжения. Это не является препятствием для применения подобного варианта, поскольку получаемое напряжение является однополярным, и не требует выпрямления, а на стороне нагрузки может быть использованы фильтры, габаритные размеры которых могут быть малы при высокой частоте пульсаций. Однако возникает потребность в повышении качества напряжения.

На фигуре 12 изображен график выходного напряжения бесщеточного генератора для случая с 8 полюсами ротора, при 12 магнитопроводах на статоре. Из графика очевидно, что выходное напряжение имеет существенно лучшее качество (меньший размах пульсаций), чем показанное на фигуре 11. Однако в процессе вращения ротора возникают периодические процессы кратного совпадения зубцов магнитопроводов статора и полюсов на роторе, что и дает характерные биения выходного напряжения.

На фигуре 13 изображен график выходного напряжения бесщеточного генератора для случая с 5 полюсами ротора, при 12 магнитопроводах на статоре, то есть на один полюс меньше, чем половина от общего количества магнитопроводов. Из графика видно, что выходное напряжение генератора имеет меньшие биения постоянного напряжения, относительно графика на фигуре 12. Однако и такой вариант нельзя признать оптимальным, поскольку периоды биений продолжительны относительно длительности пульсаций.

На фигуре 14 изображен график выходного напряжения бесщеточного генератора для случая с 7 полюсами в комплекте, при 12 магнитопроводах на статоре, то есть на один полюс больше, чем половина от кратного 2 общего количества магнитопроводов на статоре. Из графика видно, что выходное напряжение генератора имеет малые биения постоянного напряжения, при наибольшем приближении к идеалу. Это дает преимущество предлагаемому решению, обеспечивая наилучшее качество напряжения питания нагрузки, и позволяет отказаться от использования фильтров.

В основе отличительной части предлагаемого технического решения лежит создание фазового сдвига между катушками обмотки бесщеточного генератора, путем использования дробного соотношения между зубцами статора и полюсами ротора, причем число полюсов одного комплекта ротора равно половине числа магнитопроводов статора, плюс один полюс.

В таком случае возникает плавно нарастающее от магнитопровода к магнитопроводу смещение полюсов ротора, и соответствующий фазовый сдвиг между напряжениями катушек обмотки предлагаемого генератора.

Автором было проведено моделирование электромагнитных процессов в программном комплексе ANSYS, позволившем получить приведенные на фигурах 11-14 графики выходного напряжения.

Из графиков в описанных фигурах 11-14 очевидно, что наибольший размах пульсаций выходного напряжения имеет показанное на фигуре 11 отношение число полюсов ротора в 2 раза меньшее числа зубцов статора. Такое напряжение может использоваться рядом технологических процессов в исходном виде, а после дополнительного сглаживания любой нагрузкой постоянного тока, что, однако, ведет к ухудшению массы и габаритов.

Использование дробного соотношения зубцов статора и полюсов на роторе, большего, чем 2 к 1 на основе кратности числа полюсов двум, дает снижение размаха пульсаций, однако приводит к возникновению биений выходного напряжения, достигающих ощутимых значений. Причина этого кроется в создании нескольких особых состояний при вращении ротора, которые повторяются периодически при вращении ротора. Уровень наводимой ЭДС в катушках обмотки статора отличается для каждого из этих состояний взаимного расположения зубцов статора и полюсов, что и ведет к появлению повышенных биений выходного напряжения.

Использование конфигурации меньшей на один полюс, чем половина числа магнитопроводов статора также приводит к росту биений. Однако наиболее весомым является сам факт уменьшения числа полюсов ротора, который ведет к снижению общего числа пульсаций. Оптимальной является предлагаемая конфигурация, содержащая число полюсов в комплекте ротора на один большее половины количества магнитопроводов статора, которое кратно двум, что дает симметричность магнитной системы статора.

Предлагаемое техническое решение является принципиально новым, и имеет следующее существенное отличие:

- число полюсов в комплекте ротора равно половине количества магнитопроводов статора, плюс один полюс, при кратном двум количестве магнитопроводов статора.

Таким образом, отличительный признак полезной модели ранее неизвестен и приводит к достижению нового технического результата - повышению качества выходного напряжения.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображено поперечное сечение генератора с постоянным магнитом в районе первого комплекта полюсов ротора. На фигуре 2 изображено поперечное сечение генератора с постоянным магнитом в районе второго комплекта полюсов ротора. На фигуре 3 изображено продольное сечение генератора с постоянным магнитом. Здесь 1 - статор, 2 - вал ротора, 3 - постоянный магнит, 4 - катушка, 5 - прокладка. На фигуре 4 изображена принципиальная электрическая схема выходной обмотки генератора с постоянным магнитом. На фигуре 5 изображено поперечное сечение статора предлагаемого бесщеточного генератора. На фигуре 6 изображено продольное сечение магнитопровода предлагаемого бесщеточного генератора. На фигуре 7 изображено поперечное сечение предлагаемого бесщеточного генератора в районе первого комплекта полюсов ротора. На фигуре 8 изображено сечение предлагаемого бесщеточного генератора в районе второго комплекта полюсов ротора. На фигуре 9 изображено продольное сечение предлагаемого бесщеточного генератора. Здесь 1 - статор, 2 - вал ротора, 3 - постоянный магнит, 4 - катушка, 5 - прокладка, 6 - магнитопровод, 7 - торцевые полюса. На фигуре 10 изображена принципиальная электрическая схема выходной обмотки предлагаемого бесщеточного генератора. На фигуре 11 изображен график выходного напряжения бесщеточного генератора при количестве полюсов ротора равном 6. На фигуре 12 изображен график выходного напряжения бесщеточного генератора при количестве полюсов ротора равном 8. На фигуре 13 изображен график выходного напряжения бесщеточного генератора при количестве полюсов ротора равном 5. На фигуре 14 изображен график выходного напряжения предлагаемого бесщеточного генератора с количеством полюсов ротора 7.

Claims (1)

1. Электрический генератор с возбуждением от постоянного магнита, содержащий неподвижный статор с выходной обмоткой, представляющей собой установленные на зубцах соединенные последовательно и согласно катушки, а также оснащенный цилиндрическим постоянным магнитом ротор, содержащий выполненные из ферромагнитного шихтованного материала комплекты полюсов, установленные с его торцов и имеющие по сквозному отверстию в своем центре, с диэлектрическими прокладками изнутри его для изоляции пластин комплекта полюсов от вала ротора, таким образом, ротор выполнен составным, с валом из немагнитного материала в центре, а статор выполнен из немагнитного материала и оснащается с внутренней его части прорезями для размещения магнитопроводов из ферромагнитного материала, каждый магнитопровод установлен в соответствующей ему прорези статора продольно к направлению оси вращения ротора и имеет два выступающих внутрь полости статора зубца, соответственно комплектам полюсов ротора, причем катушки выходной обмотки устанавливаются на магнитопроводах с чередованием по комплектам зубцов, при малом расстоянии между зубцами смежных магнитопроводов, и отличающийся тем, что количество полюсов в комплекте на один больше половины количества магнитопроводов статора, при количестве магнитопроводов статора кратному двум.

Images