RU2159983C2

RU2159983C2 - Stabilized synchronous generator

Info

Publication number: RU2159983C2
Application number: RU96123591A
Authority: RU
Inventors: Г.П. Сергеев; Н.Н. Ершов; Любовь Алексеевна Даньшина; Бьюнг-Гью Ким
Original assignee: ОАО "Мстатор"
Priority date: 1996-12-14
Filing date: 1996-12-14
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; automobile generators. SUBSTANCE: generator has stator carrying three-phase running winding, auxiliary winding, and toroidal magnetizing winding, as well as double-disk rotor with axially magnetized permanent magnets over its circumference; newly introduced in generator is second toroidal magnetizing winding; in addition, each of three phase coils of three-phase running winding is located in its respective layer and intermediate layer is separated from extreme ones by flux-density regulator built up of two parts. EFFECT: reduced size, improved voltage stability at varying shaft speed. 10 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехникe, в частности к устройству автомобильных генераторов. The invention relates to electrical engineering, in particular to the device of automobile generators.

Известен автономный регулируемый источник переменного тока, содержащий синхронный генератор, на статоре которого размещены основная и дополнительная якорные обмотки, а на роторе, механически связанном с первичным двигателем, - обмотка возбуждения, подключенная через выпрямители к основной и дополнительной якорным обмоткам [1] . Но известное техническое решение имеет существенные недостатки:
- наличие скользящих контактов (кольца и щетки) существенно снижает надежность генератора;
- наличие двух трехфазных обмоток усложняет устройство генератора, увеличивает его размеры и вес.Known autonomous adjustable AC source containing a synchronous generator, on the stator of which the main and additional anchor windings are located, and on the rotor mechanically connected with the primary motor, an excitation winding connected through rectifiers to the main and additional anchor windings [1]. But the known technical solution has significant drawbacks:
- the presence of sliding contacts (rings and brushes) significantly reduces the reliability of the generator;
- the presence of two three-phase windings complicates the device of the generator, increases its size and weight.

Известна электрическая машина с газовым охлаждением, содержащая корпус с встроенными газоохладителями, вентиляторы с камерами разpeжения и нагнетания, ротор с обмоткой с непосредственным охлаждением с чередующимися по длине ротора зонами забора холодного газа через заборники и зонами выброса горячего через дефлекторы, сердечник статора с разделительными вентиляционными каналами, подразделенный вместе с пространством между корпусом и сердечником по всей активной длине в потенциальном направлении на четное число секторов, поочередно сообщающихся с разноименными каналами вентиляторов и непосредственно соединенных с камерами нагнетания, обращенных к зонам ротора, расположенным между заборниками и дефлекторами, установлены закрепленные на пазовых клиньях статора перегородки [2]. Но известное техническое решение также имеет существенные недостатки:
- слишком сложна система охлаждения электрической машины;
- изготовление такой машины слишком трудоемко, а значит, машина имеет высокую себестоимость изготовления.A gas-cooled electric machine is known, comprising a housing with integrated gas coolers, fans with rarefaction and discharge chambers, a rotor with direct cooling winding with alternating cold gas intake zones through intakes and hot ejection zones through deflectors, a stator core with dividing ventilation ducts , subdivided together with the space between the housing and the core along the entire active length in the potential direction into an even number of sectors, alternately communicating with the opposite channels of the fans and directly connected to the discharge chambers, facing the rotor zones located between the intakes and deflectors, mounted on the grooves of the stator wedges mounted [2]. But the known technical solution also has significant disadvantages:
- the cooling system of the electric machine is too complicated;
- the manufacture of such a machine is too time-consuming, which means that the machine has a high manufacturing cost.

Известно также устройство торцевого генератора переменного тока, содержащего корпус, приводной вал с жестко закрепленным на нем ротором, выполненным в виде двух связанных между собой дисковых магнитопроводов и аксиально нaмагниченных постоянных магнитов, которые расположены дискретно по окружности обращенных одна к другой сторон магнитопроводов, статор в виде диска из электроизоляционного материала с катушками рабочей обмотки, который установлен с торцевыми зазорами между дисковыми магнитопроводами ротора, снабженного упругими элементами для регулирования величины воздушных зазоров между ротором и статором, катушки обмотки возбуждения, выполненные в виде полых цилиндров и размещенные в отверстиях диска статора [3]. Нo устройство известного торцевого генератора имеет существенные недостатки:
- слишком сложно устройство такого генератора;
- слабая стабильность параметров, связанная с механическими перемещениями его узлов;
- с течением времени жесткость гибких элементов изменяется.There is also known a device for an alternating current alternator containing a housing, a drive shaft with a rotor rigidly fixed to it, made in the form of two interconnected disk magnetic circuits and axially magnetized permanent magnets, which are discrete around the circumference of the magnetic circuits facing one another, the stator in the form a disk of electrical insulation material with coils of the working winding, which is installed with end gaps between the disk magnetic circuits of the rotor, equipped with elastic elements For regulating the amount of air gaps between the rotor and the stator, field winding coils made in the form of hollow cylinders and placed in the holes of the stator disk [3]. But the device of the known end generator has significant disadvantages:
- the device of such a generator is too complicated;
- poor stability of the parameters associated with the mechanical movements of its nodes;
- over time, the stiffness of the flexible elements changes.

Наиболее близким техническим решением является синхронная электрическая машина, содержащая ротор с постоянными магнитами, статор, в пазах которого расположена m-фазная якорная обмотка, и расположенный между ротором и якорной обмоткой подмагничиваемый шунт, на котором размещена тороидальная обмотка подмагничивания [4]. The closest technical solution is a synchronous electric machine containing a rotor with permanent magnets, a stator, in the slots of which there is an m-phase anchor winding, and a magnetizable shunt located between the rotor and the anchor winding, on which a toroidal magnetization winding is placed [4].

Но и данное техническое решение не лишено существенных недостатков, основныe из которых следующие:
- применение для регулирования напряжения шунтирующего участка магнитной цепи с регулируемым магнитным сопротивлением по сравнению с последовательным участком значительно менее эффективно;
- наличие одного подмагничиваемого шунта малоэффективно для генератора значительно мощности, особенно при малых напряжениях, если обмотки из m-фаз должны быть выполнены толстым проводом.But this technical solution is not without significant drawbacks, the main of which are as follows:
- the use for regulating the voltage of the shunt section of the magnetic circuit with adjustable magnetic resistance compared to the serial section is much less effective;
- the presence of one magnetizable shunt is ineffective for a generator of significant power, especially at low voltages, if the windings of the m-phases must be made with a thick wire.

Задачей изобретения является разработка компактного генератора со стабильным напряжением при значительных изменениях частоты вращения его вала. The objective of the invention is to develop a compact generator with a stable voltage with significant changes in the frequency of rotation of its shaft.

Поставленная задача может быть решена при выполнении следующих условий. Каждая из расположенных в статоре фазных обмоток основной трехфазной обмотки синхронного генератора должна быть выполнена волновой путем наложения медной изолированной ленты друг на друга. Каждая фазная обмотка расположена в своем слое, а крайние слои отделены от среднего устройством регулирования магнитной индукции в воздушном зазоре генератора. Устройство регулирования состоит из двух частей, каждая из которых расположена между средней фазной обмоткой основной трехфазной обмотки и одной из крайних. Каждая часть устройства регулирования имеет два магнитопровода разных диаметров, разделенных каркасом с намотанной на нем тороидальной обмоткой подмагничивания, которая служит для регулирования степени намагниченности тороидальных магнитопроводов, а значит и величины магнитной индукции в зазоре, влияющей на величину напряжения генератора. Величина напряжения генератора прямо пропорциональна магнитной индукции в зазоре и частоте вращения ротора, влияющий на скорость изменения магнитной индукции. Если частота вращения вала не может быть стабилизирована, то необходимо предусмотреть возможность изменения магнитной индукции. Таким образом, для стабилизации напряжения генератора необходимо, чтобы степень изменения магнитной индукции была взаимосвязана со скоростью изменения частоты вращения вала генератора, из чего следует, что необходимо иметь сигнал, величина которого прямо пропорциональна частоте вращения вала. Поэтому целесообразно предусмотреть вторую обработку (дополнительную), напряжение на которой прямо пропорционально частоте вращения вала генератора и которое может быть использовано для регулирования магнитной индукции. Если такой генератор использовать для автомобилей, то целесообразность дополнительной обмотки подтверждается необходимостью датчика частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания для регулирования подачи топлива [5-7]. Дополнительную обмотку целесообразно разместить в статоре над одним из роторов, выполнить ее тороидальный, изогнутой в виде зигзагообразной линии, причем количество изгибов этой обмотки равно количеству постоянных магнитов ротора. Для увеличения магнитной индукции в воздушном зазоре генератора фазные обмотки основной трехфазной обмотки в зонах их рабочих частей охвачены пакетами, набранными из листов электротехнической стали, толщина пакетов определяется магнитной индукцией в воздушном зазоре генератора. Для снижения массы генератора необходимо увеличить плотность тока в фазных обмотках основной трехфазной обмотки, но для этого необходимо иметь эффективную систему охлаждения. Один из дисков ротора может быть оборудован осевым компрессором, нагнетающим воздух во внутреннюю кольцевую полость статора. В этой полости на валу генератора против каждой из фазных обмоток основной обмотки укреплены центробежные компрессоры, сжимающие охлаждающий воздух и нагнетающие его в вентиляционные каналы, расположенные против каждого центробежного компрессора между внутренними лобовыми зонами фазных обмоток основной обмотки и сужающие в направлении вала генератора. Поэтому нагнетаемый центробежными вентиляторами в эти каналы воздух расширяется, и его температура понижается при прохождении этих каналов. Для создания воздушных каналов в статоре генератора высота каркасов под обмотки подмагничивания выбрана меньше высоты тороидальных магнитопроводов, входящих в устройство регулирования магнитной индукции. Для отвода теплоты от сжимаемого компрессорами воздуха вал генератора, с которым связаны осевой и центробежный компрессоры, целесообразно выполнить полым для прохождения внутри него холодного воздуха. Каждая из трех фазных обмоток основной обмотки статора генератора создает переменный магнитный поток, пронизывающий вал генератора. Поэтому для снижения магнитных потерь его следует изготовить из немагнитного материала. The task can be solved if the following conditions are met. Each of the phase windings of the main three-phase winding of the synchronous generator located in the stator should be made wave by applying copper insulated tape to each other. Each phase winding is located in its own layer, and the extreme layers are separated from the middle by a magnetic induction control device in the air gap of the generator. The control device consists of two parts, each of which is located between the middle phase winding of the main three-phase winding and one of the extreme ones. Each part of the control device has two magnetic cores of different diameters, separated by a frame with a toroidal magnetization winding, which serves to control the degree of magnetization of the toroidal magnetic cores, and hence the magnitude of the magnetic induction in the gap, affecting the magnitude of the voltage of the generator. The magnitude of the generator voltage is directly proportional to the magnetic induction in the gap and rotor speed, which affects the rate of change of the magnetic induction. If the shaft speed cannot be stabilized, it is necessary to provide for the possibility of changing the magnetic induction. Thus, to stabilize the voltage of the generator, it is necessary that the degree of change in magnetic induction be interconnected with the rate of change of the frequency of rotation of the shaft of the generator, which implies that it is necessary to have a signal whose magnitude is directly proportional to the frequency of rotation of the shaft. Therefore, it is advisable to provide a second treatment (additional), the voltage at which is directly proportional to the frequency of rotation of the generator shaft and which can be used to control magnetic induction. If such a generator is used for automobiles, the appropriateness of the additional winding is confirmed by the need for a speed sensor for the shaft of an internal combustion engine to control the fuel supply [5-7]. It is advisable to place the additional winding in the stator above one of the rotors, to make it toroidal, curved in the form of a zigzag line, and the number of bends of this winding is equal to the number of permanent rotor magnets. To increase the magnetic induction in the air gap of the generator, the phase windings of the main three-phase winding in the areas of their working parts are covered by packets drawn from sheets of electrical steel, the thickness of the packets is determined by magnetic induction in the air gap of the generator. To reduce the mass of the generator, it is necessary to increase the current density in the phase windings of the main three-phase winding, but for this it is necessary to have an effective cooling system. One of the rotor disks can be equipped with an axial compressor that pumps air into the inner annular cavity of the stator. Centrifugal compressors are mounted in this cavity on the generator shaft against each of the phase windings of the main winding, compressing the cooling air and forcing it into ventilation ducts located against each centrifugal compressor between the inner frontal zones of the phase windings of the main winding and narrowing in the direction of the generator shaft. Therefore, the air pumped by centrifugal fans into these channels expands, and its temperature decreases with the passage of these channels. To create air channels in the stator of the generator, the height of the frames for the magnetization windings is chosen less than the height of the toroidal magnetic circuits included in the magnetic induction control device. In order to remove heat from the air compressed by the compressors, the generator shaft, to which the axial and centrifugal compressors are connected, is expedient to be hollow for the passage of cold air inside it. Each of the three phase windings of the main stator winding of the generator creates an alternating magnetic flux penetrating the generator shaft. Therefore, to reduce magnetic losses, it should be made of non-magnetic material.

При изучении в вышеуказанной области техники других известных технических решений признаки (устройство регулирования магнитной индукции, помещенное между фазными обмотками основной обмотки генератора; наличие дополнительной обмотки, имеющей форму зигзагообразной; применение осевого компрессора и центробежных, совмещенных с дисками ротора), отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию изобретения "новизна". When studying in the above technical field other known technical solutions, signs (a magnetic induction control device placed between the phase windings of the main winding of the generator; the presence of an additional winding having a zigzag shape; the use of an axial compressor and centrifugal combined with rotor disks) distinguishing the claimed invention from the prototype , were not identified, and therefore they provide the claimed technical solution according to the criteria of the invention of "novelty."

На чертежах представлены:
фиг. 1 - общий вид генератора;
фиг. 2 - первый диск ротора генератора;
фиг. 3 - статор генератора;
фиг. 4 - устройство регулирования магнитной индукции;
фиг. 5 - второй диск ротора генератора.The drawings show:
FIG. 1 - general view of the generator;
FIG. 2 - the first disk of the rotor of the generator;
FIG. 3 - generator stator;
FIG. 4 - a device for regulating magnetic induction;
FIG. 5 - the second disk of the rotor of the generator.

Генератор состоит из статора 1, укрепленного в корпусе 2, к которому с двух сторон примыкают подшипниковые щиты: передний 3 и задний 4 с закрепленными в ниx подшипниками 5. Статор с двух сторон охвачен дисками ротора: передним 6 и задним 7. Между фазными обмотками основной обмотки статора 8 расположено устройство регулирования магнитной индукции, в которое входят тороидальные магнитопроводы 9 и 10 и обмотки подмагничивания 11, размещенные на каркасе 12. Обмотки 8 закреплены между наружной обоймой статора 13 и внутренний обоймой 14 и охвачены с обеих сторон пакетами из электротехнической стали 15. Задний диск ротора состоит из корпуса 16, закрепленных в нем постоянных магнитов 17, примыкающих к замыкателю магнитного потока 18. Передний диск ротора состоит из корпуса 19, закрепленных в нем постоянных магнитов 20, примыкающих к замыкателю магнитного потока 21. В корпусе генератора закреплена дополнительная обмотка 22. Система охлаждения генератора состоит из осевого компрессора 23, в который воздух попадает после прохождения через фильтр 24 и направляющий аппарат 25. Против каждой из обмоток статора установлен центробежный компрессор 26. Ротор генератора, центробежные компрессоры укреплены на валу 27 при помощи шпонки 28 и распорных втулок 29. The generator consists of a stator 1, mounted in a housing 2, to which bearing shields are adjacent on both sides: front 3 and rear 4 with bearings fixed in them 5. The stator is covered on both sides by rotor disks: front 6 and rear 7. Between the main phase windings stator windings 8 there is a magnetic induction control device, which includes toroidal magnetic circuits 9 and 10 and magnetization windings 11 located on the frame 12. The windings 8 are fixed between the outer casing of the stator 13 and the inner cage 14 and are covered on both sides thoron with packages of electrical steel 15. The rear rotor disk consists of a housing 16, fixed therein permanent magnets 17 adjacent to the magnetic flux closure 18. The front rotor disk consists of a housing 19, fixed therein permanent magnets 20 adjacent to the magnetic flux closure 21 An additional winding is fixed in the generator housing 22. The generator cooling system consists of an axial compressor 23, into which air enters after passing through the filter 24 and the directing apparatus 25. Against each of the stato windings A centrifugal compressor 26 is installed. The rotor of the generator, centrifugal compressors are mounted on the shaft 27 using the keys 28 and spacers 29.

Генератор работает следующим образом. The generator operates as follows.

При вращении вала генератора 27 приводятся во вращение диски 6 и 7. Это приведет к изменению скорости изменения магнитной индукции, пронизывающей фазные обмотки основной трехфазной обмотки статора 8, в которых наводится ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитной индукции, создаваемой постоянными магнитами ротора. Магнитный поток, созданный постоянными магнитами ротора, имеет аксиальное направление и замыкается через пакеты из электротехнической стали 15 и тороидальные магнитопроводы 9 и 10. При увеличении частоты вращения вала генератора получают питание обмотки подмагничивания 11, величина тока в которых зависит от напряжения дополнительной обмотки 22, которое прямо пропорционально частоте вращения вала генератора. Магнитопроводы 9 и 10 вводятся в насыщение, что приведет к снижению магнитной индукции в воздушном зазоре генератора, а значит, и к скорости ее изменения. При вращении вала 27 приводятся во вращение лопасти осевого компрессора 23, нагнетающие сжатый воздух в полости центробежных компрессоров 26. Нагретый после прохождения осевого компрессора воздух охлаждается за счет холодного воздуха, проходящего внутри вала генератора. Центробежными компрессорами 26 воздух нагнетается к обмоткам статора и охлаждает их. When the shaft of the generator 27 is rotated, the disks 6 and 7 are rotated. This will lead to a change in the rate of change of the magnetic induction penetrating the phase windings of the main three-phase stator winding 8, in which the emf is proportional to the rate of change of the magnetic induction created by the permanent rotor magnets. The magnetic flux created by the permanent magnets of the rotor has an axial direction and closes through packages of electrical steel 15 and toroidal magnetic cores 9 and 10. When the generator shaft rotational speed increases, the magnetization winding 11 is powered, the current in which depends on the voltage of the additional winding 22, which directly proportional to the rotational speed of the generator shaft. Magnetic cores 9 and 10 are introduced into saturation, which will lead to a decrease in magnetic induction in the air gap of the generator, and hence to its rate of change. When the shaft 27 is rotated, the blades of the axial compressor 23 are driven, forcing compressed air into the cavities of the centrifugal compressors 26. The air heated after passing through the axial compressor is cooled by the cold air passing inside the generator shaft. Centrifugal compressors 26, the air is pumped to the stator windings and cools them.

Источники информации
1. Авт. свид. N 1234944, МКИ H 02 P 9/30, приор. 28.04.83 г.Sources of information
1. Auth. testimonial. N 1234944, MKI H 02 P 9/30, prior. 04/28/83

2. Авт. свид. N 1056375, МКИ H 02 K 9/08, приор. 13.08.82. г. 2. Auth. testimonial. N 1056375, MKI H 02 K 9/08, prior. 08/13/82. g.

3. Авт. свид. N 1835116, МКИ H 02 K 21/12, приор. 09.01.92 г. 3. Auth. testimonial. N 1835116, MKI H 02 K 21/12, prior. 01/09/92

4. Авт. свид. N 1536483, МКИ H 02 K 21/12, приор. 30.07.87 г. (прототип). 4. Auth. testimonial. N 1536483, MKI H 02 K 21/12, prior. 07.30.87 g. (Prototype).

5. Авт. свид. N 1749513, МКИ G 02 D 1/10, приор. 24.12.87 г. 5. Auth. testimonial. N 1749513, MKI G 02 D 1/10, prior. 12.24.87 g.

6. Авт. свид. N 1772386, МКИ G 02 D 41/00, приор. 16.10.90 г. 6. Auth. testimonial. N 1772386, MKI G 02 D 41/00, prior. 10.16.90 g.

7. Авт. свид. N 1838646, МКИ G 02 D 1/02, G 02 M 45/00, приор. 11.03.91 г. 7. Auth. testimonial. N 1838646, MKI G 02 D 1/02, G 02 M 45/00, prior. 03/11/91

Claims

1. A stabilized synchronous generator comprising a housing with a stator fixed in it, in the grooves of which are arranged with a shift of 120 el. hail. windings of the main three-phase winding connected in a “star”, an additional winding and a toroidal magnetization winding, a shaft with a two-disk rotor mounted on it and covering the stator on both sides, on which axially magnetized permanent magnets are uniformly distributed around the circumference, a cooling system with discharge chambers and rarefaction, zones of intake of cold air and hot ejection, ventilation ducts, semiconductor rectifiers, characterized in that the second toroidal is additionally introduced Single winding bias, each of the three phase windings of a three phase main stator winding arranged in its own layer, the middle layer is separated from the magnetic induction device extreme regulation, consisting of two parts.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the phase windings of the main three-phase stator winding are made wave and formed by the position of the insulated copper tape on top of each other.

3. The generator according to claim 1, characterized in that each part of the control device consists of two toroidal magnetic cores of different diameters, separated by a toroidal magnetization winding wound on a frame.

4. The generator according to claim 3, characterized in that the width of the frames is less than the height of the toroidal magnetic cores.

5. The generator according to claim 1, characterized in that the additional winding is made toroidal, located in a stator around a circle above one of the rotor disks and has a zigzag shape with the number of zigzags of the winding equal to the number of permanent rotor magnets.

6. The generator according to claim 1, characterized in that it contains packages of electrical steel, covering on both sides the phase windings of the main three-phase winding in the areas of their working parts.

7. The generator according to claim 1, characterized in that the shaft is made hollow of non-magnetic steel.

8. The generator according to claim 1, characterized in that it comprises an axial compressor combined with one of the rotor disks facing the cold air intake zone.

9. The generator according to claim 1, characterized in that it contains three centrifugal compressors installed against each of the three phase windings of the main three-phase winding.

10. The generator according to claim 9, characterized in that against each centrifugal compressor the stator has ventilation channels located between the inner frontal zones of the phase windings of the main three-phase winding, tapering in the direction of the generator shaft.