RU2836033C2 - Электрический генератор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – улучшение охлаждения генераторных обмоток. Электрический генератор содержит роторы с постоянными магнитами и статор, который представляет собой набор отдельных многовитковых многослойных электрических катушек, установленных на держателе. Для достижения технического результата боковые грани катушек располагаются параллельно постоянным магнитам, расположенным на металлических внутреннем и наружных роторах, и верхняя, лобовая, часть катушки также располагается параллельно постоянным магнитам, расположенным на металлической крышке. Таким образом каждая отдельная многовитковая многослойная электрическая катушка располагается внутри П-образного составного постоянного магнита, имеющего одну и ту же магнитную полярность как внутри, так и снаружи П-образного составного постоянного магнита. На две электрически и магнитно соединенные многовитковые многослойные электрические катушки приходится два составных П-образных магнита с различной магнитной полярностью N и S на всех трех металлических поверхностях, на которых они установлены. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике, электродинамике и электромашиностроению, а именно к электрическим генераторам однофазного и многофазного (включая трехфазный) переменного тока.

Из множества существующих электрических генераторов с использованием постоянных магнитов в качестве источника переменной электродвижущей силы (ЭДС - определение по п. 28 гл. 2 Термины и определения основных понятий ГОСТ Р52002-2003 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА) для получения требуемой генераторной электрической мощности наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является техническое решение, раскрытое в заявке 2022127826.

Из наиболее близкого аналога известен электрический генератор, характеризующийся тем, что содержит статор, состоящий из нескольких электрических катушек прямоугольной формы, каждая из которых намотана на держатель из электроизоляционного материала, каждый держатель установлен на периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек электрического генератора, в подшипниках которых установлен вал ротора, один из концов которого выполнен с возможностью соединения с механическим приводом, при этом ротор выполнен металлическим и содержит выступающие постоянные магниты из расчета два постоянные магнита на каждую электрическую катушку, постоянные магниты расположены таким образом, что чередуются на роторе через один с последовательным изменением полярности.

К недостаткам наиболее близкого аналога относится наличие достаточного большого магнитного сопротивления между ротором с постоянными магнитами и составным статором из электромагнитных катушек.

Таким образом, задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении эффективности электрического генератора.

Технический результат заявленного изобретения заключается в улучшении охлаждения генераторных обмоток.

Технический результат достигается за счет конструкции статора электрического генератора, который представляет собой набор отдельных многовитковых многослойных электрических катушек составного статора, установленных на специальном держателе таким образом, что боковые грани катушек располагаются параллельно постоянным магнитам расположенным на металлических внутреннем и наружных роторах и верхняя (лобовая) часть катушки также располагаются параллельно постоянным магнитам расположенным на металлической крышке, жестко связанным с внутренним и наружным роторами генератора. Таким образом отдельная многовитковая многослойная электрическая катушка располагается внутри П-образного составного постоянного магнита, имеющего одну и ту же магнитную полярностью как внутри, так и снаружи П-образного составным постоянным магнитом. Таким образом на одну многовитковую многослойную электрическую катушку приходится один составной постоянный магнит и таким образом электрическая катушка имеет 3 рабочих длинны проводников, расположенных под постоянными магнитами, и одну не рабочую лобовую часть катушки, а не по две как это в современных генераторах. В новом электрическом генераторе многовитковую многослойную электрическую катушку располагают из расчета парности на составном статоре, т.е. на две электрически и магнитно соединенные многовитковые многослойные электрические катушки должно приходится два составных П-образных магнита с различной магнитной полярностью (N и S) на всех трех металлических поверхностях на которых они установлены. Таких пар катушек и их составных П-образных магнитов может быть n^ое количество, в зависимости от необходимой отводящей электрической мощности электрического генератора. При этом при этом многовитковые многослойные катушки соединены электрически согласованно.

Постоянные составные П-образные постоянные магниты чередуются на роторе через один с последовательным изменением полярности N-S-N-S и т.д. В зависимости от выходных параметров электрической мощности генератора, т.е. от требуемой величины напряжения U и величины интенсивности потока электричества I, пары электрически и магнитно соединенные многовитковые многослойные электрические катушки могут соединятся между собой согласованно последовательно или параллельно. В зависимости от технических требований многовитковые многослойные электрические катушки составного статора могут быть без сердечников, с сердечниками из электротехнической стали или с ферритовыми (как отдельными, внутри каждой катушки так с тороидальными цельными или составными сердечниками).

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На Фиг. 1 изображен вертикальный разрез четырехполюсного электрического генератора с восьмью многовитковыми многослойными электрическими катушками не имеющие сердечников.

На Фиг. 2 изображено сечение А-А по верхним постоянным магнитам электрического генератора с П-образными составными постоянными магнитами.

На основании 1 (Фиг. 1) данного электрического генератора с отверстиями 2 для крепления, установлено специальный держатель 4 из диэлектрического материала (например, карболит, текстолит и др.), для установки катушек 6 составного статора и внутреннего ротора 7. Основание 1 крепится к специальному держателю 4 с помощью винтов 3. В нижней части специального держателя имеется внутренний кольцевой паз, в котором установлены клеммы 15 для соединения выводов катушек и их коммутации, а также соединения с внешними проводниками (проводники на чертежах не показаны). В верхней части специального держателя 4 имеются специальные монтажные пазы, в которых располагаются многовитковые многослойные бескаркасные электрические катушки 6 составного статора генератора, а также гнездо 5 для установки подшипника 17 установленного на шейке вала 18 ротора внутреннего ротора 7. Подшипник 17 закрывается и фиксируется жестко в специальном держателе 4 внутренней крышкой 16, которая соединяется винтами с основанием 1 через отверстия 5 в корпусе специального держателя 4. Для позиционирования многовитковых многослойных бескаркасных электрических катушек 6 составного статора генератора относительно друг друга их верхней лобной части устанавливаются сегментами 19 (через изоляционный материал, например, технический картон, полиамидная пленки т.д.). Сегменты 19 кроме монтажной функции играют роль радиатора, отводящего тепло от проводников катушек 6. На поверхности внутреннего ротора 7, установлены постоянные магниты 10, с последовательной магнитной полярностью N-S-N-S и т.д. Такие же постоянные магниты 10 и с такой же последовательностью устанавливаются на внешнем цилиндрическом роторе 8 и верхней крышке 9. Все постоянные магниты 10 четко позиционируются в своих посадочных местах и при сборке общего ротора из этих постоянных магнитов 10 получается составной П-образный постоянный магнит на составном П-образном роторе генератора 7, 8, 9, имеющий одну внутреннюю и внешнюю магнитную полярность. Поскольку магниты располагаются на металлических материалах, то внешние магнитные потоки соседних разнополярных постоянных магнитов 10 замыкаются по металлу, согласно 3 и 4 законов Дж. К. Максвелла. Верхняя крышка ротора 9 имеет втулку 14 в которой устанавливается подшипник 13 и который затем располагается на верхней шейке 11 ротора 7 и к которой винтами крепится подшипниковая крышка 12 (соединение верхней крышка ротора 9 и втулки 14 на чертежах не показано). Втулка 14 верхней крышки ротора 9 имеет с валом ротора 7 шпоночное соединение (шпонка на чертежах не показана). Внешний ротор 8 и верхняя крышка ротора 9 с установленными на них постоянными магнитами имеют соединение между собой, обеспечивающее жесткость всей конструкции (соединение на чертежах не показано). Между внешним ротором 8 и специальным держателем 4 существует минимальный равномерный воздушный зазор. Генератор может иметь дополнительный защитный корпус, который крепится на основании генератора 1 (на чертежах не показано).

Рядом расположенные многовитковые многослойные катушки 6 составного статора генератора соединяются электрически согласованно и представляют собой единую пару в которой имеется одно и то же по знаку и направлению значение электрической мощности на выходе катушек. В приведенном на Фиг. 1 и Фиг. 2 электрическом генераторе соответственно 4 пары электрических катушек, которые в зависимости от требуемых электрических параметров генератора - напряжения U и интенсивности электричества в цепи I, могут соединяться электрически последовательно, параллельно группами и быть отдельными.

Рассмотрим работу электрического генератора.

Работа электрического генератора основана в строгом соответствии с законами Фарадея, Кулона, Ома, Максвелла.

В соответствии с законом генерации электричества Фарадея, при перемещении постоянного магнита 10 над проводниками многовитковых многослойных катушек 6 составного статора генератора в них возникает переменное электричество. Т.е. магнитное поле постоянного магнита 10 является источником электродвижущей силы переменного электричества в проводниках катушек 6.

Использование составных П-образных роторов 7, 8, 9 с постоянных магнитов 10 с их одной внутренней магнитной полярность над боковыми проводниками многовитковых многослойных катушек 6, а не над боковыми основаниями катушек, как это принято в традиционных генераторах позволяет увеличить величину отводимой электрической мощности от катушек составного статора генератора, т.к. рабочая длинна проводников значительно увеличивается и имеется только одна лобовая часть катушки.

Поскольку основания многовитковых многослойных катушек 6 располагаются внутри постоянных магнитов 10 составного П-образного ротора 7, 8, 9 с их одной внутренней магнитной полярность по внутреннему радиусу и соединенных электрически согласованно последовательно попарно, то магнитные полюса на поверхностях всех многовитковых многослойных катушек 6 составного статора генератора направлены согласованно друг напротив друга. Согласно закону Кулона, разноименные полюса притягиваются, т.е. разноименные магнитные потоки будут направлены навстречу друг другу независимо от среды μ, в которой распространяются магнитные потоки. Следовательно, значительно уменьшится магнитное сопротивление между магнитами 10 составного П-образного ротора 7, 8, 9 и электромагнитным полем многовитковых многослойных катушек 6 генератора. Многовитковые многослойные катушек составного статора генератора могут быть без сердечника, с индивидуальным или общим сердечником из электротехнической стали или ферритов. В зависимости от требований потребителя пары электрических многовитковых многослойных катушек 6 составного статора генератора могут быть выполнены проводниками разного диаметра, с сохранением общего электрического и магнитного баланса генератора. Мощность электрического генератора P_ген при замкнутой однофазной электрической цепи переменного тока (подключенной нагрузке) определяется по закону Ома

P_ген=U_ген⋅I_ген.

Уравнение генерируемого напряжения в незамкнутой электрической цепи в электрической катушкам с учетом суммы всех боковых отдельных рабочих проводников многовитковых многослойных катушек, а они по-разному расположены к постоянным магнитам и, следовательно, магнитная индукция В действующая на рабочую длину L каждого витка в слое многовитковой многослойной катушки различна, как и разный угол α имеет следующий вид:

U_к=ν⋅ω⋅n⋅B⋅L⋅sin(α)

где U_к - напряжение на конце катушки, В, V;

ν - скорость (частота) движения проводников в магнитном поле или магнитного поля над/под проводниками об/мин;

L_раб - длина проводника рабочей части одиночного проводника м;

ω - количество витков в многослойной многовитковой катушке;

n - количество постоянных магнитов на одну катушку;

B - индукция магнитного поля одного магнита мТ;

α - угол между вектором индукции магнитного поля В и нормалью к поверхности контура одиночного витка.

Режим холостого хода - электрическая цепь разомкнута. Мощность электромагнитного генератора Р_ген при разомкнутой электрической цепи равна 0, поскольку в ней не протекает электрический ток I.

Напряжение, потребляемое многовитковой многослойной катушкой в замкнутой электрической цепи, напряжение потерь катушки будет

U=I⋅R=I⋅ρ⋅L_кат/S,

где U - разность потенциалов (напряжение на концах катушки, В, V;

I - интенсивность электрического тока в замкнутой электрической цепи, А;

R - электрическое сопротивление прямого проводника или катушки, Ом, Ω;

ρ - электрическое удельное сопротивление проводника, Ом⋅м, Ω⋅m;

L_кат - общая длина проводника катушки, м;

S - площадь (сечение) проводника, м².

Тогда мощность, генерируемая в замкнутой электрической цепи с учетом потерь генерируемого напряжения в самих электрических катушках будет

P_ген=[ν⋅ω⋅n⋅B⋅L⋅sin(α) - I_ген⋅ρ⋅L_кат/S]⋅I_ген

При вращении составного П-образного ротора 7, 8, 9 электрического генератора в независимости от вращения вала 1 по часовой стрелке или против нее, силовые линии магнитных полей постоянных магнитов 10 составного П-образного ротора пересекают боковые многовитковые многослойные витки электрических катушек 6 составного статора, расположенные на специальном держателе 2. Под действием ЭДС постоянных магнитов 10 в электрических катушках возникает электрический поток, величина которой зависит от скорости вращения составного П-образного ротора 7, 8, 9. Максимальное положительное значение величины этого потока будет тогда, когда постоянные магниты 10 составного П-образного ротора 7, 8, 9 находятся строго над соответствующими боковыми проводниками электрических катушек 6 составного статора генератора, т.е. их геометрические оси совпадают, как это показано на фиг. 2. При вращении ротора по часовой стрелке, когда магнитные нейтрали полюсов стремятся на место геометрических нейтралей ротора, т.е. стать напротив геометрических нейтралей проводников электрических катушек 6 составного статора генератора величина электрического потока будет уменьшаться во времени по синусоиде и станет ровна нулю, когда эти нейтрали совпадут. И дальше при вращении составного П-образном ротора 7, 8, 9 в сторону совпадении геометрических нейтралей катушек с нейтралями постоянных магнитов величина электрического потока будет увеличиваться во времени по синусоиде до максимума, но уже с противоположным знаком и далее опять до нуля. И этот цикл повторяется многократно, обеспечивая переменную электрическую мощность на выходе генератора.

Эффективность изобретения подтверждена испытанием опытных образцов электрических генераторов на разное количество постоянных магнитов на составном П-образном роторе и соответственно с разными составными статорами, с отдельным, последовательным или параллельным соединением многовитковых многослойных катушек.

Данные однофазные и многофазные (включая трехфазные) генераторы могут использоваться с приводами ветроприемников, гидравлических турбин, а также паровыми турбинами и жидкостными двигателями. Предлагаемые электрические генераторы найдут применение в самое ближайшее время во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и жилищно-коммунальном хозяйстве.

Claims (2)

1. Электрический генератор, содержащий статор, который представляет собой набор отдельных многовитковых многослойных электрических катушек, установленных на держателе таким образом, что боковые грани катушек располагаются параллельно постоянным магнитам, расположенным на металлических внутреннем и наружных роторах и верхняя, лобовая, часть катушки также располагается параллельно постоянным магнитам, расположенным на металлической крышке, жестко связанным с внутренним и наружным роторами генератора, таким образом каждая отдельная многовитковая многослойная электрическая катушка располагается внутри П-образного составного постоянного магнита, имеющего одну и ту же магнитную полярность как внутри, так и снаружи П-образного составного постоянного магнита, таким образом на одну многовитковую многослойную электрическую катушку приходится один составной постоянный магнит и таким образом электрическая катушка имеет 3 рабочих длины проводников, расположенных под постоянными магнитами, и одну нерабочую лобовую часть катушки, при этом многовитковые многослойные электрические катушки располагаются из расчета парности, т.е. на две электрически и магнитно соединенные многовитковые многослойные электрические катушки приходится два составных П-образных магнита с различной магнитной полярностью N и S на всех трех металлических поверхностях, на которых они установлены, причем количество указанных пар и их составных П-образных магнитов зависит от необходимой отводящей электрической мощности электрического генератора, при этом многовитковые многослойные электрические катушки соединены согласованно.

2. Электрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что предусмотрено как последовательное, так и параллельное соединение обмоток, выполненных отдельными катушками или группами катушек, причем диаметр провода катушки зависит от величины нагрузки потребителя электричества.