ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК H02K35/00 H02P9/30 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения электрической энергии в автономных энергетических установках с тепловым двигателем или с использованием энергии колебательного движения морской волны.

Наиболее близким по технической сущности заявленному техническому решению является электрический генератор, содержащий магнитопровод статора с полюсами, ферромагнитный ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник возбуждения магнитного потока, выходом соединенный со входом регулятора тока, выход которого соединен с обмоткой и нагрузкой, датчик нейтрального положения ротора, расположенный на статоре, выход которого соединен с первым входом управления регулятора тока, и датчик положения ротора [1]
В указанном электрическом генераторе по сигналу датчика положения ротора в определенном положении ротора происходит подключение нагрузки и отдача электрической энергии потребителю. Однако, положение ротора, в котором происходит оптимальная отдача энергии зависит от амплитуды колебания ротора и отдача энергии резко падает при отклонении амплитуды от заданного значения или окончательно прекращается, когда ротор не доходит до того положения, в котором происходит подключение нагрузки. В этом случае возникает необходимость в подстройке положения срабатывания датчика, что трудно выполнимо в автономных энергетических установках из-за сложности с доступом и практически не осуществимо в энергетических установках с использованием энергии колебательного движения морской волны, поскольку амплитуда здесь все время меняется.

Техническая задача изобретения создание электрического генератора с повышенными энергетическими показателями, в частности увеличение удельной выходной мощности с автоматическим регулированием режима работы генератора.

Задача решается тем, что в электрический генератор, содержащий магнитопровод статора с полюсами, ферромагнитный ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник возбуждения магнитного потока, выходом соединенный с входом регулятора тока, выход которого соединен с обмоткой и нагрузкой, датчик нейтрального положения ротора, расположенный на статоре, выход которого соединен с первым входом управления регулятора тока, и датчик положения ротора, введено пороговое устройство, вход которого соединен с выходом датчика положения ротора, а выход с вторым входом управления регулятора тока, а датчик положения ротора выполнен в виде датчика скорости изменения электрического тока, который включен в цепь обмотки.

Сущность технического решения поясняется следующим.

Благодаря введению датчика скорости изменения электрического тока в электрическую цепь обмотки и порогового устройства, вход которого соединен с выходом датчика скорости изменения электрического тока, а выход с вторым входом управления регулятора тока, происходит автоматическая регулировка режима работы электрического генератора и тем самым обеспечивается оптимальная отдача электрической энергии для любой амплитуды колебания ротора.

Указанные особенности изобретения представляют его отличия от прототипа и обуславливают новизну предложения, эти отличия являются существенными, поскольку именно они обеспечивают достижение технического результата, отраженного в технической задаче и отсутствуют в известных технических решениях с тем же эффектом.

На фиг. 1 приведена конструктивная и электрическая схема; на фиг. 2 - временные диаграммы электрического генератора.

Электрический генератор содержит магнитопровод статора 1 с полюсами 2, ферромагнитный ротор 3, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов 2 и отделенный от магнитопровода статора воздушным зазором 4, обмотку 5, сцепленную с магнитной цепью генератора, регулятор электрического тока 6, нагрузку 7 с диодом 8, датчик нейтрального положения ротора 9, датчик скорости изменения электрического тока 10, пороговое устройство 11. Регулятор электрического тока 6 выполнен в виде однофазного двухполупериодного выпрямительного моста, два противоположных плеча которого выполнены на управляемых ключах 12 и 13, а два других на диодах 14 и 15, при этом к выходу постоянного тока выпрямительного моста подключена обмотка 5 и нагрузка 7 с диодом 8, а к входу переменного тока подсоединен источник возбуждения магнитного потока 16. К входу переменного тока может быть также подсоединена нагрузка. Входами управления регулятора тока 6 являются входы управления управляемых ключей 12 и 13. Датчик нейтрального положения ротора 9 расположен на магнитопроводе статора 1, выход которого соединен с первыми входами управляемых ключей 12 и 13. Датчик скорости изменения электрического тока 10 представляет собой маломощный трансформатор 17, первичная обмотка которого включена в цепь обмотки 5, а вторичная нагружена на резистор 18 с большим активным сопротивлением. В таком трансформаторе магнитный поток в сердечнике будет создаваться только электрическим током первичной обмотки и напряжение на резисторе 18, пропорциональное скорости изменения магнитного потока в сердечнике, будет однозначно связано со скоростью изменения электрического тока в первичной обмотке, а следовательно, со скоростью изменения электрического тока в обмотке 5 электрического генератора. К резистору 18 подсоединен вход порогового устройства 11, выход которого соединен с вторыми входами управления управляемых ключей 12 и 13.

Электрический генератор работает следующим образом.

В нейтральном положении ротора 3 с датчика нейтрального положения 9 на первые входы управления управляемых ключей 12 и 13 подается сигнал С1 и ключи открываются. Электрический ток I_B от источника возбуждения магнитного потока 16 через ключи 12 и 13 поступает в обмотку 5 и создает магнитный поток в магнитной цепи генератора. При этом диоды 14 и 15 заперты обратным напряжением.

При перемещении ротора 3 из нейтрального положения магнитное сопротивление в воздушных зазорах 4 возрастает и магнитный поток в магнитной цепи убывает, в результате чего в обмотке 5 наводится Э.Д.С. Когда возникшая Э.Д. С. превысит напряжение источника возбуждения 16 диоды 14 и 15 открываются и электрический ток I_к, создаваемый обмоткой 5, накоротко замыкается по двум ветвям, одна из которых образована управляемым ключом 12 и диодом 14, а другая диодом 15 и управляемым ключом 13.

При дальнейшем перемещении ротора 3 магнитное сопротивление в воздушных зазорах 4 продолжает возрастать. Однако, при отсутствии практически активного сопротивления в цепи обмотки в соответствии с законом электромагнитной индукции магнитный поток будет сохраняться, проведение которого по все возрастающему магнитному сопротивлению в воздушных зазорах 4 приведет к резкому нарастанию электрического тока в обмотке 5.

В этот промежуток времени в рабочих воздушных зазорах 4 происходит "сжатие" и "растяжение" линий магнитной индукции и в результате этого - преобразование механической энергии в магнитную в соответствии с известной формулой

где I_к электрический ток в обмотке;
L -индуктивность обмотки.

Когда электрический ток в обмотке 5 будет приближаться к максимальному значению, его скорость изменения и напряжение на резисторе 18 будут снижаться. Как только напряжение на резисторе 18 станет меньше порогового значения U_n, на выходе порогового устройства 11 возникнет сигнал С2, который закроет ключи 12 и 13. Электрический ток I_p, создаваемый обмоткой 5 за счет запасенной магнитной энергии W_м будет теперь запитывать нагрузку 7 и через диоды 14 и 15 подзаряжать источник возбуждения магнитного потока 16.

Таким образом, подключение нагрузки к обмотке генератора при максимальном токе путем использования датчика скорости изменения электрического тока и порогового устройства, подключенного между выходом этого датчика и входом управления регулятора тока, позволяет повысить отдачу электрической энергии для любой амплитуды, частоты и закона движения ротора без дополнительной подстройки датчика и тем самым повысить энергетические показатели и упростить обслуживание электрического генератора.

Кроме того, опережающее подключение нагрузки по отношению к моменту достижения электрическим током максимального значения позволяет учесть смещение максимумов магнитной энергии и электрического тока, вызванное спаданием индуктивности, как функции положения ротора, и тем самым дополнительно повысить энергетические показатели электрического генератора.

Источники информации.

1. Патент СССР, N 1066469, кл. Н О2 К 33/00. Генератор возвратно-поступательного движения (Жак Анри Жарре, Жан Мари Батист Жарре (Франция) заявл. 09.06.75; опубл. 07.01.84. (прототип).

Использование: для получения электрической энергии в автономных энергетических установках. Сущность: электрический генератор содержит магнитопровод статора с полюсами, вдоль которых помещается ферромагнитный ротор, обмотку, соединенную через регулятор электрического тока с нагрузкой, источник возбуждения магнитного потока, датчик нейтрального положения ротора, соединенный с входом управления регулятора тока, датчик скорости изменения электрического тока, подключенный к обмотке, выход которого соединен с вторым входом управления регулятора тока через пороговое устройство. При достижении максимального тока в обмотке подключается нагрузка, благодаря чему обеспечивается оптимальная отдача энергии для любой амплитуды, частоты и закона движения ротора. 2 ил.

Электрический генератор, содержащий магнитопровод статора с полюсами, ферромагнитный ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник возбуждения магнитного потока, выходом соединенный с входом регулятора тока, выходы которого соединены с обмоткой и нагрузкой, датчик нейтрального положения ротора, расположенный на статоре, выход которого соединен с первым входом управления регулятора тока, и датчик положения ротора, отличающийся тем, что введено пороговое устройство, вход которого соединен с выходом датчика положения ротора, а выход с вторым входом управления регулятора тока, а датчик положения ротора выполнен в виде датчика скорости изменения электрического тока, который включен в цепь обмотки.