САМОВОЗБУЖДАЮЩИЙСЯ ТОРЦОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО И ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02K21/24 H02K25/00 

Изобретение относится к электромашиностроению электрическим машинам, а именно к униполярным генераторам и синхронным торцовым генераторам переменного тока, предназначенным для производства электрической энергии.

Существующие униполярные машины работают на принципе униполярной индукции, открытом М. Фарадеем, который заключается в наведении ЭДС в намагниченном теле, расположенном под некоторым углом к оси намагничивания [1]
Одно из возможных исполнений [2] состоит из якоря массивного стального тела, вращающегося на валу ротора в поле возбуждения, создаваемого неподвижными катушками кольцевой обмотки. Магнитный поток дважды пересекает зазор по кольцевому магнитопроводу и ферромагнитному телу ротора. В активной зоне (между щетками) образуется кольцевой полюс определенной полярности. Поэтому во всех осевых элементах якоря, размещающихся между неподвижными щетками токосъема, индуцируется одна и та же ЭДС.

Недостатками описанного аналога являются:
подвижность рабочей обмотки выходного напряжения с наличием в ней скользящих контактов с щетками, что снижает надежность машины,
отсутствует устройство самовозбуждения машины,
невозможность одновременного получения переменной и однонаправленной ЭДС.

Известно также устройство синхронного генератора торцового типа [3] характерного тем, что генератор выполнен сдвоенным, т.е. имеет два якоря и расположенный между ними индуктор с двумя системами постоянных магнитов, между которыми размещена кольцевая подмагничивающая обмотка. Такое выполнение генератора позволяет повысить использование объема паза статора, уменьшить потери мощности на возбуждение и сократить расход меди на ее изготовление.

К недостаткам данного устройства следует отнести:
наличие кольцевой обмотки индуктора не обеспечивает равенство магнитной индукции по длине ее радиуса,
множество зубцово-пазовых зон на статорах снижает равномерность распределения магнитного потока в воздушном зазоре генератора,
обмотка выходного напряжения выполнена из немагнитного цветного металла и поэтому не может служить продолжением магнитопровода,
отсутствует устройство самовозбуждения генератора,
невозможность одновременного получения переменной и однонаправленной ЭДС.

Униполярный генератор, выбранный в качестве прототипа [4] содержит статор с магнитопроводом и якорь с обмоткой, подключенной к неподвижным щеткам через контактные кольца.

Последовательное соединение медных стержней вращающейся обмотки выходного напряжения в устройстве прототипа выполнено посредством многочисленных щеток, установленных на каждой коллекторной пластине.

Недостатками устройства прототипа являются:
подвижность размещенной на валу якоря рабочей обмотки выходного напряжения с наличием на ней множественных коллекторных узлов с коммутационными пластинами и щеткой токосъема, что снижает надежность работы униполярного генератора,
отсутствует устройство самовозбуждения генератора,
невозможность одновременной выработки переменной и однонаправленной ЭДС.

Для повышения надежности, обеспечения самовозбуждения и возможности однонаправленного производства переменной и однонаправленной ЭДС предлагается новое устройство с превращением подвижной рабочей обмотки в неподвижную и с исключением из ее цепи множественных скользящих контактов. Это достигается тем, что в известный униполярный генератор-прототип, содержащий статор с магнитопроводом и якорь с обмоткой, подключенной к неподвижным щеткам через контактные кольца, внесены следующие изменения:
вместо одного неподвижного индуктора с кольцевой обмоткой предусмотрено два подвижных, оси которых смещены друг относительно друга на 90^o и выполнены в виде размещенных на одном валу, каждый со своей магнитной цепью, радиальных магнитопроводов с катушками возбуждения, один из которых, являясь индуктором синхронного генератора, дополнительно оснащен постоянными магнитами для первичного наведения ЭДС, а другой индуктор униполярного генератора служит для одновременного наведения ЭДС переменного и однонаправленного тока в обмотках статора;
начала и концы катушек возбуждения индуктора униполярного генератора подключены к пластинам разрезного контактного кольца для обеспечения разной одноименнополюсности электромагнитов в частях верхней и нижней полусфер статора, а начала и концы катушек индуктора синхронного генератора подключены к неразрезным контактным кольцам;
устройство имеет два неподвижных статора с размещением на них трех обмоток выходного напряжения, причем на магнитопроводе статора униполярного генератора радиально уложены смещенные по центральным осям на 90^o две независимые друг от друга обмотки из последовательно соединенных ферромагнитных секторных элементов, одна с однонаправленной ЭДС, элементы обмотки которой уложены с образованием промежутков для установки в них элементов обмотки переменной ЭДС, с выводными концами на внешнюю сеть и отбором мощности в катушки индуктора синхронного генератора через токосъемные щетки, неразрезные контактные кольца, и другая обмотка переменной ЭДС с размещением ее элементов в промежутках обмотки однонаправленной ЭДС, в пределах которой происходит смена полярности двух противолежащих электромагнитов посредством вращающихся пластин разрезного контактного кольца с выводами во внешнюю сеть, а на магнитопроводе статора синхронного генератора уложены с образованием нейтральных промежутков, в пределах которых ЭДС проходит через нулевое значение, такие же последовательно соединенные ферромагнитные секторные элементы обмотки, концы которой через выпрямляющее устройство связаны с катушками возбуждения индуктора униполярного генератора через токосъемные щетки и разрезные контактные кольца.

По прохождению промежутков, в которых размещены элементы обмотки переменной ЭДС, каждые противолежащие пары катушек обмотки возбуждения униполярного генератора за счет смены под щетками пластин разрезного контактного кольца сохраняют свою разную одноименнополюсность, например в части верхней полусферы статора всегда сохраняется южный знак полярности, а в части нижней полусферы всегда сохраняется северный знак полярности. Этим самым обеспечивается однонаправленность ЭДС в выходной цепи этой обмотки. Это свойство генератора дает также возможность соединить в последовательную цепочку коаксиально расположенными соединительными проводниками все элементы рабочей обмотки выходного напряжения с исключением из нее скользящих контактов с щетками, т.к. они утратили свои функции. В пределах промежутков, расположенных с правой и левой стороны статора происходит смена полярности противолежащих электромагнитов, что обеспечивает получение переменной ЭДС в этой обмотке.

Двухполюсный индуктор синхронного генератора при вращении всегда сохраняет свою разнополярность, и установленные параллельно с ними постоянные магниты также имеют разную полярность. Это обеспечивается неразрезными контактными кольцами и однонаправленностью тока возбуждения.

Секторные элементы обмотки статора из ферромагнитного материала уложены в четыре ряда с смещением их осей на 90^o и с образованием четырех нейтральных промежутков, в пределах которых ЭДС в обмотке проходит через нулевое значение, а поскольку каждый ряд элементов пересекается поочередно то южным, то северным полюсами, то на выводах обмотки возникнет переменное напряжение, которое выпрямляющим устройством преобразуется в постоянное с последующей подачей в катушки возбуждения индуктора униполярного генератора через токосъемные щетки и пластины разрезного контактного кольца.

Таким образом, как видно из описания сущности изобретения, обеспечено получение положительного технического результата соответствующего критериям "новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость", а анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками в заявленном устройстве самовозбуждающегося торцового генератора.

На фиг.1 представлен в продольном разрезе общий вид предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 электрическая схема последовательного соединения ферромагнитных симметричных секторных элементов рабочих обмоток переменного и однонаправленного напряжения; на фиг.4 электрическая схема соединения катушек возбуждения индуктора униполярного генератора с коммутационными пластинами разрезного контактного кольца, положительной и отрицательной щетками; на фиг. 5 электрическая схема соединения ферромагнитных секторных элементов рабочей обмотки статора синхронного генератора с выпрямляющим устройством и щетками токосъема; на фиг.6 схема соединения катушек возбуждения индуктора синхронного генератора с неразрезными контактными кольцами; на фиг.7 кривая пульсирующего однонаправленного тока; на фиг.8 - кривая синусоиды переменного тока.

На продольном разрезе (фиг.1) представлена конструктивная схема предлагаемого устройства, содержащего корпус генератора 1, съемные боковые щиты корпуса 2, вентиляционные прорези в щитах 3, прокладки регулирования воздушного зазора 4, вал генератора 5, неразрезные контактные кольца синхронного генератора 6, токосъемные щетки 7, магнитопровод статора синхронного генератора 8, ферромагнитные секторные элементы рабочей обмотки статора синхронного генератора 9, их последовательно соединяющие проводники 10, магнитопровод индуктора синхронного генератора 11, катушки возбуждения индуктора синхронного генератора 12, постоянные магниты индуктора синхронного генератора 12а, соединительные проводники 13 от контактных колец 6 к катушкам электромагнитов 12, соединительные проводники 14 от обмотки переменного напряжения 9 к выпрямляющему устройству 15, соединительные проводники 16 от выпрямляющего устройства 15 к токосъемным щеткам 17 разрезного контактного кольца 18, соединительные проводники 19 между пластинами разрезного контактного кольца 18 и катушками возбуждения индуктора униполярного генератора, магнитопровод статора униполярного генератора 20, ферромагнитные секторные элементы рабочей обмотки однонаправленного тока на статоре униполярного генератора 21, их соединительные проводники 22, выводные контакты рабочей обмотки однонаправленного напряжения 23, соединительные проводники 24 от выводных контактов 23 к токосъемным щеткам 7, магнитопровод статора униполярного генератора 25, катушки возбуждения индуктора 26. В приведенном разрезе самовозбуждающегося торцового генератора (фиг. 1) невозможно показать ферромагнитные секторные элементы обмотки выходного переменного напряжения, т.к. они расположены по горизонтальной оси, но схема их соединения полностью идентична схеме обмотки однонаправленного напряжения.

На фиг.2 изображена схема соединения ферромагнитных секторных элементов рабочих обмоток переменного и однонаправленного тока, расположенных на статоре 20, центральные оси которых смещены друг относительно друга на 90^o.

По вертикальной оси в частях верхней и нижней полусфер статора установлено по три ряда элементов 21, которые и составляют электрическую схему обмотки однонаправленного тока, а по горизонтальной оси в частях левой и правой полусфер статора установлены по три ряда идентичные элементы 27 рабочей обмотки переменного тока.

Каждые два противолежащие по горизонтальной оси генератора электромагнита при нахождении их над центральными рядами элементов рабочей обмотки посредством пластин разрезного контактного кольца меняют свою полярность на обратную, что и обеспечивает получение переменного тока, а однонаправленность тока в элементах обмотки, расположенных по вертикальной оси генератора в частях верхней и нижней полусфер статора обеспечивается тем, что они обрабатываются, допустим, в верхней части всегда одним и тем же южным полюсом электромагнита, а в нижней части всегда одним и тем же, северным полюсом. Кроме этого создается возможность получения последовательного соединения всех элементов обмотки.

На фиг.2 числом 22 обозначены соединительные проводники элементов обмотки однонаправленного тока, выводные концы этой обмотки 23, элементы обмотки переменного тока 27, их соединительные проводники 28, а выводные концы этой обмотки 29.

На фиг.3 в поперечном разрезе изображена электрическая схема соединения элементов рабочей обмотки однонаправленного тока. Здесь мы имеем под числом 21 ферромагнитные секторные элементы рабочей обмотки, их последовательно соединяющие проводники 22, выводные концы 23. Электрическая схема элементов 27 обмотки переменного тока полностью идентична с вышеприведенной.

На фиг.4 представлена схема соединения катушек возбуждения четырех электромагнитов индуктора униполярного генератора. Цифрой 17 обозначены токосъемные щетки, 18 коммутационные пластины разрезного контактного кольца, 19 соединительные проводники между катушкой возбуждения 26 и пластинами разрезного контактного кольца 18.

На фиг.5 изображена электрическая схема ферромагнитных секторных элементов 9 статора 8 синхронного генератора. Здесь мы имеем четыре ряда элементов, смещенных по осям на 90^o, между которыми образованы нейтральные промежутки 30, в пределах которых ЭДС проходит через нулевое значение. Числом 10 указаны соединительные проводники, выводные концы 14 от элементов 9 рабочей обмотки к выпрямляющему устройству 15, соединительные проводники 16 от выпрямляющего устройства к токосъемным щеткам 17 и пластинам разрезного контактного кольца 18.

На фиг. 6 показана схема индуктора синхронного генератора имеющего два смещенных по осям на 180^o разноименных полюса с катушками возбуждения 12, параллельно установленные с ними постоянные магниты 12а, соединительные проводники 13 от катушек возбуждения 12 к неразрезным контактным кольцам 6, щетки токосъема 7.

На фиг.7 представлена кривая однонаправленного пульсирующего тока. Незначительное колебание по величине объясняется пульсацией, вызванной индуктивностью катушек в моменты разрыва цепи при смене полярности электромагнитов в каждой противолежащей паре. Но в это же время другая пара противолежащих электромагнитов, смещенная по оси на 90^o, будет обеспечивать получение постоянной составляющей электрического тока. За один оборот вала четыре колебания.

На фиг. 8 изображена синусоида переменного тока, получаемая в обмотке статора 8 синхронного генератора, а также в обмотке статора 20, расположенной по горизонтальной оси в униполярном генераторе. За один оборот вала торцевого генератора получаем две синусоиды, т.к. индуктор униполярного генератора имеет две пары полюсов. Четыре колебания в элементах 9 рабочей обмотки на статоре 8 синхронного генератора обеспечивается наличием четырех рядов этих элементов обмотки.

Устройство фактически состоит из совмещенных в одном изделии двух генераторов, синхронного и униполярного. Синхронный генератор (на фиг.1 с левой стороны) имеет индуктор с параллельно установленными в нем электромагнитами 12 и постоянными магнитами 12а, служит для самовозбуждения посредством наведения переменного тока в обмотке статора 8, который через выпрямляющее устройство 15, токосъемные щетки 17 и пластины 18 разрезного контактного кольца поступает в катушки возбуждения 26 униполярного генератора (на фиг.1 показан с правой стороны), на статоре 20 которого установлены элементы рабочих обмоток 21, 27 соответственно однонаправленного и переменного тока. Выводы 23 обмотки однонаправленного тока выходят на внешнюю сеть, а также через неразрезные контактные кольца 6 в электромагниты 12 индуктора синхронного генератора, которые, работая параллельно с постоянными магнитами 12а, увеличивают МДС, а это вызовет увеличение тока возбуждения в элементах 21 обмотки униполярного генератора, что в свою очередь будет способствовать увеличению тока возбуждения синхронного генератора. Такая взаимосвязь сохраняется постоянно с обеспечением самовозбуждения предлагаемого устройства генератора.

Превращение обмоток выходного напряжения из подвижных в неподвижные с исключением из их цепи множественных контактных колец с щетками токосъема существенно повышает надежность работы устройства.

Использование ферромагнитных секторных элементов обмотки вместо немагнитных круглого сечения позволяет повысить равномерность распределения магнитного потока в воздушном зазоре, т.к. значительно уменьшено количество зубцово-пазовых зон, а сами элементы обмотки служат продолжением магнитопровода.

Замена кольцевых катушек возбуждения на радиальное размещение электромагнитов позволяет создать лучшие условия для увеличения магнитодвижущей силы и обеспечения равномерности магнитной индукции. Самовозбуждающийся торцовый генератор переменного и однонаправленного тока может быть изготовлен с малой мощностью, напряжением до 250 В.

В качестве первичного двигателя может быть использована энергия ветра, воды, двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель.

Примером реализации предложенного устройства может быть изготовление генератора, мощностью 4-5 кВт для ветроагрегата с использованием экологически чистой ветровой энергии с целью электроснабжения фермерских хозяйств. Переменный ток в фермерском хозяйстве используется для освещения, приготовления пищи, отопления, питания электродвигателей, бытовых приборов, а однонаправленный ток для зарядки аккумуляторов, производства сварочных работ.

Более мощные генераторы 30-50 кВт могут быть использованы в ветроустановках для электроснабжения удаленных промышленных и сельскохозяйственных потребителей, не имеющих связи с государственной энергосистемой. Изложенные выше примеры не исчерпывают всех случаев применения предлагаемого торцевого генератора, а являются лишь иллюстрацией. На практике могут быть использованы и другие варианты, например как товар народного потребления для продажи ветроагрегатов мощностью 3-5 кВт для электроснабжения дачных участков, садовых участков.

Предложенное устройство торцевого генератора является простым, более удобным для разборки и сборки, доступным для эксплуатационного надзора за работой токосъемных щеток и контактных колец.

Изменение устройства прототипа согласно принятому техническому решению, связанного с взаимной сменой подвижной и неподвижной частей, вводом в схему возбуждения разрезного и неразрезного контактных колец с токосъемными щетками как средства токосъема и коммутации, замены кольцевой обмотки возбуждения на ряд радиально-рассредоточенных катушек возбуждения, устранение скользящих контактов токосъема в выходной цепи обеспечивают возможность осуществления изобретения с получением положительного эффекта, а именно позволяет повысить надежность работы торцевого генератора за счет устранения скользящих контактов с щетками из выходной электрической цепи.

Совмещение в одном изделии синхронного и униполярного генераторов обеспечило возможность самовозбуждения устройства, одновременного производства переменного и однонаправленного тока, а самовозбуждение предложенного устройства обеспечено за счет ввода постоянных магнитов.

Дополнительным положительным эффектом предлагаемого устройства является улучшение эксплуатации, так как для замены щеток не требуется разборка машины (у прототипа щетки закрыты магнитопроводом статора и недоступны даже для визуального контроля).

Кроме технических улучшаются также и экономические показатели. Предлагаемое устройство генератора более дешево при изготовлении, так как не требует расхода дорогостоящего цветного металла для изготовления рабочих обмоток выходного напряжения.

Использование: источники электропитания постоянного и переменного тока. Сущность изобретения: генератор представляет собой совмещенные синхронный и униполярный торцевые генераторы с взаимным самовозбуждением, содержит два статора с тремя рабочими обмотками, два индуктора с катушками возбуждения, постоянными магнитами и двумя щеточно-контактными устройствами. Технический результат: одновременное производство постоянного и переменного тока, повышение надежности. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Самовозбуждающийся торцовый генератор переменного и однонаправленного тока, содержащий статор с магнитопроводом и якорь с обмоткой, отличающийся тем, что устройство образовано в одном корпусе с размещением в нем синхронного и униполярного генераторов, подвижные индукторы генераторов размещены на одной оси, каждый со своим магнитопроводом и катушками возбуждения, параллельно с электромагнитами синхронного генератора установлены одноименнополюсные с ними постоянные магниты, концы катушек возбуждения синхронного генератора соединены проводниками с неразрезными контактными кольцами, а концы катушек возбуждения униполярного генератора с разрезным контактным кольцом, статор униполярного генератора снабжен обмотками выходного напряжения переменного и однонаправленного тока, причем выводные концы обмотки однонаправленного тока соединены проводниками через щетки и неразрезные контактные кольца с обмоткой возбуждения синхронного генератора, а выводные концы обмотки переменного тока синхронного генератора через выпрямитель выходят на токосъемные щетки и через разрезное контактное кольцо в обмотку возбуждения униполярного генератора. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что на магнитопроводе статора униполярного генератора радиально уложены две независимые одна от другой обмотки из последовательно соединенных ферромагнитных секторных элементов, одна с однонаправленной ЭДС, возбуждаемой одноименнополюсными электромагнитами, между элементами обмотки которой образованы промежутки, и другая обмотка переменной ЭДС с размещением ее элементов в промежутках между элементами обмотки однонаправленной ЭДС, а на магнитопроводе статора синхронного генератора размещены с образованием нейтральных промежутков такие же последовательно соединенные секторные элементы обмотки. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что устройство имеет два подвижных индуктора, выполненных в виде размещенных на одном валу радиальных магнитопроводов с катушками возбуждения. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что скользящие контакты размещены в схемах возбуждения генераторов.