ТОРЦЕВОЙ ГЕНЕРАТОР ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям магнитоэлектрических генераторов тока торцевого типа, приводимых во вращение, например, ветровым лопастным колесом.

Известны магнитоэлектрические торцевые генераторы переменного тока, содержащие корпус, приводной вал, на котором закреплен ротор с магнитопроводами и постоянными магнитами, размещенными по окружности магнитопровода, статор в виде диска с катушками рабочих обмоток [1].

Существенными недостатками этих устройств являются низкий КПД и низкая удельная мощность генератора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является "Торцевой генератор переменного тока" [2], содержащий корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух связанных между собой дисковых магнитопроводов и аксиально намагниченных постоянных магнитов, которые расположены дискретно по окружности обращенных одна к другой стороне магнитопроводов, статор в виде диска из электроизоляционного материала с катушками рабочей обмотки, с элементами для регулирования величины воздушных зазоров между ротором и статором.

Недостатками устройства, как и аналога, являются низкий КПД и низкая удельная мощность генератора.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание торцевых генераторов с высоким КПД и высокой удельной мощностью.

Задача решается тем, что предлагаемый торцевой генератор тока (ТГТ), содержащий корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух дисковых магнитопроводов и закрепленных на них аксиально намагниченных с чередующейся полярностью основных постоянных магнитов, выводы секций обмотки статора пропущены за пределы корпуса, отличается тем, что он снабжен датчиками положения ротора, блоком управления, дополнительными рядами постоянных магнитов, размещенных между основными постоянными магнитами, постоянные магниты закреплены на втулках, сидящих на валу ротора, причем статор выполнен в виде чередующихся с рядами дополнительных постоянных магнитов электрических блоков, содержащих плату и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и секции обмоток, выполненных в виде квазикольцевых катушек, причем постоянные магниты установлены с образованием тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля постоянных магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора и катушек соединены в фазовые секции, а в рядах электрических блоков выводы фазовых секций катушек соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через выводы платы и корпуса подключены к электрической нагрузке, а другими выводами к силовым и управляющим входам блока управления.

Торцевой генератор тока может отличаться тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами под углом к оси вала.

Торцевой генератор тока может отличаться тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами параллельно оси вала.

Такие конструкции дают возможность создавать ТГТ малых габаритов с повышенной удельной мощностью.

Торцевой генератор тока может отличаться тем, что катушки обмоток выполнены из электропроводной ленты, например сверхпроводящей, покрытой изоляцией. При этом уменьшается активное сопротивление обмоток и соответственно значительно повышаются КПД и удельная мощность генератора.

Торцевой генератор тока (ТГТ) может отличаться тем, что магниты выполнены в виде отдельных секций постоянных магнитов.

При этом повышается технологичность производства генераторов и снижается его стоимость, особенно для мощностей от 10 кВт и более.

Конструкция и принцип работы торцевого генератора тока поясняются чертежами, где:
- на фиг. 1 показан один из вариантов реализации ТГТ, состоящий из трех тороидальных магнитов, установленных на втулках, закрепленных на валу ротора, чередующимися с двумя электрическими блоками, закрепленными между собой и статором, при этом тороидальные зазоры установлены под прямым углом к оси вала;
- на фиг. 2 приведена схема электрическая принципиальная ТГТ с блоком управления, состоящим из силовых ключей, коммутирующих секции катушек к электрической нагрузке;
- на фиг. 3 - конструктивное исполнение электрического блока, содержащего печатную плату и радиатор, в пазах которого установлены ленточные катушки и датчики положения чередующегося магнитного поля ротора, например датчики Холла;
- на фиг. 4 - топология печатной платы, обеспечивающей электрическое соединение катушек в три фазовые секции и соединение датчиков положения ротора между собой и блоком управления;
- на фиг. 5 - эпюры напряжений в электрических блоках в зависимости от положения фазовых секций катушек и чередующегося магнитного поля ротора;
- на фиг. 6 и 7 приведены схемы размещения магнитов и электрических блоков, установленных в тороидальных зазорах горизонтально и под углом к оси вала соответственно.

Торцевой генератор тока содержит корпус 1 с опорными подшипниками 2 и приводным валом 3, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух дисковых магнитопроводов 4 и закрепленныx на втулках 5 аксиально намагниченных с чередующейся полярностью двух основных постоянных магнитов 6. Третий дополнительный тороидальный постоянный магнит 6 установлен между основными магнитами и жестко закреплен на втулке 5, установленной на приводном валу 3. Все магниты установлены на втулках 5 с образованием двух тороидальных зазоров 7, в пространстве которых размещены два электрических блока 8. При этом чередующиеся магнитные поля магнитов 6 (см. фиг. 5) направлены навстречу друг другу, замыкаются магнитопроводами 4, суммируются и взаимодействуют с обмотками фазовых секций катушек 11, установленных в электрических блоках 8 статора.

Статор выполнен в виде двух электрических блоков 8, содержащих плату 9 и радиатор 10, в пазах которого установлены три фазовыe секции квазикольцевых катушек 11 по две катушки в каждой секции и три датчика Холла 12, регистрирующих положение ротора по изменению чередующегося поля магнитов 6. Радиатор 10 обеспечивает отвод тепла от обмоток и механическую прочность электрических блоков 8.

Фазовые секции катушек 11 сдвинуты в плоскости радиатора 10 и относительно друг друга на 60^o, а датчики положения 12 на 120^o.

При выполнении обмоток катушек из ленты, например изготовленной из сверхпроводящего материала, активное сопротивление обмотки уменьшается, а величина напряженности электромагнитного поля увеличивается, соответственно увеличиваются КПД и удельная мощность генератора. Выводы датчиков 12 положения ротора подключены к входам силовых тиристорных ключей 13 блока управления 14 и в процессе перемещения ротора формируют три группы сигналов, сдвинутых по фазе на 120^o для управления силовыми ключами 13, которые обеспечивают подключение фазовых секций катушек 9 к общему проводу, другие концы фазовых секций катушек через выводы платы и корпуса подключены к потребителю энергии, например электрической сети или аккумулятору, т.е. к нагрузке.

Фазовые секции катушек 11 в различных рядах электрических блоков 8 в предлагаемом варианте подключены параллельно, возможно последовательное подключение, а также последовательно-параллельное, при этом индуцированное напряжение в обмотках будет суммироваться,
Изменение схемы подключения фазовых секций в рядах электрических блоков 8 дает возможность управлять величиной и формой индуцированного напряжения, т. е. величиной и формой выходного тока генератора, создавая на нагрузке постоянный или переменный ток.

Силовые ключи 13 могут быть выполнены на основе симметричных тиристоров, что дает возможность формировать на нагрузке переменную электродвижущую силу, т.е. создавать генераторы переменного тока.

Когда силовые ключи 13 включаются только на одну, например, положительную фазу ЭДС, на нагрузке создается постоянный ток.

Торцевой генератор тока предлагаемой конструкции работает следующим образом.

При вращении ротора в фазовых секциях катушек 11 электрических блоков 8 возникает ЭДС, которая суммируется при соответствующем подключении секций катушек в фазовое напряжение на нагрузке 15.

Поскольку предложенное объединение рядов электрических блоков и расположение тороидальных магнитов с чередующейся полярностью формирует в зазоре 7 напряженность поля, которая вызывает срабатывание датчиков 12 положения ротора, соответственно происходит срабатывание силовых ключей 13, которые подключают ЭДС, возникающую в обмотках фазовых секций катушек 11, в соответствующих фазовых состояниях к электрической нагрузке 15 (см. фиг. 5). При этом возникает фазовое суммарное напряжение на нагрузке 15, обеспечивающее высокий КПД генератора и высокую удельную мощность.

Потокосцепление магнитного поля с обмотками приводит к возникновению ЭДС в зависимости от положения чередующегося поля ротора, автоматически определяющего возникновение в фазовых обмотках электродвижущей силы с помощью датчиков положения ротора по сигналам управления I₁, I₂, I₃. Это приводит к появлению напряжения индукции в катушках и на нагрузке по синусоидальному закону. В течение периода оно дважды меняет знак, т.е. является переменным током:
Посредством блока управления по сигналам датчиков положения ротора может формироваться и однополярное напряжение, т.е. на нагрузке будет выделяться постоянный ток.

Суммирование в тороидальных зазорах 7 напряженности полей нескольких постоянных магнитов 6, а также суммирование индуцированных напряжений нескольких электрических блоков 5 позволяет получить высокую удельную мощность генератора.

Изобретение позволяет путем набора стандартных электрических блоков и постоянных магнитов создавать необходимую мощность генератора при высоком уровне унификации узлов и деталей.

Список литературы
1. Заявка Великобритании N 1491026, кл. H 02 K 21/00, 1977 г.

2. Патент СССР N 1835116, кл. H 02 K 21/12, БИ 30, 1993 г.

Использование: в генераторах торцевого типа, приводимых, например, ветровым лопастным колесом. Торцевой генератор тока содержит корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором закреплен ротор. Он снабжен датчиками положения ротора, блоком управления, дополнительными рядами постоянных магнитов, закрепленных на втулках, сидящих на валу ротора, размещенных между основными магнитами. Статор выполнен в виде чередующихся с рядами дополнительных магнитов электрическиx блоков. Электрические блоки содержат плату и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и секции обмоток, выполненные в виде квазикольцевых катушек. Магниты установлены с образованием тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки. Выводы датчиков положения ротора и выводы катушек соединены в фазовые секции, а в рядах электрических блоков выводы фазовых секций катушек соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через выводы платы и корпуса подключены к электрической нагрузке, а другими выводами к силовым и управляющим входам блока управления. Технический результат заключается в повышении КПД и удельной мощности. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Торцeвoй генератор тока, содержащий корпус с опорными подшипниками и приводным валом, на котором жестко закреплен ротор, выполненный в виде двух дисковых магнитопроводов и закрепленных на них аксиально намагниченных с чередующейся полярностью основных постоянных магнитов, выводы секций обмоток статора пропущены за пределы корпуса, отличающийся тем, что он снабжен датчиками положения ротора, блоком управления, дополнительными рядами постоянных магнитов, постоянные магниты закреплены на втулках, сидящих на валу ротора, причем статор выполнен в виде чередующихся с рядами дополнительных постоянных магнитов электрических блоков, содержащих плату и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и секции обмоток, выполненных в виде квазикольцевых катушек, причем магниты установлены с образованием тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля постоянных магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора и выводы катушек соединены в фазовые секции, а в рядах электрических блоков выводы фазовых секций катушек соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через выводы платы и корпуса подключены к электрической нагрузке, а другими выводами - к силовым и управляющим входам блока управления. 2. Торцевой генератор тока по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами под углом к оси вала. 3. Торцевой генератор тока по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами горизонтально оси вала. 4. Торцевой генератор тока по п.1, отличающийся тем, что обмотки катушек выполнены из электропроводной ленты, например сверхпроводящей, покрытой изоляцией. 5. Торцевой генератор тока по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены в виде секций постоянных магнитов.