ГЕНЕРАТОР ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкциям магнитоэлектрических генераторов тока, 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.

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

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

Задача решается тем, что предлагаемый генератор тока (ГТ), содержащий корпус с подшипниками, опирающимися на вал, дисковые магнитопроводы и аксиально намагниченные основные постоянные магниты с чередующейся полярностью, катушки обмоток статора, отличаются тем, что снабжен датчиками положения ротора, блоком управления, дополнительными рядами постоянных магнитов, размещенными между основными магнитами, причем вал выполнен полым с отверстиями с закрепленными на нем дисками электрических блоков статора, чередующихся с постоянными магнитами, каждый из блоков содержит диэлектрическое кольцо с отверстием, контактами и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и обмотки, выполненные в виде квазикольцевых катушек, выводы которых присоединены к контактам диэлектрического кольца и объединены в фазовые секции, при этом постоянные магниты установлены в обоймах, соединены между собой с образованием корпуса и тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки статора, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора подключены к контактам диэлектрического кольца и через отверстия этого кольца и полого вала подключены к управляющим входам блока управления, фазовые секции катушек также подключены к контактам диэлектрического кольца, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно, или последовательно-параллельно и через отверстия диэлектрических колец и полого вала подключены к электрической нагрузке, а другими выводами - к силовым ключам блока управления.

Генератор тока может отличаться тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами горизонтально к оси вала.

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

Такие конструкции позволяют значительно уменьшить габариты генераторов. Генератор тока может отличаться тем, что обмотки катушек выполнены из электропроводной ленты, например сверхпроводящей, покрытой изоляцией. При этом уменьшается активное сопротивление обмоток и увеличивается удельная мощность генератора.

Генератор тока (ГТ) 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 генератора тока поясняются чертежами, где
- на фиг. 1 показан один из вариантов реализации ГТ, состоящий из трех тороидальных магнитов, установленных в обоймах ротора, чередующихся 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 ГТ с блоком управления, состоящим из силовых, тиристорных ключей, коммутирующих секции катушек к электрической нагрузке и управляемых датчиками Холла;
- на фиг. 3 - конструктивное исполнение электрического блока, содержащего диэлектрическое кольцо с отверстием, контактами и радиатор, в пазах которого установлены ленточные катушки и датчики положения чередующегося магнитного поля ротора, например датчики Холла;
- на фиг. 4 - топология контактов диэлектрического кольца с отверстием, обеспечивающих электрическое соединение катушек в три фазовые секции и соединение датчиков положения ротора между собой, нагрузкой, блоком управления и другими электрическими блоками;
- на фиг. 5 - эпюры напряжения в электрических блоках в зависимости от положения фазовых секций катушек и чередующегося магнитного поля ротора;
- на фиг. 6 и 7 представлены схемы размещения магнитов и электрических блоков, установленных тороидальными зазорами под углом и горизонтально оси вала соответственно.

Генератор содержит корпус, состоящий из двух дисковых магнитопроводов 1 на подшипниках 2, сидящих на полом валу 3 статора и упирающихся на торцы крайних магнитов 4. Три магнита 4 чередуются с двумя электрическими блоками 5, содержащими диэлектрическое кольцо 6 с контактами 15, отверстием и радиатор 7.

Диэлектрическое кольцо 6 электрическими контактами соединяет шесть ленточных катушек 8 в три фазовые секции и три датчика 9 положения ротора, например датчика Холла, регистрирующих положение ротора по изменению чередующегося поля магнита 4. Датчики 9 соединены с управляющими входами блока 12 управления. Фазовые секции катушек 8 смещены друг относительно друга на 60, а датчики 9 - на 120 градусов и в процессе перемещения ротора формируют три группы сигналов управления силовыми ключами 14 блока 12 управления. Силовые ключи 14 обеспечивают синхронное автоматическое подключение фазовых секций катушек 8 к общему проводу, другие концы обмоток катушек 8 подключены к электрической нагрузке 13, например к аккумулятору.

Катушки 8 и датчики 9 установлены в пазах радиатора 7, который обеспечивает отвод тепла и механическую прочность электрического блока 5. Все магниты 4 установлены в обоймах 10, соединены между собой и с магнитопроводами 1 с образованием корпуса генератора и двух тороидальных зазоров 11, в пространстве которых размещены электрические блоки 5, закрепленные на полом валу 3 статора. Ряды магнитов 4 установлены в обоймах 10 и формируют корпус генератора таким образом, что их чередующиеся магнитные поля направлены навстречу друг другу (см. фиг. 5) и замыкаются магнитопроводами 1, при этом напряженность магнитного поля всех магнитов 4 суммируется в тороидальных зазорах 11 и взаимодействует с фазовыми секциями катушек 8, установленных в электрических блоках 5 статора, создавая в них в процессе вращения ротора электродвижущую силу (ЭДС).

При выполнении катушек 8 из сверхпроводящей изолированной ленты электрическое сопротивление обмоток уменьшается и соответственно увеличиваются КПД и удельная мощность генератора.

Фазовые секции катушек 8 в различных рядах электрических блоков 5 подключены параллельно, возможно и последовательное, а также последовательно-параллельное подключение фазовых секций катушек, при этом электродвижущая сила, наведенная в фазовых обмотках, будет суммироваться и соответственно возрастать.

Изменение схемы подключения фазовых секций катушек 8 дает возможность управлять величиной электродвижущей силы генератора, т.е. величиной и формой выходного напряжения и тока генератора.

Силовые ключи 14 могут быть выполнены на основе симметричных тиристоров, это дает возможность формировать на нагрузке переменную электродвижущую силу, т. е. создавать генераторы переменного тока. Когда силовые ключи включаются только на одну, например, положительную фазу ЭДС, на нагрузке создается однополярное, т.е. постоянное, напряжение.

Генератор тока предлагаемой конструкции работает следующим образом. При вращении ротора в фазовых секциях катушек 8 электрических блоков 5 возникает ЭДС, которая суммируется при соответствующем подключении секции катушек в фазовое напряжение на нагрузке.

Поскольку предложенное объединение рядов электрических блоков 5 и расположение тороидального магнитного поля 11 с чередующейся полярностью формируют в зазоре напряженность поля, которая вызывает срабатывание датчиков 9 положения ротора, происходит срабатывание силовых ключей 14 под действием сигналов I₁, I₂, I₃, поступающих от датчиков 9, которые подключают ЭДС, возникающие в обмотках фазовых секций катушек 8, в соответствующих фазовых соотношениях к электрической нагрузке 13 (см. фиг. 5). При этом возникает фазовое, суммарное, напряжение на нагрузке 13, , обеспечивающее высокий КПД и высокую удельную мощность генератора.

Потокосцепление магнитного поля с обмотками приводит к возникновению ЭДС в зависимости от положения чередующегося поля ротора, определяющего возникновение в фазовых обмотках электродвижущей силы U₁, U₂, U₃.

Это приводит к появлению напряжения индукции по синусоидальному закону. В течение периода оно дважды меняет знак, т.е. является переменным напряжением. Суммирование ЭДС, наводимых в нескольких фазовых секциях катушек в тороидальных, с чередующейся полярностью, зазорах 11 нескольких магнитов, дает возможность получить высокую удельную мощность генератора, а также и КПД. Таким образом, изобретение позволяет при высоком уровне унификации узлов и деталей производить генераторы, конкурентоспособные на мировом рынке.

Литература
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 N 30, 1993 г.

Использование: в магнитоэлектрических генераторах тока, приводимых во вращение, например, ветровым лопастным колесом. Генератор тока содержит корпус с подшипниками, опирающимися на полый вал, на котором жестко закреплены дисковые магнитопроводы и аксиально намагниченные магниты с чередующейся полярностью. Выводы катушек пропущены за пределы генератора на электрическую нагрузку. Дополнительно ряд постоянных магнитов размещен между основными магнитами. Вал выполнен полым с отверстиями и с закрепленными на нем дисками. Диски изготовлены в виде электрических блоков, чередующихся с постоянными магнитами. Электрические блоки содержат диэлектрическое кольцо с отверстием и контактами и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и обмотки. Выводы обмотки присоединены к контактам диэлектрического кольца и объединены в фазовые секции. Магниты установлены в обоймах, соединены между собой с образованием корпуса и тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки. Выводы датчиков подключены к управляющим входам блока управления. Фазовые секции катушек подключены к контактам колец, а в рядах электрических блоков соединены параллельно или последовательно и через отверстия кольца и полого вала присоединены к нагрузке, а другими выводами к силовым ключам блока управления. Технический результат заключается в повышении КПД и удельной мощности. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Генератор тока, содержащий корпус с подшипниками, опирающимися на вал, дисковые магнитопроводы и аксиально намагниченные основные постоянные магниты с чередующейся полярностью, катушки обмоток статора, отличающийся тем, что он снабжен датчиками положения ротора, блоком управления, дополнительными рядами постоянных магнитов, размещенных между основными магнитами, причем вал выполнен полым с отверстиями, с закрепленными на нем дисками электрических блоков статора, чередующихся с постоянными магнитами, а каждый электрический блок содержит диэлектрическое кольцо с отверстием, контактами и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и обмотки, выполненные в виде квазикольцевых катушек, выводы которых присоединены к контактам диэлектрического кольца и объединены в фазовые секции, при этом постоянные магниты установлены в обоймах, соединены между собой с образованием корпуса и тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора подключены к контактам диэлектрического кольца и через отверстия этого кольца и полого вала подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек также подключены к контактам диэлектрического кольца, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия диэлектрических колец и полого вала присоединены к нагрузке, а другими выводами - к силовым ключам блока управления. 2. Генератор тока по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами горизонтально оси вала. 3. Генератор тока по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты и электрические блоки установлены тороидальными зазорами под углом к оси вала. 4. Генератор тока по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены в виде отдельных секций постоянных магнитов. 5. Генератор тока по п.1, отличающийся тем, что обмотки катушек выполнены из электропроводной ленты, например сверхпроводящей, покрытой изоляцией.