СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2000 года по МПК H02K21/24 H02K9/04 

Изобретение относится к электротехникe, в частности к устройству автомобильных генераторов.

Известен автономный регулируемый источник переменного тока, содержащий синхронный генератор, на статоре которого размещены основная и дополнительная якорные обмотки, а на роторе, механически связанном с первичным двигателем, - обмотка возбуждения, подключенная через выпрямители к основной и дополнительной якорным обмоткам [1] . Но известное техническое решение имеет существенные недостатки:
- наличие скользящих контактов (кольца и щетки) существенно снижает надежность генератора;
- наличие двух трехфазных обмоток усложняет устройство генератора, увеличивает его размеры и вес.

Известна электрическая машина с газовым охлаждением, содержащая корпус с встроенными газоохладителями, вентиляторы с камерами разpeжения и нагнетания, ротор с обмоткой с непосредственным охлаждением с чередующимися по длине ротора зонами забора холодного газа через заборники и зонами выброса горячего через дефлекторы, сердечник статора с разделительными вентиляционными каналами, подразделенный вместе с пространством между корпусом и сердечником по всей активной длине в потенциальном направлении на четное число секторов, поочередно сообщающихся с разноименными каналами вентиляторов и непосредственно соединенных с камерами нагнетания, обращенных к зонам ротора, расположенным между заборниками и дефлекторами, установлены закрепленные на пазовых клиньях статора перегородки [2]. Но известное техническое решение также имеет существенные недостатки:
- слишком сложна система охлаждения электрической машины;
- изготовление такой машины слишком трудоемко, а значит, машина имеет высокую себестоимость изготовления.

Известно также устройство торцевого генератора переменного тока, содержащего корпус, приводной вал с жестко закрепленным на нем ротором, выполненным в виде двух связанных между собой дисковых магнитопроводов и аксиально нaмагниченных постоянных магнитов, которые расположены дискретно по окружности обращенных одна к другой сторон магнитопроводов, статор в виде диска из электроизоляционного материала с катушками рабочей обмотки, который установлен с торцевыми зазорами между дисковыми магнитопроводами ротора, снабженного упругими элементами для регулирования величины воздушных зазоров между ротором и статором, катушки обмотки возбуждения, выполненные в виде полых цилиндров и размещенные в отверстиях диска статора [3]. Нo устройство известного торцевого генератора имеет существенные недостатки:
- слишком сложно устройство такого генератора;
- слабая стабильность параметров, связанная с механическими перемещениями его узлов;
- с течением времени жесткость гибких элементов изменяется.

Наиболее близким техническим решением является синхронная электрическая машина, содержащая ротор с постоянными магнитами, статор, в пазах которого расположена m-фазная якорная обмотка, и расположенный между ротором и якорной обмоткой подмагничиваемый шунт, на котором размещена тороидальная обмотка подмагничивания [4].

Но и данное техническое решение не лишено существенных недостатков, основныe из которых следующие:
- применение для регулирования напряжения шунтирующего участка магнитной цепи с регулируемым магнитным сопротивлением по сравнению с последовательным участком значительно менее эффективно;
- наличие одного подмагничиваемого шунта малоэффективно для генератора значительно мощности, особенно при малых напряжениях, если обмотки из m-фаз должны быть выполнены толстым проводом.

Задачей изобретения является разработка компактного генератора со стабильным напряжением при значительных изменениях частоты вращения его вала.

Поставленная задача может быть решена при выполнении следующих условий. Каждая из расположенных в статоре фазных обмоток основной трехфазной обмотки синхронного генератора должна быть выполнена волновой путем наложения медной изолированной ленты друг на друга. Каждая фазная обмотка расположена в своем слое, а крайние слои отделены от среднего устройством регулирования магнитной индукции в воздушном зазоре генератора. Устройство регулирования состоит из двух частей, каждая из которых расположена между средней фазной обмоткой основной трехфазной обмотки и одной из крайних. Каждая часть устройства регулирования имеет два магнитопровода разных диаметров, разделенных каркасом с намотанной на нем тороидальной обмоткой подмагничивания, которая служит для регулирования степени намагниченности тороидальных магнитопроводов, а значит и величины магнитной индукции в зазоре, влияющей на величину напряжения генератора. Величина напряжения генератора прямо пропорциональна магнитной индукции в зазоре и частоте вращения ротора, влияющий на скорость изменения магнитной индукции. Если частота вращения вала не может быть стабилизирована, то необходимо предусмотреть возможность изменения магнитной индукции. Таким образом, для стабилизации напряжения генератора необходимо, чтобы степень изменения магнитной индукции была взаимосвязана со скоростью изменения частоты вращения вала генератора, из чего следует, что необходимо иметь сигнал, величина которого прямо пропорциональна частоте вращения вала. Поэтому целесообразно предусмотреть вторую обработку (дополнительную), напряжение на которой прямо пропорционально частоте вращения вала генератора и которое может быть использовано для регулирования магнитной индукции. Если такой генератор использовать для автомобилей, то целесообразность дополнительной обмотки подтверждается необходимостью датчика частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания для регулирования подачи топлива [5-7]. Дополнительную обмотку целесообразно разместить в статоре над одним из роторов, выполнить ее тороидальный, изогнутой в виде зигзагообразной линии, причем количество изгибов этой обмотки равно количеству постоянных магнитов ротора. Для увеличения магнитной индукции в воздушном зазоре генератора фазные обмотки основной трехфазной обмотки в зонах их рабочих частей охвачены пакетами, набранными из листов электротехнической стали, толщина пакетов определяется магнитной индукцией в воздушном зазоре генератора. Для снижения массы генератора необходимо увеличить плотность тока в фазных обмотках основной трехфазной обмотки, но для этого необходимо иметь эффективную систему охлаждения. Один из дисков ротора может быть оборудован осевым компрессором, нагнетающим воздух во внутреннюю кольцевую полость статора. В этой полости на валу генератора против каждой из фазных обмоток основной обмотки укреплены центробежные компрессоры, сжимающие охлаждающий воздух и нагнетающие его в вентиляционные каналы, расположенные против каждого центробежного компрессора между внутренними лобовыми зонами фазных обмоток основной обмотки и сужающие в направлении вала генератора. Поэтому нагнетаемый центробежными вентиляторами в эти каналы воздух расширяется, и его температура понижается при прохождении этих каналов. Для создания воздушных каналов в статоре генератора высота каркасов под обмотки подмагничивания выбрана меньше высоты тороидальных магнитопроводов, входящих в устройство регулирования магнитной индукции. Для отвода теплоты от сжимаемого компрессорами воздуха вал генератора, с которым связаны осевой и центробежный компрессоры, целесообразно выполнить полым для прохождения внутри него холодного воздуха. Каждая из трех фазных обмоток основной обмотки статора генератора создает переменный магнитный поток, пронизывающий вал генератора. Поэтому для снижения магнитных потерь его следует изготовить из немагнитного материала.

При изучении в вышеуказанной области техники других известных технических решений признаки (устройство регулирования магнитной индукции, помещенное между фазными обмотками основной обмотки генератора; наличие дополнительной обмотки, имеющей форму зигзагообразной; применение осевого компрессора и центробежных, совмещенных с дисками ротора), отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию изобретения "новизна".

На чертежах представлены:
фиг. 1 - общий вид генератора;
фиг. 2 - первый диск ротора генератора;
фиг. 3 - статор генератора;
фиг. 4 - устройство регулирования магнитной индукции;
фиг. 5 - второй диск ротора генератора.

Генератор состоит из статора 1, укрепленного в корпусе 2, к которому с двух сторон примыкают подшипниковые щиты: передний 3 и задний 4 с закрепленными в ниx подшипниками 5. Статор с двух сторон охвачен дисками ротора: передним 6 и задним 7. Между фазными обмотками основной обмотки статора 8 расположено устройство регулирования магнитной индукции, в которое входят тороидальные магнитопроводы 9 и 10 и обмотки подмагничивания 11, размещенные на каркасе 12. Обмотки 8 закреплены между наружной обоймой статора 13 и внутренний обоймой 14 и охвачены с обеих сторон пакетами из электротехнической стали 15. Задний диск ротора состоит из корпуса 16, закрепленных в нем постоянных магнитов 17, примыкающих к замыкателю магнитного потока 18. Передний диск ротора состоит из корпуса 19, закрепленных в нем постоянных магнитов 20, примыкающих к замыкателю магнитного потока 21. В корпусе генератора закреплена дополнительная обмотка 22. Система охлаждения генератора состоит из осевого компрессора 23, в который воздух попадает после прохождения через фильтр 24 и направляющий аппарат 25. Против каждой из обмоток статора установлен центробежный компрессор 26. Ротор генератора, центробежные компрессоры укреплены на валу 27 при помощи шпонки 28 и распорных втулок 29.

Генератор работает следующим образом.

При вращении вала генератора 27 приводятся во вращение диски 6 и 7. Это приведет к изменению скорости изменения магнитной индукции, пронизывающей фазные обмотки основной трехфазной обмотки статора 8, в которых наводится ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитной индукции, создаваемой постоянными магнитами ротора. Магнитный поток, созданный постоянными магнитами ротора, имеет аксиальное направление и замыкается через пакеты из электротехнической стали 15 и тороидальные магнитопроводы 9 и 10. При увеличении частоты вращения вала генератора получают питание обмотки подмагничивания 11, величина тока в которых зависит от напряжения дополнительной обмотки 22, которое прямо пропорционально частоте вращения вала генератора. Магнитопроводы 9 и 10 вводятся в насыщение, что приведет к снижению магнитной индукции в воздушном зазоре генератора, а значит, и к скорости ее изменения. При вращении вала 27 приводятся во вращение лопасти осевого компрессора 23, нагнетающие сжатый воздух в полости центробежных компрессоров 26. Нагретый после прохождения осевого компрессора воздух охлаждается за счет холодного воздуха, проходящего внутри вала генератора. Центробежными компрессорами 26 воздух нагнетается к обмоткам статора и охлаждает их.

Источники информации
1. Авт. свид. N 1234944, МКИ H 02 P 9/30, приор. 28.04.83 г.

2. Авт. свид. N 1056375, МКИ H 02 K 9/08, приор. 13.08.82. г.

3. Авт. свид. N 1835116, МКИ H 02 K 21/12, приор. 09.01.92 г.

4. Авт. свид. N 1536483, МКИ H 02 K 21/12, приор. 30.07.87 г. (прототип).

5. Авт. свид. N 1749513, МКИ G 02 D 1/10, приор. 24.12.87 г.

6. Авт. свид. N 1772386, МКИ G 02 D 41/00, приор. 16.10.90 г.

7. Авт. свид. N 1838646, МКИ G 02 D 1/02, G 02 M 45/00, приор. 11.03.91 г.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к особенностям конструктивного выполнения автомобильных генераторов. Сущность изобретения состоит в том, что в стабилизированном синхронном генераторе, содержащем статор с основной трехфазной обмоткой, дополнительную обмотку и тороидальную обмотку подмагничивания, ротор двухдисковой конструкции, по окружности которого расположены аксиально намагниченные постоянные магниты, дополнительно введена вторая тороидальная обмотка подмагничивания, а каждая из трех фазных обмоток основной трехфазной обмотки статора расположена в своем слое, причем средний слой отделен от крайних устройством регулирования магнитной индукции, состоящим из двух частей. Технический результат от использования данного изобретения состоит в разработке компактного генератора со стабильным напряжением при значительных изменениях частоты вращения вала. 9 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Стабилизированный синхронный генератор, содержащий корпус с закрепленным в нем статором, в пазах которого расположены со сдвигом в 120 эл. град. обмотки основной трехфазной обмотки, соединенные в "звезду", дополнительную обмотку и тороидальную обмотку подмагничивания, вал с закрепленным на нем и охватывающим статор с двух сторон ротором двухдисковой конструкции, на котором равномерно по окружности расположены аксиально намагниченные постоянные магниты, систему охлаждения с камерами нагнетания и разрежения, зонами забора холодного воздуха и выброса горячего, вентиляционными каналами, полупроводниковые выпрямители, отличающийся тем, что дополнительно введена вторая тороидальная обмотка подмагничивания, каждая из трех фазных обмоток основной трехфазной обмотки статора расположена в своем слое, причем средний слой отделен от крайних устройством регулирования магнитной индукции, состоящим из двух частей. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что фазные обмотки основной трехфазной обмотки статора выполнены волновыми и образованы положением изолированной медной ленты друг на друга. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что каждая часть устройства регулирования состоит из двух тороидальных магнитопроводов разных диаметров, разделенных тороидальной обмоткой подмагничивания, намотанной на каркасе. 4. Генератор по п.3, отличающийся тем, что ширина каркасов меньше высоты тороидальных магнитопроводов. 5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что дополнительная обмотка выполнена тороидальной, расположена в статоре по окружности над одним из дисков ротора и имеет форму зигзагообразной с количеством зигзагов обмотки, равным количеству постоянных магнитов ротора. 6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что он содержит пакеты из электротехнической стали, охватывающие с двух сторон фазные обмотки основной трехфазной обмотки в зонах их рабочих частей. 7. Генератор по п.1, отличающийся тем, что вал выполнен полым из немагнитной стали. 8. Генератор по п.1, отличающийся тем, что он содержит осевой компрессор, совмещенный с одним из дисков ротора, обращенного к зоне забора холодного воздуха. 9. Генератор по п.1, отличающийся тем, что он содержит три центробежных компрессора, установленных против каждой из трех фазных обмоток основной трехфазной обмотки. 10. Генератор по п.9, отличающийся тем, что против каждого центробежного компрессора статор имеет вентиляционные каналы, расположенные между внутренними лобовыми зонами фазных обмоток основной трехфазной обмотки, сужающиеся в направлении вала генератора.