СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ Российский патент 2004 года по МПК H02G1/02 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транспортных устройствах, а именно в источниках питания бортовой сети автомобилей, тракторов, вездеходов и т.д.

Обычно питание бортовой сети транспортных средств осуществляется от параллельно включенных аккумуляторной батареи и генератора постоянного тока, который приводится во вращение от двигателя внутреннего сгорания. В качестве основного источника электроэнергии на серийных транспортных средствах применяются коллекторные генераторы постоянного тока, а также вентильные генераторы, имеющие ротор с постоянными магнитами (см. [1]. Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования/Под ред. М.Н.Фесенко. - М.: Машиностроение, 1992, - 381 с.).

Наличие щеточно-коллекторного узла является главным недостатком коллекторных генераторов и приводит к снижению срока службы генератора, меньшей надежности, неблагоприятным массогабаритным характеристикам. Генераторы с постоянными магнитами характеризуются сложной технологией изготовления, нестабильностью параметров, повышенной мощностью устройств стабилизации выходного напряжения, большой стоимостью.

Надежный ротор имеют индукторные генераторы (см. [2]. Альпер Н.Я., Терзян А.А. Индукторные генераторы. - М.: Энергия, 1970, - 192 с.), однако для них характерно неудовлетворительное использование электрической машины по стали из-за однонаправленного (пульсирующего) магнитного потока и плохих массогабаритных показателей.

Находят также применение бесконтактные синхронные генераторы с возбудителем и вращающимся выпрямителем, с многофазной обмоткой якоря (статора) и силовым многофазным выпрямителем на выходе генератора. В качестве ближайшего аналога выбрана схема возбудителя по [3] - патенту США 4121148, МКИ Н 02 К 19/34; Н 02 Р 9/14; [Бесконтактный синхронный генератор] Brushless synchronous generator system; Hubert Platzer, Dipl. - Ing. Hitzinger & Co., Linz, Austria - №790263; Заявл. 25.04.1977; Опубл. 17.10.1978. Однако размещение на роторе вращающейся обмотки возбуждения и диодов выпрямителя снижает механическую надежность генератора и не позволяет получить высокие угловые скорости вращения ротора.

В основу предлагаемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении надежности электроэнергетической установки.

Решение поставленной задачи достигается тем, что синхронный реактивный генератор автономной энергетической установки, содержащий синхронную реактивную машину с многофазной силовой (основной) обмоткой, многофазную схему выпрямления и аккумуляторную батарею, согласно изобретению снабжен дополнительными обмотками возбуждения с полным шагом, управляемыми возбудителями и датчиком положения ротора генератора, при этом обмотки возбуждения размещены в пазах статора так, что магнитные оси их равномерно распределены вдоль воздушного зазора с образованием симметричной многофазной магнитной системы и подключены к выходам управляемых возбудителей, первые управляющие входы возбудителей соединены с источником задания величины тока возбуждения, а вторые входы соединены с выходом датчика положения ротора генератора.

Для управления синхронным реактивным генератором автономной энергетической установки предлагается способ, включающий создание магнитного потока, направленного по продольной магнитной оси ротора, в котором согласно изобретению в зависимости от сигнала с выхода датчика положения ротора генератора по дополнительным обмоткам возбуждения тех фаз, витки которых располагаются напротив межполюсных промежутков ротора, поочередно пропускают импульсы тока от управляемых возбудителей.

Особенность предлагаемого решения состоит в том, что возбуждение синхронного генератора по продольной оси ротора создается не обмоткой возбуждения, расположенной на роторе, как в обычных синхронных генераторах (и которая отсутствует в предлагаемом генераторе), а током той фазы из дополнительных обмоток возбуждения, размещенных на статоре, витки которой в рассматриваемый момент времени расположены напротив межполюсного промежутка ротора и магнитная ось которой направлена, следовательно, вдоль продольной оси машины. При вращении ротора синхронного генератора витки обмотки возбуждения предыдущей фазы оказываются расположенными не в межполюсном промежутке, а напротив полюса ротора, поэтому ток в этой фазе уменьшают до нуля. Вместе с тем межполюсный промежуток надвигается на витки следующей фазы обмотки возбуждения, ток в которой устанавливают равным току возбуждения генератора. Когда ротор генератора делает один полный оборот (электрический), токи во всех фазах обмоток возбуждения генератора поочередно устанавливают равными току возбуждения генератора, пока витки этих фаз располагаются напротив межполюсного промежутка ротора.

Таким образом, предлагаемые устройство и способ позволяют создать регулируемое вращающееся синхронно с частотой вращения ротора поле возбуждения генератора с помощью неподвижной m-фазной обмотки возбуждения, расположенной на статоре. При этом m - число фаз дополнительной обмотки возбуждения - может и не совпадать с числом фаз основной (силовой) обмотки статора. Важно только, чтобы в процессе вращения ротора генератора переключением токов в фазах обмотки возбуждения гарантировался непрерывный поток возбуждения по продольной оси. При этом ротор имеет явнополюсную конструкцию и не несет на себе обмоток.

Предлагаемое техническое решение имеет следующие особенности: простота конструкции обеспечивает высокую технологичность изготовления электрической машины, бесконтактное исполнение в сочетании с “холодным” не содержащим обмоток ротором повышает надежность работы подшипников и всей машины, возможность выполнить ротор массивным (т.е. полюса ротора и вал из одной цельной заготовки) существенно повышают его прочность и поперечную жесткость, что позволяет получать высокие угловые скорости и большие перегрузки по моменту.

Проведенное исследование патентной и научно-технической литературы аналогичных устройств и способов не выявило, поэтому заявитель и авторы считают, что предлагаемые устройство и способ характеризуются новизной.

Предлагаемое техническое решение, по мнению заявителя и авторов, удовлетворяет критерию “изобретательский уровень”, так как оно характеризуется новой совокупностью признаков, не известных из уровня техники.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:

- на фиг.1 - схематичный поперечный разрез синхронного генератора;

- на фиг.2 - пример функциональной схемы;

- на фиг.3 - графики токов и напряжений в отдельных участках схемы, соответствующих одному из возможных вариантов. Здесь обозначены: Ix, Iy, Iz - токи в дополнительных обмотках возбуждения, расположенных в плоскостях статора Х-х, Y-у, Z-z; Еа, Ев, Ес - фазные ЭДС вращения, наводимые в основных (силовых) обмотках, расположенных в плоскостях статора А - а, В - в, С - с; α - угол поворота вала ротора генератора.

На фиг.1 представлен в разрезе пример трехфазного генератора, когда в пазах статора 1, расположенных в плоскостях А - а, В - в, С - с, сдвинутых пространственно на 120 градусов, размещены основные (силовые) обмотки 2, 3 и 4, соединенные по схеме “прямая звезда”, и основные (силовые) обмотки 5, 6 и 7, соединенные по схеме “обратная звезда”. Таким образом, в каждом из пазов, расположенных в плоскостях А - а, В – в, С - с, уложено по две встречные обмотки, принадлежащие одной фазе разных звезд. Обмотки 2, 3, 4, 5, 6 и 7 образуют одну многофазную электрическую схему.

Ротор 8 генератора выполнен явнополюсным. В примере генератора, изображенном на фиг.1, длина полюсной дуги ротора составляет 120 градусов, а межполюсного промежутка - 60 градусов.

Кроме силовых обмоток, на статоре 1 аналогичным образом в плоскостях Х - х, Y - у, Z - z размещены дополнительные обмотки возбуждения 9, 10 и 11, выполненные с полным шагом.

Кроме изображенной на фиг.1, возможны и другие версии обмоток в генераторе, например, с другим числом фаз, с различным числом фаз обмоток силовых и возбуждения, размещаться не в разных, а в одних и тех же пазах статора.

Силовые обмотки 2, 3 и 4, соединенные в "прямую звезду" 12, и силовые обмотки 5, 6 и 7, соединенные в "обратную звезду" 13 (см. фиг.2), через неуправляемые выпрямители 14 и 15, выполненные по трехфазной нулевой схеме, и уравнительный реактор 16 подключены параллельно с аккумуляторной батареей 17 к бортовой сети постоянного тока. Дополнительные обмотки возбуждения 9, 10 и 11 подключены к выходам управляемых возбудителей 18, 19 и 20. Управляемые возбудители идентичны друг другу.

Первый вход каждого из управляемых возбудителей подключен к источнику напряжения Uзв, задающего требуемую величину тока возбуждения генератора. Второй вход каждого из тех же возбудителей подключен к выходу датчика 21 положения ротора генератора. Датчик 21 механически связан с ротором 8 генератора.

За исходное состояние схемы принимается мгновенное состояние всех ее элементов, когда вращающийся по часовой стрелке ротор 8 занимает пространственное положение, как на фиг.1. На фиг.3 это положение обозначено α₀. В целях наглядности изложения начало отсчета угла поворота ротора α на графиках (фиг.3) и исходное положение ротора α₀ (фиг.1) выбраны несовпадающими. В положении ротора α₀, принятом за исходное, проводники одной из обмоток возбуждения (а именно обмотки 11, расположенной в плоскости Z - z), находятся напротив межполюсного промежутка ротора 8. По этой обмотке, пока она расположена напротив этого промежутка, от своего управляемого возбудителя 20 пропускают ток в направлении, указанном на фиг.1, которое принято за отрицательное. Здесь и далее, как это принято в учебной литературе по электрическим машинам, ток и ЭДС в проводнике обмотки электрической машины считаются положительными, если они направлены за плоскость чертежа. Ток и ЭДС фазы считаются положительными, когда они в началах фаз (проводники А, В, С, X, Y, Z) направлены за плоскость чертежа (см., например, Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для вузов. - Л.: Энергия, 1974, - 840 с.). Величина тока в обмотке возбуждения 11 соответствует напряжению задания Uзв.

Благодаря току, протекающему по обмотке 11, генератор намагничен в продольном направлении, поэтому в проводниках обмоток, расположенных напротив полюсов ротора, наведены ЭДС вращения. При этом в проводниках, лежащих напротив верхнего полюса, знаки ЭДС положительны, а напротив нижнего отрицательны.

В фазе А - а в положении ротора, принятом на фиг.1 за исходное, проводит только та обмотка, в которой вентилями выпрямителя 14 выпрямляются положительные полуволны ЭДС, т.е. обмотка 2, принадлежащая звезде 12 и выпрямителю 14. В обмотке 5 ЭДС наводится, но она направлена в не проводящем для вентилей выпрямителя 15 направлении. Поэтому тока в ней нет. В фазе С - с проводит ток обмотка 7, принадлежащая обратной звезде 13 и выпрямителю 15. В обмотках 3 и 6 фазы В - в ЭДС не наводятся, так как в рассматриваемый момент времени проводники этой фазы располагаются в зоне межполюсного промежутка, где индукция в воздушном зазоре равна нулю. В обмотках возбуждения 9 и 10, проводники которых уложены в плоскостях Х - х и Y - y и которые в рассматриваемый момент времени располагаются над полюсами ротора, ЭДС вращения наводятся, но токи в них отсутствуют, что обеспечивается соответствующей работой возбудителей 18 и 19.

Направления токов во всех обмотках статора, соответствующие описанному исходному мгновенному положению ротора 8 генератора, указаны на фиг.1.

Схема работает следующим образом.

При вращении ротора генератора его полюса перемещаются поперек проводников обмоток статора. Когда края полюсов ротора 8 надвинутся на проводники обмотки 11, лежащие в плоскости Z - z (т.е. эта обмотка окажется над полюсом), то, используя сигнал датчика 21 положения ротора, с помощью управляемого возбудителя 20 ток в этой обмотке возбуждения уменьшают до нуля.

В это же самое время проводники следующей фазы обмотки возбуждения (а именно обмотки 10, проводники которой лежат в плоскости Y - y) окажутся напротив межполюсного промежутка. В этом положении ротора 8, используя сигнал датчика 21 положения ротора, с помощью управляемого возбудителя 19 в обмотке 10 устанавливают ток соответствующим по величине сигналу задания Uзв, а по знаку - положительным.

Осуществляя таким образом через каждые 60 градусов переключения токов в фазных обмотках возбуждения, обеспечивают пространственное круговое движение магнитодвижущей силы возбуждения вдоль окружности воздушного зазора машины так, что эта магнитодвижущая сила перемещается синхронно с вращающимся ротором генератора. Благодаря такому совместному вращательному движению ротора генератора и магнитодвижущей силы возбуждения достигается непрерывное возбуждение генератора в продольном направлении.

Графики изменения токов в дополнительных обмотках возбуждения и ЭДС вращения, наводимых в основных (силовых) обмотках, изображенные на фиг.3, подтверждают описываемый принцип работы генератора. Здесь за начало отсчета угла поворота вала ротора генератора принято положение, когда сбегающий край верхнего полюса генератора при вращении ротора по часовой стрелке (см. фиг.1) совмещается с осью обмотки Х - х. Чтобы обеспечить постоянство знака магнитного потока, проходящего через ротор генератора, принята следующая последовательность знаков импульсов токов в обмотках возбуждения: - Ix; +Iz; -Iy; +Ix; -Iz; +Iy. При этом каждый импульс имеет длительность 60 градусов, а все они в совокупности обеспечивают непрерывность возбуждения в течение полного оборота ротора. Пространственное положение ротора, изображенное на фиг.1, соответствует углу поворота ротора α₀ на графиках фиг.3, заключенному в интервале от 270 до 300 градусов.

Проводимость тока в обмотке каждой фазы основной (силовой) обмотки составляет 120 градусов. При этом звезда 12 и выпрямитель 14 пропускают положительные полуволны напряжения этих обмоток, а обратная звезда 13 и выпрямитель 15 - отрицательные.

Промышленная применимость предлагаемого решения

Автономная энергетическая установка с предлагаемым генератором и способом управления им благодаря бесконтактности схемы и высокой механической прочности и жесткости ротора может быть рекомендована в первую очередь для транспортных установок, работающих в тяжелых и особо тяжелых условиях эксплуатации (например, вездеходы, промышленные тракторы). Она может быть рекомендована и для общепромышленных установок.

Источники информации

1. Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования / Под ред. М.Н.Фесенко. - М.: Машиностроение, 1992, - 381 с.

2. Альпер Н.Я., Терзян А.А. Индукторные генераторы. - М.: Энергия, 1970, - 192 с.

3. Патент США 4121148, МКИ Н 02 К 19/34; Н 02 Р 9/14; [Бесконтактный синхронный генератор] Brushless synchronous generator system; Hubert Platzer, Dipl. - Ing. Hitzinger & Co., Linz, Austria - №790263; Заявл. 25.04.1977; Опубл. 17.10.1978.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транспортных устройствах, а именно в источниках питания бортовой сети автомобилей, тракторов, вездеходов и т.д. Синхронный реактивный генератор автономной энергетической установки содержит синхронную реактивную машину с многофазной основной (силовой) обмоткой, многофазную схему выпрямления и аккумуляторную батарею. В пазах его статора размещены дополнительные обмотки возбуждения с полным шагом, а их магнитные оси равномерно распределены вдоль воздушного зазора и образуют симметричную многофазную магнитную систему. Эти обмотки возбуждения подключены к выходам управляемых возбудителей, при этом первые управляющие входы возбудителей соединены с источником задания величины тока возбуждения, а вторые входы соединены с выходом датчика положения ротора генератора. Способ управления синхронным реактивным генератором автономной энергетической установки включает создание магнитного потока, направленного по продольной магнитной оси ротора, который заключается в том, что в зависимости от сигнала с выхода датчика положения ротора генератора по дополнительным обмоткам возбуждения тех фаз, витки которых располагаются напротив межполюсных промежутков ротора, поочередно пропускают импульсы тока от управляемых возбудителей. Техническим результатом является повышение надежности генератора, упрощение конструкции ротора. 2 н.п. ф-лы.

1. Синхронный реактивный генератор автономной энергетической установки, содержащий синхронную реактивную машину с многофазной основной (силовой) обмоткой, многофазную схему выпрямления и аккумуляторную батарею, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными обмотками возбуждения с полным шагом, управляемыми возбудителями и датчиком положения ротора генератора, при этом обмотки возбуждения размещены в пазах статора так, что магнитные оси их равномерно распределены вдоль воздушного зазора с образованием симметричной многофазной магнитной системы и подключены к выходам управляемых возбудителей, первые управляющие входы возбудителей соединены с источником задания величины тока возбуждения, а вторые входы соединены с выходом датчика положения ротора генератора.2. Способ управления синхронным реактивным генератором автономной энергетической установки, включающий создание магнитного потока, направленного по продольной магнитной оси ротора, отличающийся тем, что в зависимости от сигнала с выхода датчика положения ротора генератора по дополнительным обмоткам возбуждения тех фаз, витки которых располагаются напротив межполюсных промежутков ротора, поочередно пропускают импульсы тока от управляемых возбудителей.