УЗЕЛ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА, СОСТОЯЩИЙ ИЗ ПРИВОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГЕНЕРАТОРА Российский патент 2005 года по МПК H02K21/22 H02K7/18 

Изобретение относится к узлу электрического генератора, состоящему из приводного двигателя и генератора, в частности из дизельного двигателя и синхронного генератора, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

В заявке Германии 3009279 описан генератор, который может работать от приводной системы автомобиля. Генератор выполнен в виде гетерополярного генератора, ротор которого закреплен на маховике приводной системы, а для возбуждения генератора на его статоре предусмотрены постоянные магниты. Напряжение создается в обмотке статора, закрепленного вокруг ротора на корпусе приводной системы. В этой приводной системе, образованной вместе с автомобильным двигателем, ротор дополняет маховик двигателя, система охлаждения которого косвенно служит также для охлаждения генератора.

Недостаток известного узла "двигатель-генератор" состоит в том, что он имеет большой диаметр, так как его ротор установлен на наружной окружности маховика. Несмотря на объединенную конструкцию двигателя и генератора упрощения конструкции в смысле экономии конструктивных элементов не достигается. Напротив, генератор устанавливается в специально приспособленный корпус передачи двигателя, размеры которого в радиальном направлении должны быть выбраны соответственно большими. Из-за ограниченного объема внутри корпуса передачи, в особенности, в радиальном направлении, электрическая мощность генератора ограничена потребностями бортовой сети автомобиля.

Указанный узел электрического генератора, который, кроме того, скомбинирован с насосным агрегатом, описан в патенте Германии DE 19721527. Ротор генератора, закрепленный на коленчатом валу, образует одновременно маховик двигателя. Генератор охлаждается потоком охлаждающего средства, создаваемым насосным агрегатом. Охлаждение двигателя не описано.

В основу изобретения положена задача усовершенствовать указанный выше узел электрического генератора в конструктивном смысле так, что обеспечивается возможность экономии или многократного использования конструктивных элементов посредством их комбинации, в сочетании с уменьшением веса и малым монтажным объемом генератора как в радиальном, так и в осевом направлениях. Кроме того, узел должен иметь простую конструкцию, которая не создает проблем, связанных с прогибом коленчатого вала, и в которой простым способом обеспечивается охлаждение.

Поставленная задача решена, согласно изобретению, благодаря отличительным признакам п.1 формулы изобретения. При этом:

а) маховик дизельного двигателя заменен ротором генератора, установленным на колесе вентилятора, прикрепленном с торцевой стороны фланцами к коленчатому валу приводного двигателя;

б) статор образован пакетом стальных листов, несущим якорные обмотки;

в) ротор образован пакетом стальных листов, несущим постоянные магниты для создания вращающегося магнитного поля.

Колесо вентилятора эффективно используется для охлаждения как генератора, так и двигателя, занимая при этом мало места.

Выполнение ротора и статора в виде пакета листов позволяет получить конструкцию генератора, особенно выигрышную в отношении экономии объема.

Ротор генератора, представляющий собой наружный ротор, предпочтительно выполнен таким образом, что он имеет полный момент инерции маховика, требующегося обычно для двигателя. Это означает, что, с одной стороны, ротор может иметь такие размеры, что его момент инерции будет таким же, как у используемого обычно маховика, а с другой стороны, для двигателя имеется в наличии требуемый момент инерции, который обычно обеспечивает маховик, например, для ручного запуска двигателя.

Такая комбинация ротора и маховика выгодна, кроме того, тем, что позволяет без проблем сохранять границу мигания света.

С учетом цели изобретения, состоящей в том, что радиальный размер фланца корпуса со стороны двигателя не должен быть превышен в результате установки корпуса генератора, что ограничивает диаметр ротора, его осевой размер будет определяться либо моментом инерции, который должен иметь маховик, либо электрическими параметрами генератора, которые требуются для генерации тока. Его активная магнитная масса должна иметь определенную величину для создания в генераторе магнитного поля.

Дальнейшее уменьшение монтажного объема узла "двигатель-генератор" достигается за счет того, что ротор установлен на колесе вентилятора двигателя выгодным образом непосредственно внутри его кольцевой части, несущей набор лопаток. Благодаря заданному тем самым выполнению ротора в виде наружного ротора с относительно большим диаметром, получается особенно высокий коэффициент использования монтажного объема при чрезвычайно короткой монтажной длине.

Статор предпочтительно привинчен в нескольких местах по окружности при помощи статорных винтов, пропущенных через отверстия в его пакете листов и стягивающих этот пакет, к внутреннему кольцу крышки корпуса генератора. Особенно целесообразно, чтобы статорные винты между пакетом листов статора и внутренним кольцом проходили через промежуточные втулки и были затянуты между внутренним кольцом и обращенной от него стороной статора. Благодаря этому становится излишней требующая больших затрат центрированная установка статора на опору, например, на валу.

Согласно изобретению ротор при помощи стяжных винтов, пропущенных через отверстия в его пакете листов и стягивающих этот пакет, привинчен в нескольких местах по окружности к колесу вентилятора внутри его кольцевой части, несущей набор лопаток. При этом особенно целесообразно, чтобы стяжные винты между пакетом листов ротора и колесом вентилятора проходили через опорные втулки и были затянуты между колесом вентилятора и обращенной от него стороной ротора.

Тем самым достигается особенно простой способ крепления или установки на опору как ротора, так и статора, что дает существенный выигрыш в стоимости.

В экономичном варианте выполнения предусмотрено, что внутри цилиндрической оболочки корпуса генератора вблизи нее установлено несколько распределенных по окружности крепежных винтов, сжимающих корпус, проходя по всей его длине, причем крепежные винты с одной стороны привинчены к расположенному со стороны двигателя соединительному корпусу, а с другой стороны - к крышке корпуса генератора.

Дальнейшая экономия стоимости получается путем особенно простого выполнения корпуса генератора в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, предпочтительно из листового металла, причем корпус генератора зажат по обеим торцевым поверхностям по плоскости между соединительным корпусом и крышкой генератора.

Защитный кожух крышки корпуса генератора, расположенный на стороне отвода, также выполнен предпочтительно из листового металла и закреплен на крышке корпуса генератора резьбовыми пальцами, удлиняющими крепежные винты для крышки корпуса генератора.

Внутри защитного кожуха может быть расположен поворотный магнит, служащий в качестве регулятора напряжения. Его ярмо, несущее обмотку возбуждения, закреплено предпочтительно на крышке корпуса генератора. В случае электронного регулирования напряжения, для которого не требуется много места, можно использовать особенно плоский защитный кожух при соответствующем укорочении части, образующей генератор.

С помощью данного изобретения удалось создать узел "двигатель-генератор", который при номинальной мощности, например около 10 кВт позволяет получить в отношении электротехнических деталей экономию стоимости до 50% по сравнению с традиционными узлами. Предлагаемый узел пригоден в особенности в качестве электрического генератора сетевой частоты малой мощности и небольших монтажных размеров.

Далее описан вариант выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 изображает узел "двигатель-генератор" в осевом разрезе по линии I-I на фиг.2,

фиг.2 - статор и ротор указанного узла в разрезе по линии II-II на фиг.1,

фиг.3 - частичный вид статора в осевом направлении согласно фиг.2 в увеличенном масштабе,

фиг.4 - ротор с постоянными магнитами в аксонометрии и

фиг.5 - регулятор напряжения в разрезе по линии V-V на фиг.1

Показанная на фиг.1-3 электрическая машина, образующая электрический генератор, представляет собой узел, состоящий из приводного двигателя и синхронного генератора. В качестве приводного двигателя предпочтительно используется дизельный двигатель, у которого показан штриховыми линиями только выходной конец его коленчатого вала 1. С торцевой стороны на коленчатом валу 1 при помощи винтов 3 установлено колесо 2 вентилятора, имеющее набор 4 лопаток для создания воздушного потока по стрелке S1 для охлаждения двигателя. Охлаждающий воздух выходит по стрелке S2 из корпуса 8 генератора после его охлаждения. Как видно на фиг.1, предусмотренная на стороне отвода тока крышка 9 корпуса генератора имеет всасывающие отверстия для охлаждающего воздуха, поступающего по стрелкам L. Для того чтобы этот поток охлаждающего воздуха обеспечивал в корпусе 8 генератора эффективное охлаждение, защитный кожух 14 имеет одно или несколько входных отверстий (не показаны) соответствующих размеров для охлаждающего воздуха.

Соединительный корпус 5, находящийся со стороны двигателя, окружает снаружи в радиальном направлении пространство, в котором размещено колесо 2 вентилятора. Соединительный корпус 5 открыт с обеих сторон и имеет на стороне, расположенной противоположно двигателю, кольцевой фланец 6 с резьбовыми отверстиями под крепежные винты 7 для присоединения выполненного предпочтительно из листового металла цилиндрического корпуса 8 генератора, так что этот корпус зажат по обеим торцевым сторонам по плоскости. Крепежные винты 7 установлены вблизи внутренней стороны корпуса 8 генератора, распределены по окружности и зажимают корпус, проходя по всей его длине. На конце корпуса 8 генератора, находящемся со стороны отвода тока (на чертеже - левом конце), предусмотрена крышка 9 корпуса генератора, имеющая внутреннее кольцо 10 на выступающих радиально внутрь спицах, на котором закреплен статор 11 генератора. Концы стержней крепежных винтов 7, находящиеся со стороны отвода, проходят через отверстия в крышке 9 корпуса генератора и на их свободные резьбовые концы 12 навинчены резьбовые пальцы 13, служащие для крепления корпуса 8 генератора на крышке 9 корпуса генератора, а также для крепления защитного кожуха 14 при помощи коротких винтов 15. Винты 15 ввинчены снаружи через соответствующие отверстия в защитном кожухе 14 в резьбовые отверстия обращенных к ним концов резьбовых пальцев 13. Защитный кожух 14 охватывает снаружи своим краевым участком 16, образующим открытый конец, соответствующий свободный конец крышки 9 корпуса генератора.

В то время как в рассмотренном примере имеется восемь распределенных по окружности крепежных винтов 1, для крепления статора на внутреннем кольце 10 крышки достаточно шести статорных винтов 17, которые пропущены через отверстия в пакете листов наружной части 19 статора и привинчены к внутреннему кольцу 10 крышки через промежуточные втулки 20, расположенные между внутренним кольцом 10 крышки и обращенной к нему стороной наружной части 19 статора. Таким образом, наружная часть 19 статора жестко зафиксирована относительно корпуса, а образующий ее пакет листов стянут статорными винтами 17.

Пакет листов, образующий внутреннюю часть 21 статора, установлен на полом валу 24 с фиксацией от проворачивания. Полый вал 24 соединен через свой концевой колпачок 60 с расположенным по оси вала и установленным с предварительным напряжением торсионным стержнем 46. Концевой колпачок 60 установлен с возможностью поворота на опорных втулках 47 в опорных фланцах 26 щитков 22, которые расположены на противоположных торцевых сторонах пакета листов. Конец торсионного стержня 46, расположенный противоположно концевому колпачку 60, зафиксирован относительно корпуса через жесткую стержневую опору 44, крепежная проушина 61 которой насажена на винт 62, стягивающий пакет листов ярма 42. Щитки 22 закрывают управляющий воздушный зазор 23 между внутренней частью 21 статора и его наружной частью 19. Поскольку пакет листов, образующий внутреннюю часть 21 статора, закреплен на полом валу 24 с фиксацией от проворачивания, его поворот используется для требуемой стабилизации напряжения генератора. Смещение внутренней части 21 статора относительно его наружной части 19 с целью регулирования напряжения генератора будет подробно описано ниже.

На фиг.2, где для лучшей наглядности показанная на фиг.1 изолирующая пластина 25 удалена, изображен не только контур пакета листов, образующего ротор 29, но и такие же пакеты листов, образующие статор, которые в области наружной части 19 статора имеют вырезы 38 для размещения трехфазной токовой обмотки 28 генератора. Наружная часть 19 статора закреплена на показанном на фиг.1 внутреннем кольце 10 крышки при помощи статорных винтов 17, пропущенных через отверстия 39 в ее пакете листов. В соответствии с выбранным направлением разреза видны также промежуточные втулки 20, установленные между пакетом листов наружной части 19 статора и внутренним кольцом 10 крышки.

Три фиксирующих винта 27 служат для центрирования внутренней части 21 статора внутри его наружной части 19 при помощи боковых щитков 22, в опорных фланцах 26 которых установлен полый вал 24 с пакетом листов внутренней части 21 статора.

Снаружи, в области управляющего воздушного зазора 23, щитки 22 закрыты изолирующей пластиной 25, служащей для электрической изоляции трехфазной токовой обмотки 28 генератора и трех расположенных по окружности фиксирующих винтов 27 от щитка 22. Фиксирующие винты 27 проходят через отверстия в пакете листов, образующем наружную часть 19 статора. Они изолированы от пакета листов при помощи изоляционных втулок и центрируют через щитки 22 внутреннюю часть 21 статора относительно его наружной части 19.

Статор 11 окружен ротором 29, который тоже выполнен из пакета листов, стянутого стяжными винтами 30, которые ввинчены резьбовыми концами 31, находящимися со стороны двигателя, в соответствующие резьбовые отверстия колеса 2 вентилятора. Между колесом вентилятора и ротором 29 зажаты опорные втулки 32, надетые на стяжные винты 30. Тем самым ротор 29 соединен с колесом 2 вентилятора с фиксацией от проворачивания. Своей внутренней окружной поверхностью ротор образует со статором 11 узкий воздушный зазор 33 шириной примерно 2 мм. Ротор 29 имеет карманы 34, проходящие в осевом направлении примерно в форме цилиндра внутри двух полюсных сегментов. В эти карманы 34 с обеих сторон вставлены магнитные элементы 35 в виде узких брусообразных стержней. В данном примере, как видно на фиг.2, на полюс приходится по два ряда из десяти расположенных рядом друг с другом магнитных элементов 35, которые требуются для магнитного возбуждения генератора. В области карманов 34 внутренний контур 36 окружной стенки 50 ротора 29, ограничивающей карманы 34 в радиальном направлении внутрь, вместе с наружным контуром 37 статора 11 ограничивают узкий воздушный зазор 33. Отверстия 40 в пакете листов ротора служат для установки пускового устройства (не показано).

Согласно фиг.2 и 4, магнитные элементы 35 вставляются в карманы 34 в осевом направлении, где они, плотно прилегая друг к другу, располагаются в виде многогранника, образуя два полюса. Разделение постоянных магнитов полюсов на маленькие магнитные элементы 35 делает возможным экономичное изготовление постоянных магнитов. Монтаж постоянных магнитов существенно облегчается благодаря соответствующему магнитному обратному замыканию 49, которое практически исключает взаимное отталкивание соседних магнитных элементов 35. Отдельные магнитные элементы 35 могут вдвигаться в карманы 34 практически без усилий. При этом нет необходимости в специальном креплении магнитных элементов 35, так как при работе они удерживаются в осевом направлении своими магнитными силами и удерживаются в карманах в радиальном направлении, так что они легко могут выдерживать центробежные силы, возникающие при работе.

Как видно на фиг.4, изображающей в аксонометрии расположение магнитов, в конце выреза, в котором находятся магнитные элементы 35, предусмотрено свободное пространство 48. Если бы этого свободного пространства 48 не было, то при внезапном коротком замыкании генератора чрезвычайно высокая плотность потока в этой области могла бы привести к размагничиванию и тем самым к разрушению наружных магнитных элементов 35. Благодаря образованию свободного пространства 48 с определенным магнитным обратным замыканием 49 этого размагничивания можно избежать. Свободное пространство 48 образовано удлинением внутренней окружной стенки 50 карманов 34 и перемычкой 51, граничащей с соседним межполюсным зазором 52, через которую проходит обратный магнитный поток 49. Проходящие в осевом направлении ребра 53 на внутренних сторонах карманов 34 определяют расстояния между магнитными элементами 35.

На фиг.3 показан фрагмент фиг.2 в увеличенном масштабе, причем одинаковые элементы обозначены теми же цифровыми позициями. Изолирующая пластина 25 и щиток 22, которые служат для позиционирования внутренней части 21 статора, представлены на фиг.3 соответствующими базовыми линиями по наружному и внутреннему контуру. Опорная втулка 47 видна с торцевой стороны. В вырезе 38 наружной части 19 статора показаны в разрезе провода токовой трехфазной обмотки 28.

Изменяемый управляющий воздушный зазор 23 между наружной 19 частью статора и его внутренней 21 частью играет существенную роль в регулировании напряжения генератора. Окружные поверхности внутренней 19 и наружной 21 частей статора, граничащие с управляющим воздушным зазором 23, образованы тремя сегментами, имеющими выступающие окружные участки, которые проходят примерно по винтовой линии и форма которых отличается от окружности. Например, управляющий воздушный зазор 23 уменьшается, если внутреннюю часть 21 статора из ее положения, показанного штриховыми линиями, поворачивают относительно наружной части 19 статора по часовой стрелке, т.е. по стрелке U (фиг.2), причем конечное положение достигается при повороте, примерно соответствующем углу w. В этом конечном положении управляющий воздушный зазор 23 будет минимальным.

Путем поворота внутренней части 21 статора относительно его наружной части 19 изменяется геометрия управляющего воздушного зазора 23 и тем самым магнитное сопротивление статора 11. Это используется в существующих синхронных машинах с постоянным возбуждением для регулирования напряжения. Путем описанного изменения магнитного потока можно регулировать индуцированное напряжение, которое прямо пропорционально магнитному потоку. Благодаря тому, что внутренняя часть 21 статора установлена на полом валу 24 с предварительно напряженным торсионным стержнем 46, силовое действие магнитного поля на внутреннюю часть 21 статора вызывает противоположно действующие силы кручения, так что используемый для регулирования напряжения поворот внутренней части 21 статора относительно его наружной части 19 при помощи поворотного магнита 41 выполняется практически без усилий. Правда, при этом предполагается, что предварительное напряжение кручения согласовано с магнитной силой противодействия.

Показанный на фиг.1 и 5 поворотный магнит 41 расположен внутри ярма 42, несущего обмотку 43, управляемую напряжением на зажимах генератора. Отклонение напряжения на обмотке генератора приводит к повороту поворотного магнита 41 и таким образом, благодаря относительному повороту двух частей статора, достигается требуемая стабилизация напряжения. Согласно фиг.1, поворотный магнит 41 консольно установлен на соответствующем конце полого вала 24, который, в свою очередь, соединен с внутренней частью 21 статора с фиксацией от проворачивания. Поворотный магнит 41 концентрично посажен на концевом участке 45 полого вала 24 и впрессован до упора в его буртик. Поворотный магнит 41 с относящимся к нему ярмом 42 предпочтительно выполнены из листового металла.

На фиг.5 показана электрическая схема для приведения в действие поворотного магнита 41. Обмотка 43, размещенная на одном из полюсов ярма 42, находится под напряжением U1, U2 на зажимах обмотки 28 генератора. Магнитный поток прямо пропорционален индуцированному напряжению и управляет поворотом поворотного магнита 41 и, через полый вал 24, поворотом внутренней части 21 статора, вследствие чего изменяется геометрия управляющего воздушного зазора 23 и тем самым магнитное сопротивление статора 11. В результате достигается простое, не зависящее от коэффициента мощности соsϕ, регулирование напряжения на зажимах генератора.

Изобретение относится к узлу электрического генератора, состоящего из приводного двигателя и генератора. Узел электрического генератора состоит из приводного двигателя и генератора, в частности из дизельного двигателя и синхронного генератора. Синхронный генератор содержит неподвижную якорную обмотку и расположенные в роторе постоянные магниты для возбуждения генератора. Ротор генератора представляет собой наружный ротор и образует маховик дизельного двигателя, а статор генератора несет якорную обмотку и расположен внутри ротора. Ротор установлен на колесе вентилятора, прифланцованном, в свою очередь, с торцевой стороны к коленчатому валу приводного двигателя. Статор образован пакетом стальных листов, несущим якорную обмотку, и при помощи статорных винтов, пропущенных через отверстия в его пакете листов и стягивающих этот пакет, привинчен в нескольких местах по окружности к внутреннему кольцу крышки корпуса генератора, предусмотренной со стороны отвода. Ротор образован пакетом стальных листов, несущим постоянные магниты для создания вращающегося магнитного поля, и при помощи стяжных винтов, пропущенных через отверстия в его пакете листов и стягивающих этот пакет, привинчен в нескольких местах по окружности к колесу вентилятора. В результате уменьшается вес и монтажный объем генератора, узел имеет простую конструкцию, которая не создает проблем, связанных с прогибом коленчатого вала, упрощается охлаждение узла, обеспечивается также возможность многократного использования его конструктивных элементов. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Узел электрического генератора, состоящий из приводного двигателя и генератора, в частности из дизельного двигателя и синхронного генератора, содержащего неподвижную якорную обмотку (28) и расположенные в роторе (29) постоянные магниты (35) для возбуждения генератора, причем ротор (29) генератора, представляющий собой наружный ротор, образует маховик дизельного двигателя, а статор (11) генератора несет якорную обмотку (28) и расположен внутри ротора, отличающийся тем, что ротор (29) установлен на колесе (2) вентилятора, прифланцованном, в свою очередь, с торцевой стороны к коленчатому валу (1) приводного двигателя, причем статор (11) образован пакетом стальных листов, несущим якорную обмотку (28), и при помощи статорных винтов (17), пропущенных через отверстия в его пакете листов и стягивающих этот пакет, привинчен в нескольких местах по окружности к внутреннему кольцу (10) крышки (9) корпуса генератора, предусмотренной со стороны отвода, а ротор (29) образован пакетом стальных листов, несущим постоянные магниты (35) для создания вращающегося магнитного поля, и при помощи стяжных винтов (30), пропущенных через отверстия в его пакете листов и стягивающих этот пакет, привинчен в нескольких местах по окружности к колесу (2) вентилятора.2. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что стяжные винты (30) привинчены к колесу (2) вентилятора внутри его кольцевой части, несущей набор лопаток (4).3. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что внутри цилиндрической оболочки корпуса (8) генератора вблизи нее установлено несколько распределенных по окружности крепежных винтов (7), сжимающих корпус, проходя по всей его длине, причем крепежные винты (7) с одной стороны привинчены к расположенному со стороны двигателя соединительному корпусу (5), а с другой стороны - к крышке (9) корпуса генератора.4. Узел электрического генератора по п.3, отличающийся тем, что корпус (8) генератора выполнен из листового металла и зажат по обеим торцевым сторонам по плоскости между соединительным корпусом (5) и крышкой (9) корпуса генератора.5. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что статорные винты (17) между пакетом листов статора и внутренним кольцом (10) проходят через промежуточные втулки (20) и затянуты между внутренним кольцом (10) и обращенной от него стороной статора (11).6. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что стяжные винты (30) между пакетом листов ротора и колесом (2) вентилятора проходят через опорные втулки (32) и затянуты между колесом (2) вентилятора и обращенной от него стороной ротора (29).