ТРАНСГЕНЕРАТОР Российский патент 2006 года по МПК H01F38/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, а именно к двигатель-генераторным и трансформаторным установкам.

Известны генератор и трансформатор (А.И.Вольдек. ″Электрические машины″, М.: ″Энергия″, Основные сведения о трансформаторах, с.241; Генераторы постоянного тока, с.27, 177-195).

Недостатком генератора является то, что при увеличении электрической нагрузки, увеличивается механическая мощность двигателя, необходимая для привода ротора генератора. Это происходит из-за наличия обратной связи между обмотками статора и ротора генератора.

Недостатком трансформатора является увеличение электрической мощности первичной обмотки при увеличении электрической нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке работающего трансформатора из-за наличия обратной связи первичной и вторичной обмоток.

Указанные устройства выбраны заявителем в качестве ближайших аналогов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение явлений обратных связей и, тем самым, снижение потребляемых механической и электрических мощностей устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в трансгенераторе, содержащем трансформатор, связанный с источником питания и нагрузкой, сердечник с первичной и вторичной обмотками, согласно изобретению сердечник содержит две дополнительные ветви, при этом сердечник и одна из его дополнительных ветвей образуют контур, внутри которого установлена третья ветвь, на сердечнике установлена короткозамкнутая обмотка, а вторичная обмотка установлена на второй дополнительной ветви, причем все концы ветвей выполнены в виде частей окружности и установлены с воздушным зазором между собой, а в пространстве окружности, образованной концами ветвей, установлен ротор без обмотки, связанный с приводным двигателем, и его ширина соответствует дуге окружности, ограниченной 60°, ширина ветви сердечника, на которой установлена вторичная обмотка, равна ширине ротора, ширина третьей ветви сердечника соответствует дуге окружности, ограниченной 120°, кроме того, цепь первичной обмотки содержит индуктивность, связанную с аккумуляторной батареей, генератор постоянного тока, а цепь вторичной обмотки, двигатель нагрузки, генератор переменного трехфазного тока, при этом валы двигателя нагрузки, генератора переменного трехфазного тока и генератора постоянного тока связаны механически.

Воздушный зазор между концами ветвей сердечника h≥2 зазора между ротором и ветвями сердечника.

Ротор выполнен прямоугольной формы с дугообразными торцевыми поверхностями и набран из листов электротехнической стали.

Цепь первичной обмотки содержит реле для подключения дополнительных фаз, а цепь вторичной обмотки - диоды для каждой дополнительной фазы.

Ротор каждой дополнительной фазы смещен относительно ротора предыдущей фазы на 60° в плоскости, перпендикулярной оси его вращения.

Дополнение сердечника двумя ветвями позволяет постоянный магнитный поток первичной обмотки преобразовать в переменный во времени поток во вторичной обмотке.

Выполнение концов ветвей в виде частей окружности и установка в пространстве окружности ротора позволяет постоянный магнитный поток от первичной обмотки сделать переменным во времени для ветви сердечника со вторичной обмоткой, при этом сохраняя постоянным магнитный поток в первичной обмотке при содействии короткозамкнутой обмотки, установленной на первой ветви сердечника.

Наличие короткозамкнутой обмотки на первой ветви сердечника обеспечивает ограничение обратной связи от вторичной обмотки в первичную за счет создания адекватного магнитного потока.

Установка вторичной обмотки на одной из дополнительных ветвей сердечника исключает наличие обмотки на роторе, что позволяет уменьшить механическую мощность на валу приводного двигателя.

Выполнение ротора шириной, соответствующей дуге окружности, ограниченной 60°, а ширину ветви сердечника, на которой установлена вторичная обмотка, равной ширине ротора, ширину ветви сердечника, расположенной внутри контура конструкции, соответствующей дуге окружности, ограниченной 120°, получить характеристику ЭДС, показанную на фиг.3 и 4, т.е. это сделано для того, чтобы ток во вторичной обмотке успевал спадать до того как, ротор пойдет на новый круг наведения ЭДС, чтобы на входе в ветвь вторичной обмотки не возникали дополнительные тормозные силы.

Наличие в цепи первичной обмотки индуктивности ограничивает потребляемую первичной обмоткой энергию от внешнего источника при попытке изменения первичного магнитного потока.

Наличие аккумуляторной батареи обеспечивает питание цепи двигателя нагрузки и цепи первичной обмотки в режиме пуска.

Наличие генератора постоянного тока обеспечивает питание первичной обмотки и приводного двигателя в рабочем режиме.

Наличие двигателя постоянного тока обеспечивает привод генератора постоянного тока и генератора переменного трехфазного тока промышленной частоты.

Наличие генератора переменного трехфазного тока обеспечивает выработку электрической энергии стандартных параметров для потребителей.

Механическая связь валов двигателя нагрузки, генератора переменного трехфазного тока и генератора постоянного тока обеспечивает работоспособность устройства в рабочем режиме.

Наличие между ветвями сердечника, сходящимися в окружность воздушных зазоров, равных h≥2 зазора между ротором и ветвями сердечника необходимо для того, чтобы между ними не образовывались замыкающиеся контуры для магнитного потока, и основной магнитный поток проходил через ротор, а величина заявляемого зазора является оптимальной.

Заявляемая форма ротора позволяет создать переменный во времени магнитный поток через вторичную обмотку.

Наличие в цепи первичной обмотки реле для подключения дополнительных фаз, а цепи вторичной обмотки - диодов для каждой дополнительной фазы позволяет обеспечить работу устройства в трехфазном режиме.

Смещение ротора каждой дополнительной фазы относительно ротора предыдущей фазы на 60° в плоскости, перпендикулярной оси его вращения, обеспечивает смещение фаз ЭДС при условии запуска устройства с помощью реле для трехфазного устройства.

В результате проведенных патентных исследований не выявлено известных из уровня техники аналогичных технических решений, характеризуемых заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критериям патентоспособности ″новизна″ и ″изобретательский уровень″, может найти применение в электротехнической промышленности, т.е. соответствует критерию ″промышленная применимость″.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид трансгенератора, на фиг.2 - электрическая схема трансгенератора для одной фазы, на фиг.3 - график изменения силы тока и ЭДС во вторичной обмотке при активной, индуктивной и активно-индуктивной нагрузках в зависимости от угла поворота ротора для одной фазы, на фиг.4 - график изменения силы тока и ЭДС во вторичной обмотке в зависимости от угла поворота ротора для трех фаз, на фиг.5 - общий вид и схема подключения для трехфазного устройства, на фиг.6 - схема расположения роторов каждой фазы в проекции на плоскость, перпендикулярную оси вращения.

Трансгенератор содержит сердечник, состоящий из 1, 2, 3 ветвей. На одной из ветвей 1 установлены первичная обмотка 4 и короткозамкнутая обмотка 5. Концы ветвей 1, 2, 3 выполнены в виде частей окружности, внутри которой установлен ротор 6, связанный с приводным двигателем 7. На ветви 2 сердечника установлена вторичная обмотка 8. Цепь первичной обмотки 4 содержит индуктивность 9, резистор 10, переключатель 11, аккумуляторная батарея 12, генератор постоянного тока 13. Цепь вторичной обмотки 8 содержит двигатель нагрузки 14, генератор переменного трехфазного тока 15.

Устройство работает следующим образом (для одной фазы).

Переключателем 11 подключается внешний источник 12, который питает цепь приводного двигателя 7 и цепь первичной обмотки 4. По первичной обмотке 4 устройства протекает постоянный ток, создавая магнитный поток в ветви сердечника 1, замыкаясь через ротор 6. Двигатель 7 также получает питание от внешнего источника 12 и начинает вращать ротор 6. Ротор 6 переводит магнитный поток, замыкая его через ветвь 2 сердечника, на которой установлена вторичная обмотка 8. Проходящий через вторичную обмотку 8 возрастающий магнитный поток наводит в ней ЭДС. Протекающий по обмотке 8 ток создает встречный магнитный поток, который должен бы уменьшать первичный магнитный поток от первичной обмотки 4. Но этого не происходит, так как короткозамкнутая обмотка 5, развязывающая обратную связь при попытке изменения первичного потока, наводит в себе ЭДС, по ней начинает протекать ток и вторичный магнитный поток от обмотки 5 по направлению совпадает с магнитным потоком от первичной обмотки 4, компенсируя встречный магнитный поток от обмотки 8. При таком наложении магнитных потоков величина первичного магнитного потока остается практически неизменной. Ток в цепи первичной обмотки 4 не изменяется, так как возникающая в первичной обмотке 4 ЭДС, при попытке изменения первичного магнитного потока, компенсируется встречной ЭДС, возникающей в индуктивности 9, включенной последовательно с первичной обмоткой 4 и внешним источником 12. Поэтому потребляемая мощность первичной обмотки 4 остается практически неизменной и равна мощности холостого хода. Далее при повороте ротора 6 магнитный поток переводится в другую ветвь 3 и магнитный поток через вторичную обмотку 8 спадает. Нарастание и спадание магнитного потока, т.е. пульсация через вторичную обмотку 8 вызывает в ней возникновения ЭДС по форме, представленной на графике (см. фиг.3). Изменение формы тока при активной, индуктивной и активно-индуктивной нагрузках также представлено на графике фиг.3. ЭДС, наводимая во вторичной обмотке 8, дает питание нагрузке - двигателю постоянного тока 14, который приводит во вращение генератор 15 переменного трехфазного тока промышленной частоты и генератор постоянного тока 13, который дает питание обмоткам возбуждения генератора 15. Последний выдает энергию потребителю. Переключателем 11 переключают питание первичной обмотки 4 и двигателя нагрузки 14 с внешнего источника 12 на питание от генератора 13 без нарушения коммутации в переключателе 11. По первичной обмотке 4 и двигателю 14 протекает постоянный ток, устройство работает, питая нагрузку, т.е. двигатель 14, который вращает генераторы 13 и 15, приводя их в рабочее состояние, т.е. трехфазная сеть промышленной частоты получает питание. Устройство питает себя и выдает электроэнергию внешнему потребителю.

Для осуществления работы устройства в трехфазном режиме могут быть добавлены еще две фазы, при этом в цепях первичных обмоток 16 и 17 установлены индуктивности 18, 19 и контакты электрического реле 20 и 21, а в цепи вторичных обмоток 22 и 23 - диоды 24, 25 и 26.

Работа трансгенератора в трехфазном режиме осуществляется следующим образом.

Переключатель 11 включают в положение, при котором аккумуляторная батарея 12 питает цепь двигателя 7 и цепь первичной обмотки 4 первой фазы трансгенератора. Генератор постоянного тока 13 и цепь возбуждения генератора 15 отделены от аккумулятора 12 переключателем 11. Цепи первичных 16 и 17 второй и третьей фаз трансгенератора отделены от аккумулятора 12 контактами реле 20 и 21. По первичной обмотке 4 первой фазы протекает постоянный ток, создавая в сердечнике 1 первой фазы, замыкаясь через ротор 6. Двигатель 7 тоже получает питание от аккумулятора 12 и начинает вращать ротор 6 от точки П (пусковая точка ротора, которая совпадает с пусковой точкой на ветви 3 по радиальной линии). Ротор 6 переводит магнитный поток, замыкая его через ветвь сердечника 2, на которой расположена вторичная обмотка 8. В первой фазе происходит процесс, описанный выше, т.е. в обмотке 8 наводится ЭДС, достигая своего пика. При достижении пика ЭДС в обмотке 8 датчик реле (не показано) подает сигнал и замыкает цепь питания в цепи первичной обмотки 16 второй фазы своим контактом 20. По первичной обмотке 16 протекает постоянный ток, в сердечнике 27 второй фазы появляется постоянный магнитный поток, причем поворот ротора 28, расположенного на одном валу с ротором 6 первой фазы, совпадает таким образом, что начало наведения ЭДС во вторичной обмотке 22 второй фазы отстоит от начала наведения ЭДС во вторичной обмотке 8 первой фазы на угол 60° (см. фиг.4). При достижении пика ЭДС во вторичной обмотке 22 срабатывает датчик реле (не показано) и реле замыкает цепь питания обмотки 17 третьей фазы своим контактом 21. В сердечнике 29 создается постоянный магнитный поток, а поворот ротора 30 совпадает таким образом, что во вторичной обмотке 23 третьей фазы наводится ЭДС, сдвинутая по фазе на 60° относительно ЭДС обмотки 22. Эти ЭДС вызывают протекание тока через двигатель нагрузки 14. Посредством диодов 24, 25 и 26 форма ЭДС и тока на зажимах двигателя нагрузки 14 по форме постоянного тока (см. фиг.4). Нагрузка 14 питает генератор постоянного тока 13 и генератор переменного трехфазного тока 15. Переключателем 11 питание с аккумулятора 12 на генератор постоянного тока 13 и трансгенератор работает в нормальном режиме. При этом контакты реле 20 и 21 замкнуты.

Таким образом, заявляемый трансгенератор обеспечивает снижение явлений обратных связей и, тем самым, снижение потребляемых механической и электрических мощностей устройства.

Изобретение может найти применение в электротехнической промышленности. Технический результат заключается в снижении явлений обратных связей и, тем самым, снижении потребляемых механической и электрических мощностей устройства. Для этого трансгенератор содержит сердечник, состоящий из трех ветвей. На одной из ветвей установлены первичная обмотка и короткозамкнутая обмотка. Концы всех ветвей выполнены в виде частей окружности, внутри которой установлен ротор, связанный с приводным двигателем. На ветви сердечника установлена вторичная обмотка. Цепь первичной обмотки содержит индуктивность, резистор, переключатель, аккумуляторную батарею, генератор постоянного тока. Цепь вторичной обмотки содержит двигатель нагрузки, генератор переменного трехфазного тока. Для осуществления работы устройства в трехфазном режиме могут быть добавлены еще две фазы, при этом в цепях первичных обмоток установлены индуктивности и контакты электрического реле, а в цепи вторичных обмоток - диоды. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Трансгенератор, содержащий трансформатор, связанный с источником питания и нагрузкой, сердечник с первичной и вторичной обмотками, отличающийся тем, что сердечник содержит две дополнительные ветви, при этом сердечник и одна из его дополнительных ветвей образуют контур, внутри которого установлена третья ветвь, на сердечнике установлена короткозамкнутая обмотка, а вторичная обмотка установлена на второй дополнительной ветви, причем концы ветвей выполнены в виде частей окружности и установлены с воздушным зазором между собой, а в пространстве окружности, образованной концами ветвей, установлен ротор, связанный с приводным двигателем, и его ширина соответствует дуге окружности, ограниченной 60°, ширина ветви сердечника, на которой установлена вторичная обмотка, равна ширине ротора, ширина третьей ветви сердечника соответствует дуге окружности, ограниченной 120°, кроме того, цепь первичной обмотки содержит индуктивность, связанную с аккумуляторной батареей, переключатель, генератор постоянного тока, а цепь вторичной обмотки - двигатель нагрузки, генератор переменного трехфазного тока, при этом валы двигателя нагрузки, генератора переменного трехфазного тока и генератора постоянного тока связаны механически.2. Трансгенератор по п.1, отличающийся тем, что воздушный зазор между концами ветвей сердечника h≥2 зазоров между ротором и ветвями сердечника.3. Трансгенератор по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен прямоугольной формы с дугообразными торцевыми поверхностями, и набран из листов электротехнической стали.4. Трансгенератор по п.1, отличающийся тем, что цепь первичной обмотки содержит реле для подключения дополнительных фаз, а цепь вторичной обмотки - диоды для каждой дополнительной фазы.5. Трансгенератор по п.1, отличающийся тем, что ротор каждой дополнительной фазы смещен относительно ротора предыдущей фазы на 60° в плоскости, перпендикулярной его оси вращения.