УНИПОЛЯРНЫЙ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ТОРЦОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2006 года по МПК H02K31/02 H02K21/20 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в производстве машин постоянного тока.

Известное устройство торцового двигателя [1] по авторскому свидетельству СССР № 129715, 1960 г. имеет для возбуждения постоянные магниты и малую мощность. Кроме того, при торцовом устройстве двигатель не обеспечен возможностью механического регулирования и визуального наблюдения величины воздушного зазора.

Указанные недостатки аналога ограничивают предел выдаваемой мощности и технический ресурс работы двигателя.

Лучшим вариантом аналога, избранным в качестве прототипа [2] является самовозбуждающийся бесколлекторный генератор постоянного тока по патенту № 2124799, прототипом для которого тоже служит униполярный генератор, но который хоть и содержит для возбуждения постоянные магниты, но может выдавать несколько большую мощность, но не более 10 кВт.

Недостатками прототипа являются: малая мощность, отсутствие возможности механического регулирования и визуального наблюдения величины воздушного зазора, вентилятор на валу ротора генератора ограничивает эффективность охлаждения при торцовом устройстве генератора, неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря с аксиальными и коаксиальными пазами для укладки обмотки якоря служит для создания магнитной цепи, но не введен в электрическую схему обмотки якоря, которая выполнена только в последовательном исполнении, без параллельных ветвей. Указанные недостатки прототипа снижают его эксплуатационную надежность и технический ресурс.

С целью повышения величины выдаваемой мощности, эксплуатационной надежности и технического ресурса генератора путем обеспечения возможности механического регулирования и визуального наблюдения величины воздушного зазора, повышения эффективности охлаждения генератора и расширения функции неподвижного раздвоенного кольцевого магнитопровода якоря для создания многовитковой последовательно-параллельной обмотки якоря предлагается внести следующие изменения в устройстве прототипа, содержащего неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря с пазами для укладки обмотки якоря, вращающиеся торцовые магнитопроводы индукторов для возбуждения и вентилятор, отличающийся тем, что в схеме возбуждения генератора установлены радиальные электромагниты и круговые электромагниты, при этом вращающиеся на валу ротора генератора торцовые магнитопроводы обоих индукторов вместе с радиальными и круговыми электромагнитами обращены встречно через воздушный промежуток одноименными полюсами к магнитопроводам с обмоткой якоря, что обеспечивает в торцовых магнитопроводах обоих индукторов постоянное наличие остаточного магнетизма, способствующего возбуждению генератора, при этом схема возбуждения снабжена двумя щеточно-контактными узлами, включающими щетками токосъема, и неразрезные контактные кольца, в узле крепления торцовых магнитопроводов обоих индукторов к валу ротора генератора установлены ферромагнитные шайбы для обеспечения возможности механического регулирования величины воздушного зазора, на торцовых участках магнитопроводов обоих индукторов установлены вентиляционные лопасти для повышения эффективности охлаждения генератора, раздвоенный кольцевой магитопровод якоря, к которому через воздушные промежутки обращены одноименными полюсами торцовые магнитопроводы обоих индукторов, образует вместе с якорной обмоткой, уложенной в его аксиальных и коаксиальных пазах, тороидальную катушку с двумя разделенными друг от друга воздушным промежутком кольцевыми магнитопроводами прямоугольного сечения, выполненными в цельном исполнении с перемычкой из ферромагнитного токопроводящего материала, на внешнем диаметре торцовых магнитопроводов якоря для намотки кольцевой обмотки якоря выполнены коаксиальные пазы в двойном исполнении, то есть одни пазы расположены параллельно оси ротора, а другие выполнены с шагом до следующего аксиального паза, при этом магнитопроводы с обмоткой якоря обеспечены электрической изоляцией от корпуса генератора изоляционными прокладками, а раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря, в теле магнитопроводов которого образовано множество размещенных по радиусу параллельных ветвей в цепи обмотки якоря, введен в электрическую схему обмотки якоря, выполненной многовитковой в последовательно-параллельном исполнении.

На фиг.1 представлен в продольном разрезе общий вид предлагаемого устройства униполярного бесколлекторного торцового генератора постоянного тока, содержащего неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря 1 с пазами 18, 18', 18'' (см. также фиг.2) для укладки кольцевой обмотки якоря 2, 11, 12, на валу ротора генератора 7 вращающиеся торцовые магнитопроводы обоих индукторов 3 с радиальными электромагнитами 4 и круговыми электромагнитами 6 с соответствующей ориентировкой их полярности с целью создания замкнутой магнитной цепи. Магнитный поток от северного полюса радиального электромагнита 4 проходит по магнитопроводу якоря 1, пересекает воздушный зазор и по телу ротора уходит к южному полюсу кругового электромагнита 6, затем от северного полюса кругового электромагнита 6 уходит по магнитопроводу индуктора 3 к южному полюсу радиального электромагнита 4 и цепь замыкается (на чертеже она показана пунктирными линиями, а направление потока - указательными стрелками), два щеточно-контактных узла с неподвижными щетками токосъема 15 и вращающимися неразрезными контактными кольцами 16, в узле крепления вращающихся торцовых магнитопроводов обоих индукторов к валу 7 ротора генератора установлены ферромагнитные шайбы 8 для обеспечения возможности механического регулирования величины воздушного зазора, а в корпусе генератора 20 образованы смотровые окна 9, на вращающихся торцовых магнитопроводах обоих индукторов установлены вентиляционные лопасти 5 для повышения эффективности охлаждения генератора, а в боковых подшипниковых щитах 19 образованы вентиляционные прорези 10, перемычка 14 из ферромагнитного токопроводящего материала между разделенными друг от друга воздушным промежутком неподвижными раздвоенными кольцевыми магнитопроводами якоря прямоугольного сечения, выполненными с ней в цельном исполнении, коаксиальные пазы 18' и 18'' (см. фиг.2) на внешнем диаметре неподвижных раздвоенных кольцевых магнитопроводов якоря, для намотки кольцевой обмотки якоря, выполнены в двойном исполнении, то есть одни пазы 18' расположены параллельно оси ротора, а другие 18'' выполнены с шагом до следующего аксиального паза 18 (см. фиг.2), неподвижные раздвоенные кольцевые магнитопроводы якоря 1 с кольцевой обмоткой якоря 2, 11, 12 обеспечены электрической изоляцией от корпуса 20 генератора изоляционными прокладками 13 и введены в электрическую схему обмотки 2, 11, 12 якоря, выполненной многовитковой в последовательно-параллельном исполнении.

На фиг.2 представлен в условно разделенном виде неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря 1 и многовитковая последовательно-параллельная электрическая схема обмотки якоря 2, 11, 12, так как на чертеже фиг.1 ее изобразить невозможно, аксиальные участки 11, 2 и коаксиальные участки 12, 2 изображены на чертеже линиями, а неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря 1, к которому через воздушные промежутки обращены одноименными полюсами вращающиеся торцовые магнитопроводы обоих индукторов, образуют вместе с якорной обмоткой 2, 11, 12, уложенной в его аксиальных и коаксиальных пазах 18', 18'', тороидальную катушку с двумя разделенными друг от друга воздушным промежутком, кольцевыми магнитопроводами прямоугольного сечения, выполненными в цельном исполнении с перемычкой 14 из ферромагнитного токопроводящего материала, а тело неподвижного раздвоенного кольцевого магнитопровода якоря 1, в котором образовано множество размещенных по радиусу параллельных ветвей в цепи обмотки якоря, введено в электрическую схему обмотки 2, 11, 12 якоря, выполненной многовитковой в последовательно-параллельном исполнении, а соединительные электрические контакты на чертеже (фиг.1 и фиг.2) обозначены цифрой 17.

При работе генератора ЭДС в аксиальной части 11 обмотки якоря 2 будет возникать по закону электромагнитной индукции в трактовке М. Фарадея E=BLV, т.е. общеизвестно, что «Принцип действия всех вращающихся электрических машин основан на законе электромагнитной индукции E=BLV и законе электромагнитных механических сил (Закон Ампера) F=BLI.» (см. А.А.Глебович, Л.П.Шичков. Электрические машины и основы электропривода. Москва, ВО «Агропромиздат», 1989 г. стр.4). Возникновение ЭДС в аксиально уложенных участках 11 обмотки якоря 2 будет обусловлено разной окружной линейной скоростью пересечения поверхностей проводников, хоть и не изменяемым магнитным потоком, но с разной скоростью, т.к. точки поверхности проводников, находящихся ближе к оси вала генератора, будут пересекаться магнитным потоком с меньшей скоростью, чем в точках поверхностей этих же проводников, находящихся в удалении от оси ротора, тогда E=BL(V₂-V₁), т.к. V₂ всегда будет больше V₁, то и ЭДС не будет равна нулю. Такое положение в участках 12 обмотки якоря 2, уложенных коаксиально, по внутреннему диаметру неподвижного раздвоенного кольцевого магтатопровода якоря не проявляется, т.к. они пересекаются неизменяемым магнитным потоком и при равной окружной линейной скорости во всех точках поверхности проводника, а сама поверхность этих проводников становится эквипотенциальной, т.е. поверхностью равного потенциала U(XYZ)=Const. Вдоль любой линии на этой поверхности имеем: Следовательно: E=BL(V₂-V₁)=0, т.к. V₂=V₁ (см. Л.Р.Нейман и П.А.Калантаров, ТОЭ, ч.1, Москва-Ленинград, ГЭИ, 1959 г., стр.40 и 90). Совершенно другая картина обнаруживается, если мы рассмотрим положение с коаксиальными участками 12 обмотки 2, расположенными в коаксиальных пазах по внешнему диаметру неподвижного раздвоенного кольцевого магнитопровода якоря, т.к. они расположены в продольной линии магнитного потока индукторов, т.е. силовые линии проходят вдоль оси соединительных проводников и не будут пересекать их в поперечном направлении, тогда выражение E=BL(V₂-V₁)=0, т.к. V₂=0 и V₁=0.

Известно, что при движении проводника вдоль линий магнитного поля ЭДС не образуется (см. П.Г.Федосеев. Электротехника, М.: Искусство, 1953 г., стр.168).

Предлагаемое устройство генератора является торцовым, одноименнополюсным, т.е. униполярным и работает на принципе униполярной индукции - «Возникновение ЭДС индукции в намагниченном теле, движущемся под некоторым углом к оси намагничивания», т.е. E=BLVSinα, но в предлагаемом устройстве генератора пересечение магнитным потоком поверхности проводников обмотки якоря происходит под прямым углом, тогда Sinα будет равен единице или E=BLVSin90°=BLV (см. П.Г.Федосеев. Электротехника. М., Искусство, 1953 г., стр.208) (см. Москва, Издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1998 г., стр.1251). Характерной особенностью нового устройства униполярного генератора постоянного тока (см. патенты № 2031517, 2044386, 2095924 и 2124799) является то, что благодаря его постоянной одноименнополюсности в процессе его работы, будет обеспечиваться постоянное наличие остаточного магнетизма в ферромагнитных магнитопроводах якоря и индукторов, что будет способствовать возбуждению, т.е. если выключить электрический ток в обмотке электромагнитов, которые имеют ферромагнитные сердечники, то их намагничивание останавливается, но сердечники не теряют полностью магнитные свойства - это явление называется остаточным магнитизмом, которое при очередном включении тока увеличивает магнитную насыщаемость, что при одноименнополюсности генератора способствует его возбуждению (см. П.Г.Федосеев. Электротехника. Издание М.: «Искусство», 1953 г., стр.162). «Магнитная индукция, сохраняющаяся в ферромагнетике после снятия поля (когда Н=0), называется остаточной магнитной индукцией» (см. Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1988 г., стр.142).

Фактически устройство генератора с независимым возбуждением представлено двумя генераторами, работающими на одну обмотку якоря. Это видно по тому, что имеются два индуктора, два щеточно-контактных узла с щетками токосъема и неразрезными контактными кольцами в схеме возбуждения. Кольцевая обмотка якоря неподвижна. Постоянный электрический ток образуется без средств коммутации и при отсутствии щеточно-контактных узлов в обмотке якоря. Встречное направление магнитных потоков от индукторов не имеет отрицательных последствий, т.к. магнитные цепи индукторов разделены воздушным промежутком. Кроме того, прямое противостояние в пространстве одноименных полюсов электромагнитов от обоих индукторов исключено, т.к. они располагаются со смещением в пространстве друг относительно друга.

Генератор может быть изготовлен при современном уровне электромашиностроения мощностью до 10 тыс. кВт и напряжением 10 кВ. Расширяется область использования машины как в качестве генератора, так и в качестве двигателя в промышленности, а именно в электрифицированном транспорте, электроснабжении компьютерной и электронной аппаратуры, для электросварки, электролиза, зарядки аккумуляторных батарей, производства электроэнергии на электростанциях, в ветроустановках, а также для дальних электропередач больших мощностей на постоянном токе с высоким технико-экономическим эффектом, так как исключается строительство повышающих напряжение подстанций и дорогостоящих преобразующих устройств для перевода переменного тока в постоянный. В пунктах приема будут широко использоваться известные делители напряжения (см. Москва, научное издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1998 г., стр.339) или «инверторные устройства» (см. там же на стр.445) Известно, что передачу электроэнергии на постоянном токе при том же уровне напряжения можно осуществить в 1,5 раза большей мощностью, чем на переменном токе (см. К. Баудиш Передача энергии постоянным током высокого напряжения». М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958 г., стр.216). Устройство униполярного бесколлекторного торцового генератора постоянного тока работает следующим образом: при вращении вала генератора 7 радиальные электромагниты 4 и круговые электромагниты 6, запитанные от внешней сети постоянного тока, возбуждают напряжение в обмотке якоря, и с набором оборотов генератор переходит из пускового режима в рабочий режим. В качестве первичного двигателя может быть использована энергия воды, ветра, двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано при производстве униполярных бесколлекторных торцевых электрических машин. Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, состоит в увеличении мощности, повышении эффективности охлаждения и расширении функциональных возможностей, а также в повышении эксплуатационной надежности и технического ресурса предлагаемого генератора путем обеспечения возможности механического регулирования и визуального наблюдения величины воздушного зазора. Сущность изобретения состоит в следующем. Униполярный бесколлекторный торцовый генератор постоянного тока, содержащий неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря с пазами для укладки обмотки якоря, вращающиеся торцовые магнитопроводы индукторов для возбуждения и вентилятор, отличающийся тем, что в схеме возбуждения генератора установлены радиальные электромагниты и круговые электромагниты, при этом вращающиеся на валу ротора генератора торцовые магнитопроводы обоих индукторов вместе с радиальными и круговыми электромагнитами обращены встречно через воздушный промежуток одноименными полюсами к магнитопроводам с обмоткой якоря, что обеспечивает в торцовых магнитопроводах обоих индукторов постоянное наличие остаточного магнетизма, способствующего возбуждению генератора, при этом схема возбуждения снабжена двумя щеточно-контактными узлами, включающими щетками токосъема и неразрезные контактные кольца. Генератор может быть использован при производстве электроэнергии на электростанциях, ГЭС, для дальних электропередач больших мощностей на постоянном токе с высоким экономическим эффектом, при этом исключается необходимость строительства повышающих напряжение подстанций и дорогостоящих преобразующих устройств для преобразования переменного тока в постоянный. Генераторы для дальних электропередач работают при последовательной схеме их включения. Область использования предлагаемого изобретения расширяется путем обеспечения возможности его использования в промышленности как в качестве генератора, так и в качестве двигателя, а именно в электрифицированном транспорте, в ветроустановках, для электросварки, электролиза, электроснабжения компьютерной техники, ЭВМ, зарядки аккумуляторных батарей, аварийное электроснабжение систем автоматики, освещения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Униполярный бесколлекторный торцовый генератор постоянного тока, содержащий неподвижный раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря с пазами для укладки обмотки якоря, вращающиеся торцовые магнитопроводы индукторов для возбуждения и вентилятор, отличающийся тем, что в схеме возбуждения генератора установлены радиальные электромагниты и круговые электромагниты, при этом вращающиеся на валу ротора генератора торцовые магнитопроводы обоих индукторов вместе с радиальными и круговыми электромагнитами обращены встречно через воздушный промежуток одноименными полюсами к магнитопроводам с обмоткой якоря, что обеспечивает в торцовых магнитопроводах обоих индукторов постоянное наличие остаточного магнетизма, способствующего возбуждению генератора, при этом схема возбуждения снабжена двумя щеточно-контактными узлами, включающими щетки токосъема и неразрезные контактные кольца.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в узле крепления торцовых магнитопроводов обоих индукторов к валу генератора установлены ферромагнитные шайбы для обеспечения возможности механического регулирования величины воздушного зазора.3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что на торцовых участках магнитопроводов обоих индукторов установлены вентиляционные лопасти для повышения эффективности охлаждения генератора.4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря, к которому через воздушные промежутки обращены одноименными полюсами торцовые магнитопроводы обоих индукторов, образует вместе с якорной обмоткой, уложенной в его аксиальных и коаксиальных пазах, тороидальную катушку с двумя разделенными друг от друга воздушным промежутком кольцевыми магнитопроводами прямоугольного сечения, выполненными в цельном исполнении с перемычкой из ферромагнитного токопроводящего материала, на внешнем диаметре торцовых магнитопроводов индукторов для намотки кольцевой обмотки якоря выполнены коаксиальные пазы в двойном исполнении, то есть одни пазы расположены параллельно оси ротора, а другие выполнены с шагом до следующего аксиального паза, при этом магнитопроводы с обмоткой якоря обеспечены электрической изоляцией от корпуса генератора изоляционными прокладками, а раздвоенный кольцевой магнитопровод якоря, в теле магнитопроводов которого образовано множество размещенных по радиусу параллельных ветвей в цепи обмотки якоря, введен в электрическую схему обмотки якоря, выполненной многовитковой в последовательно-параллельном исполнении.