УСТРОЙСТВО КОМПЕНСИРОВАННОГО ДВУХФАЗНОГО ГЕНЕРАТОРА ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ Российский патент 2008 года по МПК H02K21/16 H02K21/12 

Изобретение связано с использованием синхронных машин специальной конструкции с возбуждением от постоянных магнитов Н 02 К 21/27.

В настоящее время широко известны конструкции синхронных машин (двигателей и генераторов), в том числе и с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструкции таких синхронных машин описаны, например, в книге М.М.Кацмана «Электрические машины и трансформаторы», часть II, Москва, издательство «Высшая школа», 1976 г.

Описание конструкции синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов могут быть приняты за прототип синхронного генератора, предлагаемого в настоящем изобретении.

Недостатком существующих синхронных машин является то, что магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами полюсов ротора, пересекает проводники обмотки статора, располагаемые в пазах внутренней поверхности статора. При этом генерируемая электрическая мощность в генераторе равна требуемой механической мощности, подводимой к ротору генератора (без учета потерь энергии в статоре и механических потерь энергии в роторе).

В связи с изложенным эффективность всех существующих синхронных генераторов всегда меньше единицы.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, состоит в создании простых по конструкции двухфазных электрических генераторов с эффективностью, большей единицы.

Генератор состоит из двух статоров, расположенных идентично вокруг одной продольной оси, с явно выраженными полюсами статоров (С1 и С2), с обмотками статоров (ОС), намотанными «вокруг» полюсов статора, и двух роторов (Р1 и Р2) с явно выраженными полюсами (ПР), расположенных на одной оси со смещением вокруг продольной оси на 90 «электрических» градусов один относительно другого.

Статоры, состоящие из полюсов статоров (ПС) и «спинок» статоров (СС), а также «спинки» роторов (СР) выполнены из шихтованной тонколистовой электротехнической стали с электроизоляционным покрытием. Постоянные магниты возбуждения (ПМВ) представляют собой полюса роторов (ПР).

Длина полюсов статора вдоль внутренней поверхности статора (l_ПС) сотавляет 90 «электрических» градусов; длина полюсов ротора вдоль наружной поверхности ротора (l_ПР) составляет также 90 «электрических» градусов.

Число полюсов статора (m_C) кратно двум и равно m_C=2Р, где Р - число пар полюсов в машине. Число полюсов ротора (m_Р) также равно: m_Р=2Р.

Схематическое изображение предлагаемой конструкции двухфазного генератора повышенной эффективности с Р=3 приведено на фиг.1.

Мощность, генерируемая в генераторе W_г, равна

где m_с - число полюсов статора;

- напряжение на обмотке статора;

e_ОС=4,44f·W_ОС·Ф_Смакс [В] - эффективное значение ЭДС, генерируемой в ОС; W_ОС - число витков в ОС;

Ф_Смакс=B_δРОТ·S_ПС [Вб] - максимальная величина магнитного потока возбуждения в полюсе статора; S_ПС - поперечное сечение полюса статора [м²];

B_δРОТ=В_О[h_ПМВ/(h_ПМВ+δ)] [Тл] - индукция, создаваемая ПМВ в воздушном зазоре,

где h_ПМВ - высота постоянного магнита возбуждения (полюса ротора) [мм];

δ - величина воздушного зазора.

Электромеханический тормозной момент в генераторе определяется выражением

где К - коэффициент, определяемый конструктивными параметрами генератора;

Ф_РОТ - величина магнитного потока ротора [Вб];

Ф_СТАТ - величина магнитного потока статора [Вб];

θ - величина «электрического» угла между осями магнитных потоков ротора и статора [град.].

На фиг.2 на линейных развертках полюсов статора и ротора для одной фазы генератора для основных взаимных расположений полюсов ротора относительно полюсов статора (через каждые 45 «электрических» градусов поворота ротора) показаны оси и направления основной части магнитных потоков ротора Ф_РОТ и статора Ф_СТАТ создаваемого ПМВ и намагничивающими силами обмоток статора (НМС) е, где е=I_ОСМ·W_ос [А]; I_ОСМ - мгновенное значение тока в обмотке статора.

Оси магнитных потоков ротора показаны сплошными линиями; пути магнитных потоков статора - пунктирными линиями. Стрелками «е» показаны направления действия НМС в полюсах статора, создаваемых токами в обмотках статора.

Благодаря большой величине магнитного сопротивления в цепи магнитных потоков ротора, определяемых магнитным сопротивлением насыщенных постоянных магнитов полюсов ротора и воздушными зазорами, величина магнитного потока ротора невелика, что определяет малую величину среднего значения электромеханического тормозного момента ротора М_тор ^эм (см. фиг.2).

Величина усилий, действующих на полюса ротора F1 и F2, а также величины тормозных электромагнитных моментов М_тор ^эм могут быть легко определены при известных конструктивных параметрах генератора.

На фиг.1 представлено схематическое изображение конструкции генератора с числом пар полюсов Р=3.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - статор №1 (С1),

2 - статор №2 (С2),

3 - полюса роторов (ПР),

4 - «спинка» ротора (СР),

5 - вал генератора,

6 - обмотки статора (ОС),

7 - «спинка» статора (СС),

8 - полюса статора (ПС).

Стрелкой показано направление вращения ротора генератора.

Процесс изготовления генератора практически ничем не отличается по технологии и применяемым материалам от изготовления серийных синхронных машин с постоянными магнитами и может быть реализован на обычных электромашиностроительных предприятиях.

В генераторе могут быть использованы широко применяемые в электромашиностроении постоянные магниты из NdFeB с остаточной индукцией B_О=1,2 Тл, коэфцитивной силой Н_C=12 кЭ и намагниченностью J=955000 А/м.

Компенсированный двухфазный генератор (КДГ) повышенной эффективности может быть использован для:

- питания однофазных и двухфазных потребителей переменного тока;

- питания потребителей постоянного тока (после выпрямителя);

- питания регулируемых частотой синхронных и асинхронных двигателей (после выпрямления и последующего инвертирования необходимой частоты и напряжения).

Наиболее перспективным является использование КДГ в электромобилях.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения синхронных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов. Сущность изобретения состоит в том, что в компенсированном двухфазном генераторе повышенной эффективности с возбуждением от постоянных магнитов, состоящем из двух статоров, расположенных идентично вдоль продольной оси генератора, и двух роторов, расположенных на оси генератора, согласно данному изобретению статоры выполнены с явно выраженными полюсами, вокруг которых намотаны обмотки статора, размеры полюсов статоров вдоль внутренней окружности статоров и размеры полюсов роторов вдоль наружной поверхности роторов составляют 90 электрических градусов, при этом роторы смещены друг относительно друга вокруг оси вращения на 90 электрических градусов, полюса ротора являются постоянными магнитами, а статоры и «спинки» роторов выполнены из тонколистовой электротехнической стали с электроизоляционным покрытием. Технический результат - упрощение конструкции двухфазных электрических генераторов. 2 ил.

Компенсированный двухфазный генератор повышенной эффективности с возбуждением от постоянных магнитов, состоящий из двух статоров, расположенных идентично вдоль продольной оси генератора, и двух роторов, расположенных на оси генератора, отличающийся тем, что статоры выполнены с явно выраженными полюсами, вокруг которых намотаны обмотки статора, размеры полюсов статоров вдоль внутренней окружности статоров и размеры полюсов роторов вдоль наружной поверхности роторов составляют 90 электрических градусов, при этом роторы смещены относительно друг друга вокруг оси вращения на 90 электрических градусов, полюса ротора являются постоянными магнитами, а статоры и «спинки» роторов выполнены из тонколистовой электротехнической стали с электроизоляционным покрытием.