ОДНОФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2010 года по МПК H02K19/22 H02K19/16 H02K19/36 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однофазным электрическим генераторам с электромагнитным возбуждением, осуществляемым через контактные кольца и непосредственно от источника постоянного напряжения, и может быть использовано в автономных системах электрооборудования, в автоматике и бытовой технике, на авиационном и автомобильном транспорте, в качестве ветрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и синхронных преобразователей частоты однофазного переменного тока, а также при выпрямлении переменной ЭДС при помощи неуправляемых и управляемых полупроводниковых вентилей - в качестве генераторов постоянного тока, бесконтактных возбудителей синхронных генераторов передвижных мини-электростанций и электростанций небольшой мощности.

Известны конструкции синхронных машин с трехфазной обмоткой якоря и обмоткой возбуждения индуктора (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. Стр. 490÷513). Якорь выполняется неявнополюсным, несущим трехфазную распределенную разноименнополюсную p-периодную обмотку, индуктор выполняется явнополюсным или неявнополюсным, несущим разноименнополюсную p-периодную обмотку возбуждения. Электрическая связь с источником питания осуществляется непосредственно и при помощи щеточно-контактного узла. Наибольшее распространение получили синхронные машины, у которых обмотка якоря подключается к нагрузке (в режиме генератора) или к источнику трехфазного напряжения (в режиме двигателя) непосредственно, а обмотка возбуждения индуктора соединена с контактными кольцами и подключается к постоянному источнику напряжения через скользящие контакты при помощи щеток. Синхронные машины малой мощности могут изготавливаться и в обращенном исполнении, когда электрический контакт с обмоткой возбуждения осуществляется непосредственно, а с обмоткой якоря - через щеточно-контактный узел. Недостатком этих электрических машин является сложность выполнения распределенной обмотки якоря, которая имеет меньшую надежность по сравнению с катушечной сосредоточенной обмоткой якоря.

Известна принятая за прототип сверхпроводниковая вентильная индукторная машина (Патент RU 2178942 C1, МПК 7 H02K 55/00, H02K 55/02, авторы: Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А.), содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический ротор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами, снабженная вторым статором с шихтованным сердечником, на полюсных выступах которого расположена многофазная катушечная обмотка, и вторым ротором, расположенным на одном валу с первым ротором, на валу между двумя роторами размещена цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала с «вмороженным" магнитным потоком, представляющая собой криомагнит, намагниченный в осевом направлении и обеспечивающий однополярность полюсных выступов первого и второго роторов, на статорах установлен соленоид, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку для «вмораживания» в нее магнитного потока, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом, а их многофазные катушечные обмотки снабжены коммутатором, обеспечивающим однополярность намагничивания полюсов каждого статора, разнополярность полюсов первого и второго статоров, совпадение направления магнитного потока в полюсах статоров с направлением магнитного потока вышеуказанной вставки, а также поочередность включения катушечных обмоток каждой фазы в заданной последовательности. Недостатком описанного технического устройства является сложность конструкции ротора, наличие двух статоров с соленоидом между ними, каждый статор имеет свою многофазную обмотку якоря, низкая ремонтопригодность при пробое какой-либо из обмоток из-за расположения всех обмоток (якоря и возбуждения) только на статоре.

Целью настоящего изобретения является создание новой, простой, надежной, технологичной и высокоремонтопригодной конструкции однофазного электрического генератора с высокими энергетическими показателями.

Задачей настоящего изобретения является оптимальный выбор числа полюсов якоря, числа полюсов индуктора, оптимальной ширины полюсной дуги полюсов якоря и полюсной дуги полюсов индуктора, определение схемы соединений катушек, сосредоточенных на полюсах якоря, однофазной катушечной обмотки якоря однофазного электрического генератора.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение надежной и технологичной конструкции с высокими энергетическими показателями и эксплуатационными характеристиками однофазного электрического генератора. С этой целью статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами, катушечную однофазную обмотку якоря, катушки которой размещены на соответствующих явно выраженных полюсах якоря по одной на каждом полюсе, катушки однофазной обмотки якоря соединены между собой согласно в магнитном отношении, ротор содержит индуктор с нечетными и четными сердечниками с одинаковым числом явно выраженных полюсов на каждом сердечнике, сердечники индуктора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, при наличии пакетов индуктора более двух активная длина сердечников индуктора в аксиальном направлении, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше активной длины крайних сердечников индуктора, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора, сердечники индуктора напрессованы на втулку, являющуюся магнитопроводом индуктора, выполненную из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и насаженную на немагнитный вал ротора, явно выраженные полюса якоря и явно выраженные полюса индуктора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, между сердечниками индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде охватывающих магнитопровод индуктора кольцеобразных катушек, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора, кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора при наличии их более одной соединяются между собой таким образом, чтобы при протекании по ним постоянного (выпрямленного) тока полюса нечетных сердечников индуктора, намагничиваясь, образовывали магнитные полюса одной полярности, например южной «S», а полюса четных сердечников индуктора, намагничиваясь, образовывали магнитные полюса другой полярности, например северной «N», число явно выраженных полюсов якоря определяется равенством: Z_1P=2·k, число явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора определяется равенством: Z_2P=k, где k=2, 3, 4, 5, … - целое положительное число, начиная с двух, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении определяется выражением b_1P=(0,76÷1,0)·t_1P, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении определяется выражением: b_2P=(0,38÷0,5)·t_2P, при этом t_1P=360°/Z_1P представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении, t_2P=360°/Z_2P представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении.

В настоящем изобретении возможны исполнения однофазного электрического генератора как с внешним якорем, являющимся статором, и внутренним индуктором, являющимся ротором, так и с внутренним якорем, являющимся ротором, и внешним индуктором, являющимся статором (например, для возбудителя синхронного генератора с вращающимися полупроводниковыми выпрямительными устройствами). В первом случае возбуждение индуктора может осуществляться при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) током через щетки и контактные кольца непосредственно от источника постоянного напряжения или от источника выпрямленного напряжения, а также может осуществляться при питании обмотки возбуждения выпрямленным током от обмотки якоря при вращении ротора генератора через полупроводниковое выпрямительное устройство, щетки и контактные кольца (принцип самовозбуждения). Во втором случае возбуждение индуктора осуществляется при питании обмотки возбуждения постоянным (выпрямленным) током либо непосредственно от источника постоянного напряжения, либо от источника выпрямленного напряжения. При этом однофазный электрический генератор при применении его в качестве возбудителя синхронного генератора с вращающимся полупроводниковым выпрямительным устройством является бесконтактным.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1 - общий вид с продольным разрезом однофазного электрического генератора с внешним якорем, являющимся статором, и внутренним индуктором, являющимся ротором,

фиг.2 - пример реализации изобретения в виде поперечных разрезов сердечников якоря и индуктора при протекании постоянного (выпрямленного) тока по обмотке возбуждения (активный индуктор),

фиг.3 - схема соединения катушек однофазной обмотки якоря при получении переменной ЭДС якоря на выходе при питании обмотки возбуждения индуктора от источника постоянного напряжения,

фиг.4 - схема соединения катушек однофазной обмотки якоря при получении переменного напряжения на выходе генератора при питании обмотки возбуждения индуктора от обмотки якоря через неуправляемые полупроводниковые выпрямители, щетки и контактные кольца,

фиг.5 - схема соединения катушек однофазной обмотки якоря при получении постоянного (выпрямленного) напряжения на выходе генератора через неуправляемые полупроводниковые выпрямители при питании обмотки возбуждения индуктора от обмотки якоря через неуправляемые полупроводниковые выпрямители, щетки и контактные кольца,

фиг.6 - схема соединения катушек однофазной обмотки якоря при получении постоянной (выпрямленной) ЭДС на выходе генератора через неуправляемые полупроводниковые выпрямители при питании обмотки возбуждения индуктора непосредственно от источника постоянного напряжения.

На фиг.2 показаны положения сердечников индуктора относительно сердечника якоря в тот момент времени, когда в катушках однофазной обмотки якоря индуктируется максимальная ЭДС, направление которой в каждой катушке показано стрелками на фиг.3÷6.

На фиг.4÷6 в электрическую цепь параллельно выходу неуправляемых полупроводниковых выпрямителей для сглаживания пульсаций выходного напряжения (фиг.4, фиг.5) и выходной ЭДС (фиг.6) генератора включен конденсатор «С».

На фиг.3÷6 в электрическую цепь обмотки возбуждения включен реостат R_B для регулирования постоянного (выпрямленного) тока возбуждения.

На фиг.1÷6 буквой и цифрой обозначены катушки однофазной обмотки якоря, расположенные на соответствующих полюсах якоря. Например, A3 - это катушка фазы «A», расположенная на третьем полюсе якоря.

Рассмотрим конструкцию исполнения однофазного электрического генератора с внешним якорем, являющимся статором, и внутренним индуктором, являющимся ротором (фиг.1, фиг.2). Перемагничиваемый с высокой частотой сердечник 2 якоря выполнен шихтованным из электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и запрессован в магнитопроводе 1, являющемся корпусом, выполненным из стали с высокой магнитной проницаемостью. Сердечник 2 якоря имеет явно выраженные полюса 3 якоря, на которых размещена катушечная однофазная обмотка якоря, выполненная катушками 4, расположенными на соответствующих явно выраженных полюсах 3 якоря по одной на каждом полюсе. Катушки 4 однофазной обмотки якоря выполняются из обмоточного медного провода или обмоточной медной шины. Катушки 4 однофазной обмотки якоря могут быть соединены между собой последовательно, параллельно и смешанно, но всегда согласно в магнитном отношении, т.е. чтобы при протекании по катушкам 4 электрического тока явно выраженные полюса 3 якоря образовывали в воздушном зазоре чередующуюся полярность магнитных полюсов. Индуктор при помощи подшипников 15, вала 5 и подшипниковых щитов 16 позиционирован относительно якоря. Вал 5 выполнен из немагнитной стали или из титана. На валу 5 насажена втулка 6, выполненная из стали с высокой магнитной проницаемостью и являющаяся магнитопроводом индуктора. На втулке 6 напрессованы нечетные 7 и 9 и четный 8 сердечники индуктора. Активная длина двух крайних сердечников 7 и 9 индуктора в аксиальном направлении одинакова, активная длина находящегося между ними сердечника 8 индуктора в аксиальном направлении в два раза больше длины крайних сердечников 7 и 9. Сердечники 7, 8 и 9 индуктора представляют собой пакеты, набранные из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, и имеют одинаковое число на каждом сердечнике равномерно распределенных по окружности явно выраженных полюсов 10. С целью удешевления конструкции сердечники 7, 8 и 9 индуктора могут быть выполнены металлообработкой из цельных кусков стали с высокой магнитной проницаемостью. В этом случае они могут изготавливаются с втулкой 6 единой деталью. Четный 8 сердечник индуктора смещен относительно нечетных 7 и 9 сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора. Между сердечниками 7, 8 и 9 индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде двух охватывающих магнитопровод индуктора кольцеобразных катушек 11 и 12, соединенных между собой как показано на фиг.3÷6.

Рассмотрим работу однофазного электрического генератора (фиг.1÷3).

От источника постоянного напряжения на обмотку возбуждения индуктора через щетки и контактные кольца подают постоянное напряжение. По обмотке возбуждения индуктора протекает постоянный электрический ток, намагничивая нечетные полюса индуктора одной полярностью, например южной «S», а четные полюса индуктора другой полярностью, например северной «N». При вращении ротора сторонним источником момента с частотой вращения n постоянный магнитный поток индуктора, созданный протекающим по кольцеобразными катушками 11 и 12 обмотки возбуждения индуктора постоянным током, пронизывает воздушный зазор и явно выраженные полюса 3 якоря то со стороны индуктора, то со стороны якоря, создавая при этом в явно выраженных полюсах 3 якоря переменный магнитный поток, наводящий в катушках 4 однофазной обмотки якоря переменную во времени ЭДС. Направление индуктированной ЭДС в каждой катушке 4 однофазной обмотки якоря в момент времени, соответствующий положению сердечников индуктора относительно сердечника якоря (фиг.2), показано стрелками на фиг.3÷6. Переменная ЭДС однофазной обмотки якоря равна сумме индуктированных ЭДС в каждой катушке 4. Если внешняя цепь - цепь нагрузки замкнута, то по однофазной обмотке якоря протекает переменный электрический ток, электрическая мощность отдается потребителю. Частота f (Гц) переменной ЭДС однофазной обмотки якоря связана с частотой вращения n (об/мин) ротора и определяется равенством: f=n·Z_2P/60.

Следует отметить, что у описанного генератора при работе магнитный поток возбуждения индуктора остается постоянным при любом положении ротора из-за выбранных соотношений ширины полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря и полюсного деления явно выраженных полюсов якоря и ширины полюсной дуги явно выраженных полюсов индуктора и полюсного деления явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора. При работе генератора под нагрузкой по обмотке якоря протекает переменный ток, создавая в явно выраженных полюсах сердечника якоря магнитное поле реакции якоря, которое замыкается через воздушный зазор, явно выраженные полюса индуктора, сердечники и магнитопровод индуктора в радиальном направлении, не наводя в катушках обмотки возбуждения индуктора ЭДС реакции якоря и не создавая при этом перенапряжений в обмотке возбуждения индуктора (особенно при резко переменной и „ударной" нагрузке в режиме короткого замыкания генератора). Это обстоятельство является одним из определяющих высокой надежности конструкции описанного однофазного электрического генератора.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к однофазным электрическим генераторам с электромагнитным возбуждением, осуществляемым через контактные кольца и непосредственно от источника постоянного напряжения, и может быть использовано в автономных системах электрооборудования, в автоматике и бытовой технике, на авиационном и автомобильном транспорте, в качестве ветрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, синхронных преобразователей частоты однофазного переменного тока, а также при выпрямлении переменной ЭДС при помощи неуправляемых и управляемых полупроводниковых вентилей - в качестве генераторов постоянного тока, бесконтактных возбудителей синхронных генераторов передвижных мини-электростанций и электростанций небольшой мощности. Предлагаемый однофазный электрический генератор содержит статор, сердечник якоря которого набран из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью и имеет явно выраженные полюса с катушечной однофазной обмоткой якоря, каждая катушка которой размещена на соответствующем явно выраженном полюсе якоря, и ротор, содержащий индуктор с нечетными и четными сердечниками с одинаковым числом явно выраженных полюсов на каждом сердечнике, нечетные и четные сердечники индуктора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора, сердечники индуктора насажены на магнитопровод индуктора, между сердечниками индуктора расположены кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора, питаемые постоянным (выпрямленным) электрическим током через щетки и контактные кольца. При этом выполняются определенные соотношения между числом явно выраженных полюсов якоря, числом явно выраженных полюсов на каждом сердечнике индуктора, шириной полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря и шириной полюсной дуги явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в обеспечении высоких энергетических и эксплуатационных показателей однофазного электрического генератора. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Однофазный электрический генератор, содержащий статор с шихтованным сердечником с явно выраженными полюсами и с сосредоточенной обмоткой якоря, выполненной в виде катушек, охватывающих полюса статора, и ротор, содержащий шихтованные сердечники, отличающийся тем, что статор содержит шихтованный сердечник якоря с явно выраженными полюсами и катушечной однофазной обмоткой якоря, катушки которой размещены на соответствующих явно выраженных полюсах якоря по одной на каждом полюсе, катушки однофазной обмотки якоря соединены между собой согласно в магнитном отношении, ротор содержит индуктор с нечетными и четными сердечниками с одинаковым числом явно выраженных полюсов на каждом сердечнике, сердечники индуктора выполнены в виде пакетов, набранных из изолированных листов электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, число сердечников индуктора не менее двух, активная длина крайних сердечников индуктора в аксиальном направлении одинакова, четные сердечники индуктора смещены относительно нечетных сердечников индуктора в тангенциальном направлении на половину полюсного деления сердечника индуктора, сердечники индуктора напрессованы на втулку, являющуюся магнитопроводом индуктора, выполненную из магнитомягкой стали с высокой магнитной проницаемостью и насаженную на немагнитный вал ротора, явно выраженные полюса якоря и явно выраженные полюса индуктора обращены друг к другу и разделены воздушным зазором, между сердечниками индуктора расположена обмотка возбуждения индуктора, выполненная в виде охватывающих магнитопровод индуктора кольцеобразных катушек, число которых на одну меньше числа сердечников индуктора, кольцеобразные катушки обмотки возбуждения индуктора при наличии их более одной соединяются между собой таким образом, чтобы при протекании по ним постоянного (выпрямленного) тока полюса нечетных сердечников индуктора, намагничиваясь, образовывали магнитные полюса одной полярности, а полюса четных сердечников индуктора, намагничиваясь, образовывали магнитные полюса другой полярности, электрическая связь обмотки возбуждения индуктора с источником постоянного (выпрямленного) напряжения осуществляется через контактные кольца и щетки, число явно выраженных полюсов якоря определяется равенством: Z_1P=2·k, число явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора определяется равенством: Z_2P=k, где k=2, 3, 4, 5, … - целое положительное число, начиная с двух, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении определяется выражением b_1P=(0,76÷1,0)·t_1P, ширина полюсной дуги явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении определяется выражением: b_2P=(0,38÷0,5)·t_2P, при этом t_1P=360°/Z_1P представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов якоря в угловом измерении, t_2P=360°/Z_2P представляет собой полюсное деление явно выраженных полюсов каждого сердечника индуктора в угловом измерении.

2. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что при наличии пакетов индуктора более двух, активная длина сердечников в аксиальном направлении, находящихся между крайними сердечниками индуктора, в два раза больше активной длины крайних сердечников.

3. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что якорь расположен снаружи и является статором, индуктор - внутри и является ротором.

4. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что якорь расположен внутри и является ротором, индуктор - снаружи и является статором.

5. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что обмотка возбуждения индуктора питается непосредственно от источника постоянного (выпрямленного) напряжения.

6. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что обмотка возбуждения индуктора питается от однофазной обмотки якоря через полупроводниковые выпрямители, щетки и контактные кольца.

7. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что при наличии сердечников индуктора более двух катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой последовательно.

8. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что при наличии сердечников индуктора более двух катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой параллельно.

9. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что при наличии нечетного числа сердечников индуктора более трех катушки обмотки возбуждения индуктора соединены между собой смешанно.

10. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что катушки обмотки якоря соединены между собой последовательно.

11. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что катушки обмотки якоря соединены между собой параллельно.

12. Однофазный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что катушки обмотки якоря соединены между собой смешанно.