АКСИАЛЬНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР Российский патент 2016 года по МПК H02K29/06 H02K19/38 H02K21/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам постоянного тока, и предназначено для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока высокого качества, а также для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию вращения с регулируемой частотой вращения и может быть использовано, например, для запуска двигателей внутреннего сгорания автомобилей и авиационных двигателей, а также для генерирования электрической энергии для нужд бортовой электрической сети автомобилей, летательных аппаратов и других локальных подвижных объектов.

Известен стартер-генератор радиальной конструкции (Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1995. - 303 с.), являющийся по существу двигателем-генератором, содержащим коллекторный двигатель постоянного тока, механическую передачу и генератор переменного тока с выпрямителем и обмоткой возбуждения на роторе, присоединенной через контактные кольца к устройству регулирования напряжения генератора, и механически подсоединенный к валу двигателя внутреннего сгорания через ременную передачу. Ротор коллекторного двигателя в двигательном режиме работы стартера-генератора механически соединен с маховиком вала двигателя внутреннего сгорания.

Однако технология изготовления такого двигателя-генератора сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора, необходимости выполнения обмоточных работ внутри цилиндрического статора, а качество вырабатываемой таким генератором электрической энергии постоянного тока недостаточно высоко из-за высокого коэффициента пульсации выпрямленного напряжения. Кроме того, стоимость такого генератора велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке. Недостатком такого двигателя-генератора является также наличие подвижных контактов - щеточно-коллекторного узла и контактных колец - что снижает надежность работы электрической машины в целом, увеличивает потери энергии, усложняет конструкцию.

Известны синхронные двигатели [Макаричев Ю.А. Синхронные машины, Самарский государственный технический университет, Самара 2010, с. 164], оснащенные устройством асинхронного запуска, содержащим стержни пусковой короткозамкнутой обмотки в пазах полюсных наконечников ротора. Такое устройство может быть использовано для запуска аксиального управляемого бесконтактного двигателя-генератора, так как ротор аксиального управляемого бесконтактного двигателя-генератора и ротор синхронной машины имеют общий признак - многополюсный постоянный магнит, с помощью которого осуществляется подвозбуждение индуктора в генераторном режиме.

Однако при запуске двигателя-генератора посредством такого устройства имеется недостаток, заключающийся в возникновении опасных электрических, механических и тепловых перегрузок из-за большой величины пускового тока в обмотке статора. Пусковой ток по величине превышает в 5-7 раз номинальное значение и создает большую нагрузку на сеть.

Другими недостатками известного устройства асинхронного запуска являются отсутствие возможности с его помощью регулировать частоту вращения ротора электрической машины при ее работе в двигательном режиме и отсутствие возможности регулировать выходное напряжение электрической машины при ее работе в генераторном режиме работы.

Прототипом изобретения является аксиальный бесконтактный двигатель-генератор (пат. РФ №2529210, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М. и др.), содержащий корпус, в котором установлены блок управления, боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря дополнительного генератора, внутренний аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, основной и дополнительной однофазными обмотками возбуждения возбудителя, и ротор, на валу которого установлены постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и аксиальный вращающийся магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя и однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, при этом постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя выполнен с датчиками положения ротора, состоящими из постоянного магнита и сигнальной обмотки каждый, причем постоянные магниты датчиков положения ротора закреплены на постоянном аксиальном многополюсном магните индуктора подвозбудителя по внешнему радиусу, а сигнальные обмотки датчиков положения ротора установлены на линии пересечения плоскости, проходящей через оси симметрии постоянных магнитов датчиков положения ротора и перпендикулярной оси вращения ротора, при этом каждая сигнальная обмотка закреплена на внутренней поверхности корпуса посредством штанги и равноудалена от соседних сигнальных обмоток, при этом вал ротора закреплен в подшипниковых узлах и жестко связан с постоянным аксиальным многополюсным магнитом индуктора подвозбудителя и с внутренним аксиальным магнитопроводом посредством дисков.

Однако в описании прототипа не указано соотношение числа фаз многофазных обмоток якоря основного генератора и якоря дополнительного генератора, однако это имеет существенное значение. Не указано также соотношение количества полюсов постоянного многополюсного магнита и количества полюсов создаваемого однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, однако это имеет существенное значение. В общем случае момент и длительность подачи стартового импульса в обмотку якоря зависят от количества фаз обмотки якоря и от количества полюсов индуктора.

Поэтому если число фаз многофазных обмоток якоря основного генератора и якоря дополнительного генератора, выполняющих в двигательном режиме роли индукторов, будет различным, а также различным будет количество полюсов постоянного аксиального многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, то для управления двигателем-генератором в двигательном режиме стартовые импульсы от блока управления на многофазные обмотки якоря основного генератора и якоря дополнительного генератора необходимо подавать с разной частотой, следовательно, для каждого индуктора нужны будут свои датчики положения ротора и соответственно отдельные схемы управления, что в целом усложняет двигатель-генератор, ухудшает его массогабаритные показатели и ввиду увеличения количества элементов снижает надежность.

Кроме того, в описании прототипа не описано устройство и принцип действия блока управления. Предположительно в качестве такого блока может быть использован регулятор напряжения на магнитных усилителях [Зонтов В.М., Куприн Б.В. Системы электроснабжения летательных аппаратов, ВВИА им. Н.Е. Жуковского, Москва, 1988, с. 95-100], который содержит входное выпрямительное устройство, измерительный орган, два каскада магнитных усилителей, выходной выпрямитель, стабилизирующий трансформатор, регулируемые резисторы и другие элементы.

Однако такой регулятор напряжения может быть использован при работе с бесконтактным генератором переменного тока с вращающимися выпрямителями только для регулирования выходного напряжения генератора, но управлять запуском и частотой вращения ротора электрической машины при ее работе в режиме двигателя с его помощью невозможно.

Кроме того, недостатком прототипа является невозможность с его помощью осуществлять суммирование электрической и механической энергии вращения с одновременным преобразованием полученной энергии в электрическую энергию постоянного тока.

Таким образом, выполнение одной аксиальной электрической машиной, принятой за прототип, трех функций: преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока высокого качества с регулированием (стабилизацией) выходного напряжения, преобразование электрической энергии постоянного тока в механическую энергию вращения с регулированием частоты вращения ротора, суммирование электрической энергии, поступающей от источника постоянного тока, с энергией, поступающей от источника механической энергии вращения, и выдача суммарной энергии в виде электрической энергии постоянного тока невозможно.

Задачей заявленного изобретения является создание аксиальной электрической машины, которая может работать в трех режимах: генераторном режиме, двигательном режиме и в режиме двухвходового генератора - аксиального управляемого бесконтактного двигателя-генератора с блоком управления, позволяющим осуществлять регулирование выходного напряжения при работе в генераторном режиме, запуск и управление частотой вращения ротора при работе в двигательном режиме, суммирование электрической и механической энергии вращения с одновременным преобразованием полученной энергии в электрическую энергию постоянного тока при работе в режиме двухвходового генератора.

Технический результат заявленного изобретения - обеспечение выполнения одной аксиальной электрической машиной трех функций: преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока высокого качества с регулированием (стабилизацией) выходного напряжения (генераторный режим), преобразование электрической энергии постоянного тока в механическую энергию вращения с регулированием частоты вращения ротора (двигательный режим), суммирование электрической энергии, поступающей от источника постоянного тока, с энергией, поступающей от источника механической энергии вращения, и выдача суммарной энергии в виде электрической энергии постоянного тока (режим двухвходового генератора), а также улучшение массогабаритных показателей и повышение надежности.

Технический результат достигается тем, что в аксиальном управляемом бесконтактном двигателе-генераторе, содержащем корпус, в котором установлены блок управления, боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря дополнительного генератора, внутренний аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, основной и дополнительной однофазными обмотками возбуждения возбудителя, и ротор, на валу которого установлены постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и аксиальный вращающийся магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя и однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, при этом постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя выполнен с датчиками положения ротора, состоящими из постоянного магнита и сигнальной обмотки каждый, причем постоянные магниты датчиков положения ротора закреплены на постоянном аксиальном многополюсном магните индуктора подвозбудителя по внешнему радиусу, а сигнальные обмотки датчиков положения ротора установлены на линии пересечения плоскости, проходящей через оси симметрии постоянных магнитов датчиков положения ротора и перпендикулярной оси вращения ротора, при этом каждая сигнальная обмотка закреплена на внутренней поверхности корпуса посредством штанги и равноудалена от соседних сигнальных обмоток, а вал ротора закреплен в подшипниковых узлах и жестко связан с постоянным аксиальным многополюсным магнитом индуктора подвозбудителя и с внутренним аксиальным магнитопроводом посредством дисков, при этом в блоке управления устанавливаются регулятор напряжения, регулятор частоты вращения ротора и переключатель режимов работы, к которому подключаются реле переключения многофазной обмотки якоря дополнительного генератора, реле переключения многофазной обмотки якоря основного генератора и реле переключения дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя, многофазные обмотки якоря основного генератора и якоря дополнительного генератора выполняются с одинаковым числом фаз и с возможностью подключения к соответствующему многофазному двухполупериодному выпрямителю, а постоянный аксиальный многополюсный магнит выполняется с количеством полюсов, равным количеству полюсов, создаваемому однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, при этом в блоке управления устанавливаются регулятор напряжения, регулятор частоты вращения ротора и переключатель режимов работы, к которому подключаются реле переключения многофазной обмотки якоря дополнительного генератора, реле переключения многофазной обмотки якоря основного генератора и реле переключения дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя, обеспечивающие переключение двигателя-генератора в режимы: генераторный, двигательный или двухвходового генератора.

Регулятор напряжения выполняется на однофазном магнитном усилителе, охваченном гибкой отрицательной обратной связью, включающей в себя стабилизирующий трансформатор тока, и трехфазном магнитном усилителе и содержит входное выпрямительное устройство, состоящее из понижающего трансформатора и входного трехфазного двухполупериодного выпрямителя, выполняемое с возможностью подключения к многофазной обмотке якоря основного генератора, измерительный орган, выполняемый по мостовой схеме и состоящий из стабилитронов, резисторов, включенных в плечи моста, и выносного регулировочного резистора, предназначенного для ручной настройки уровня выходного напряжения двигателя-генератора, при этом однофазный магнитный усилитель состоит из обмотки управления, рабочей, стабилизирующей и уравнительной обмоток, а трехфазный магнитный усилитель состоит из рабочих обмоток, короткозамкнутой демпферной обмотки, обеспечивающей подавление высокочастотных колебаний, возникающих при переходных процессах, обмотки смещения и обмотки управления, выходное выпрямительное устройство, последовательно соединенное с первичной обмоткой стабилизирующего трансформатора тока, выполняемое с возможностью подключения к однофазной дополнительной обмотке возбуждения возбудителя, дополнительное выпрямительное устройство, подключенное к обмотке смещения через регулировочный резистор и выполненное с возможностью подключения к многофазной обмотке якоря дополнительного генератора.

Регулятор частоты вращения ротора содержит блок сравнения, блок формирования пилообразного сигнала, подключаемый к первому входу блока сравнения, блок формирования управляющего сигнала, подключаемый ко второму входу блока сравнения, блоки формирования импульсов основного и дополнительного генераторов, выполняемые по количеству фаз многофазной обмотки якоря основного и многофазной обмотки якоря дополнительного генераторов и выполненные с возможностью подключения к многофазным обмоткам якоря основного и дополнительного генераторов, блок формирования импульсов возбудителя, выполняемый с возможностью подключения к дополнительной однофазной обмотке возбуждения возбудителя, преобразователь частота-напряжение, ко входу которого подключается сигнальная обмотка одного из датчиков положения ротора, и блок питания, обеспечивающий питание электронных элементов регулятора частоты вращения ротора напряжением низкого уровня, питание сигнальных обмоток датчиков положения ротора напряжением низкого уровня, а также подачу напряжения высокого уровня в блоки формирования импульсов основного и дополнительного генераторов, а также в блок формирования импульсов возбудителя на дополнительную однофазную обмотку возбуждения возбудителя и являющийся электрическим входом при работе двигателя-генератора в режиме двухвходового генератора.

В генераторном режиме работы многофазная обмотка якоря основного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря основного генератора подключается к многофазному двухполупериодному выпрямителю основного генератора, с выхода которого снимается регулируемое напряжение, и к входному выпрямительному устройству регулятора напряжения, многофазная обмотка якоря дополнительного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря дополнительного генератора подключается к многофазному выпрямителю дополнительного генератора, с выхода которого снимается нерегулируемое напряжение, и к дополнительному выпрямительному устройству регулятора напряжения, а дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя через контакты реле переключения дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя подключается к выходному выпрямительному устройству регулятора напряжения.

В двигательном режиме работы многофазная обмотка якоря основного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря основного генератора подключается к блоку формирования импульсов основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора, многофазная обмотка якоря дополнительного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря дополнительного генератора подключается к блоку формирования импульсов основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора, а дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя через контакты реле переключения дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя подключается к блоку формирования импульсов возбудителя регулятора частоты вращения ротора.

В режиме двухвходового генератора многофазная обмотка якоря основного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря основного генератора подключается к многофазному двухполупериодному выпрямителю основного генератора и к входному выпрямительному устройству регулятора напряжения, многофазная обмотка якоря дополнительного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря дополнительного генератора подключается к блоку формирования импульсов основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора, а дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя через контакты реле переключения дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя подключается к выходному выпрямительному устройству регулятора напряжения.

Предлагаемое изобретение, в отличие от прототипа, позволяет обеспечить возможность выполнения одной аксиальной электрической машиной трех функций: преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока высокого качества с регулированием (стабилизацией) выходного напряжения (генераторный режим), преобразование электрической энергии постоянного тока в механическую энергию вращения с регулированием частоты вращения ротора (двигательный режим), суммирование электрической энергии, поступающей от источника постоянного тока, с энергией, поступающей от источника механической энергии вращения, и выдача суммарной энергии в виде электрической энергии постоянного тока (режим двухвходового генератора).

Возникновение опасных электрических, механических и тепловых перегрузок из-за большой величины пускового тока в обмотке статора устраняется в предлагаемом изобретении тем, что схема управления запуском и частотой вращения ротора в двигательном режиме работы осуществляет плавный пуск без возникновения пускового тока большой величины в обмотках статора и не создает значительных нагрузок на сеть.

Возможность регулировать частоту вращения ротора электрической машины при ее работе в двигательном режиме и возможность регулировать выходное напряжение электрической машины при ее работе в генераторном режиме работы обеспечены благодаря предлагаемому в изобретении регулятору частоты вращения ротора и подключению к дополнительной обмотке возбуждения возбудителя, обмотке якоря основного генератора и обмотке якоря дополнительного генератора регулятора напряжения на магнитных усилителях. Регулятор частоты вращения и регулятор напряжения являются составными частями разработанного авторами блока управления предлагаемого аксиального управляемого бесконтактного двигателя-генератора.

Возможность управлять запуском и частотой вращения ротора электрической машины при ее работе в двигательном режиме обеспечена благодаря разработанному авторами блоку управления с регулятором частоты вращения ротора, подключаемому в двигательном режиме к дополнительной обмотке возбуждения возбудителя, обмотке якоря основного генератора и обмотке якоря дополнительного генератора.

Возможность осуществлять суммирование электрической и механической энергии вращения с одновременным преобразованием полученной энергии в электрическую энергию постоянного тока обеспечивается благодаря установке в блок управления регулятора частоты вращения ротора, подключаемого в режиме двухвходового генератора к многофазной обмотке якоря дополнительного генератора, и регулятора напряжения, подключаемого в режиме двухвходового генератора к выводам дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя и к выходу выпрямителя, который соединяется с многофазной обмоткой якоря основного генератора.

Таким образом, при работе предлагаемого аксиального управляемого бесконтактного двигателя-генератора в режиме двухвходового генератора путем одновременного осуществления регулирования частоты вращения ротора и регулирования выходного напряжения генератора устраняются вышеперечисленные недостатки известного аксиального бесконтактного двигателя-генератора с известным регулятором напряжения на магнитных усилителях.

Улучшение массогабаритных показателей и повышение надежности двигателя-генератора достигается тем, что многофазные обмотки якоря основного генератора и якоря дополнительного генератора выполняются с одинаковым числом фаз, а постоянный аксиальный многополюсный магнит выполняется с количеством полюсов, равным количеству полюсов, создаваемому однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, благодаря чему уменьшается необходимое количество блоков формирования импульсов регулятора частоты вращения для управления двигателем-генератором в двигательном режиме.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого аксиального управляемого бесконтактного двигателя-генератора в разрезе и его сечение по плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора и проходящей через оси симметрии постоянных магнитов датчика положения ротора; на фиг. 2 - электрическая схема предлагаемого аксиального управляемого бесконтактного двигателя-генератора с блоком управления; на фиг. 3 - структурная схема блока управления, на фиг. 4 - электрическая схема предлагаемого аксиального управляемого бесконтактного двигателя-генератора с регулятором напряжения, на фиг. 5 - электрическая схема регулятора частоты вращения ротора, на фиг. 6 - выходная характеристика измерительного органа регулятора напряжения, на фиг. 7 - рабочие характеристики однофазного и трехфазного магнитных усилителей регулятора напряжения, на фиг. 8 - принцип формирования широтно-импульсной модуляции сигнала в регуляторе частоты вращения ротора, на фиг. 9 - принцип формирования сигнала на выходе регулятора частоты вращения ротора, на фиг. 10 - принцип формирования широтно-импульсной модуляции сигнала в регуляторе частоты вращения ротора при изменении частоты вращения ротора.

Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор содержит (фиг. 1) корпус 1, в котором установлены блок управления 20, боковой аксиальный магнитопровод 10 с многофазной обмоткой 11 якоря основного генератора, боковой аксиальный магнитопровод 21 с многофазной обмоткой 22 якоря дополнительного генератора, внутренний аксиальный магнитопровод 3 с многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя, основной однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя и дополнительной однофазной обмоткой 6 возбуждения возбудителя, и ротор, на валу 12 которого установлены постоянный аксиальный многополюсный магнит 2 индуктора подвозбудителя и аксиальный вращающийся магнитопровод 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя и однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора. Постоянный аксиальный многополюсный магнит 2 индуктора подвозбудителя выполнен с датчиками положения ротора (ДПР), состоящими из постоянного магнита 23 и сигнальной обмотки 24 каждый, причем постоянные магниты 23 датчиков положения ротора закреплены на постоянном аксиальном многополюсном магните 2 индуктора подвозбудителя по его внешнему радиусу, а сигнальные обмотки 24 ДПР установлены на линии пересечения плоскости, проходящей через оси симметрии постоянных магнитов 23 ДПР и перпендикулярной оси вращения ротора, при этом каждая сигнальная обмотка 24 закреплена на внутренней поверхности корпуса 1 посредством штанги 26 и равноудалена от соседних сигнальных обмоток. Вал 12 ротора закреплен в подшипниковых узлах 13 и 14 и жестко связан с постоянным аксиальным многополюсным магнитом 2 индуктора подвозбудителя посредством диска 15 и с внутренним аксиальным магнитопроводом 7 посредством диска 16.

Многофазные обмотки 11 якоря основного генератора и 22 якоря дополнительного генератора выполнены с одинаковым числом фаз, а постоянный аксиальный многополюсный магнит 2 выполнен с количеством полюсов, равным количеству полюсов, создаваемому однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора. В блоке управления 20 (фиг. 3) установлены регулятор напряжения 29, регулятор частоты вращения ротора 28 и переключатель режимов работы 27, к которому подключены реле 30 переключения многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора, реле 31 переключения многофазной обмотки 11 якоря основного генератора и реле 32 переключения дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя, обеспечивающие переключение двигателя-генератора в режимы: генераторный, двигательный или двухвходового генератора.

Блок управления 20 аксиальным управляемым бесконтактным двигателем-генератором содержит (фиг. 3) переключатель режимов работы 27, регулятор частоты вращения ротора 28, регулятор напряжения 29, реле 30 переключения многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора, реле 31 переключения многофазной обмотки 11 якоря основного генератора, реле 32 переключения дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя.

Регулятор напряжения 29 (фиг. 4) выполнен на однофазном магнитном усилителе 35, охваченном гибкой отрицательной обратной связью, включающей в себя стабилизирующий трансформатор тока (Т1) 38, и трехфазном магнитном усилителе (УM1) 36 и содержит входное выпрямительное устройство (ВУ) 33, состоящее из понижающего трансформатора (Т) 47 и входного трехфазного двухполупериодного выпрямителя 48 и выполненное с возможностью подключения к многофазной обмотке 11 якоря основного генератора, измерительный орган (ИО) 34, выполненный по мостовой схеме и состоящий из стабилитронов (V1) 53 и (V2) 54, резисторов (R2) 50 и (R3) 51, включенных в плечи моста, и выносного регулировочного резистора (R1) 49, предназначенного для ручной настройки уровня выходного напряжения U_1вых двигателя-генератора; при этом однофазный магнитный усилитель 35 состоит из обмотки управления (w_У1) 39, рабочей обмотки (w_Р1) 40, стабилизирующей обмотки (w_С) 43 и уравнительной обмотки (w_УР) 42; а трехфазный магнитный усилитель (второй каскад усиления) (УМ2) 36 состоит из рабочих обмоток (w_Р) 55, короткозамкнутой демпферной обмотки (w_Д) 46, обеспечивающей подавление высокочастотных колебаний, возникающих при переходных процессах, обмотки смещения (w_СМ) 44 и обмотки управления (w_У2) 41; выходное выпрямительное устройство (В1) 37, последовательно соединенное с первичной обмоткой стабилизирующего трансформатора тока 38, выполненное с возможностью подключения к дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения возбудителя, дополнительное выпрямительное устройство (В2) 45, подключенное к обмотке смещения 44 через регулировочный резистор (R4) 52 и имеющее возможность подключения к многофазной обмотке якоря 22 дополнительного генератора.

На фиг. 6 обозначено: Uвх - входное напряжение регулятора напряжения 29, Uвых - выходное напряжение регулятора напряжения 29, Ua - потенциал в точке a измерительного органа 34 (фиг. 4), Uб - потенциал в точке б измерительного органа 34 (фиг. 4), Uэ - эталонное напряжение, с которым сравнивается выходное напряжение генератора, Uo - опорное напряжение на выходе регулятора напряжения 29, относительно которого осуществляется регулирование выходное напряжение генератора.

Рабочим участком выходной характеристики Uвых=f(U_ВХ) измерительного органа 34 (фиг. 6) является ее участок 1-2.

К выходу измерительного органа 34 (точки а-б) подключена обмотка управления 39 однофазного магнитного усилителя 35, рабочая обмотка 40 которого включена в цепь питания трехфазного магнитного усилителя 36. Питание цепей управления рассматриваемой системы регулирования (обмотка управления 41, а также обмотка смещения 44) трехфазного магнитного усилителя 36 осуществляется от многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора.

Нагрузкой трехфазного усилителя 36 является дополнительная однофазная обмотка 6 возбуждения возбудителя, подключаемая к усилителю 36 через выходное выпрямительное устройство 37 контактами реле 32.

Величина напряжения в обмотке смещения 44 настраивается регулировочным резистором 52. Магнитные усилители 35 и 36 выполнены для повышения их коэффициента усиления с положительной обратной связью.

Использование двух магнитных усилителей вместо одного позволяет получить высокий коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления последовательно включенных усилителей при незначительном увеличении постоянной времени регулятора напряжения 29, равной сумме постоянных времени этих усилителей.

Для улучшения динамических характеристик регулятора усилитель 35 охвачен гибкой отрицательной обратной связью по току возбуждения возбудителя, включающей в себя стабилизирующий трансформатор тока 38, первичная обмотка которого включена последовательно с дополнительной однофазной обмоткой 6 возбуждения возбудителя. К зажимам вторичной обмотки стабилизирующего трансформатора тока 38 подключена стабилизирующая обмотка 43 однофазного магнитного усилителя 35. Магнитодвижущая сила (МДС), создаваемая стабилизирующей обмоткой 43, при повышении величины тока в дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения возбудителя размагничивает, а при его снижении намагничивает сердечники магнитного усилителя 35, осуществляя регулирование напряжения в дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения возбудителя. Так как по стабилизирующей обмотке 43 ток протекает только во время переходных процессов, то ее действие не оказывает влияния на статическую ошибку системы регулирования напряжения. Для подавления высокочастотных колебаний, возникающих при переходных процессах, магнитный усилитель 36 содержит короткозамкнутую демпферную обмотку 46.

Регулятор частоты вращения ротора (РЧВ) 28 (фиг. 5) содержит блок сравнения (CP) 58, блок формирования пилообразного сигнала (ФПС) 56, подключенный к первому входу блока сравнения 58, блок формирования управляющего сигнала (ФУС) 57, подключенный ко второму входу блока сравнения 58, блоки формирования импульсов (ФИ) 59 основного и дополнительного генераторов, выполненные по количеству фаз многофазной обмотки 11 якоря основного и многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генераторов (по одному блоку ФИ 59 для каждой фазы многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора и многофазной обмотки 11 якоря основного генератора) и имеющие возможность подключения к многофазным обмоткам 11 и 22 якоря основного и, соответственно, дополнительного генераторов, блок формирования импульсов возбудителя (ФИдоп) 60, выполненный с возможностью подключения к дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения возбудителя, преобразователь «частота-напряжение» (ПЧН) 62, ко входу которого подключена сигнальная обмотка 24 одного из датчиков положения ротора, и блок питания (БП) 61, обеспечивающий питание электронных элементов РЧВ 28 напряжением низкого уровня, питание сигнальных обмоток 24 датчиков положения ротора напряжением низкого уровня, а также подачу напряжения высокого уровня в блоки ФИ 59 основного и дополнительного генераторов, а также в блок ФИдоп 60 возбудителя и являющийся электрическим входом при работе двигателя-генератора в режиме двухвходового генератора.

В состав CP 58 входит операционный усилитель (ОР4) 77. В состав блока ФПС 56 входят резисторы (R1) 63, (R2) 64, (R3) 65, (R4) 66, (R5) 67, конденсатор (С7) 74. В состав блока ФУС 57 входят резисторы (R6) 68, (R7) 69, (R8) 70, (R9) 71, (R10) 72 и операционный усилитель (ОР3) 76. В состав блоков ФИ 59 основного и дополнительного генераторов входят транзисторы (VT1) 78, (VT2) 79, (VT3) 80, (VT4) 81, (VT5) 82, (VT6) 83, (VT7) 84 и (VT8) 85. В состав ПЧН 62 входят резистор (R11) 73 и конденсатор (С3) 75.

Для работы регулятора частоты вращения ротора 28 необходимо питание двух уровней напряжения: низкий уровень - для обеспечения работы электронных компонентов схемы, в частности, транзисторов; высокий уровень - для обеспечения в дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения возбудителя, многофазной обмотке 11 якоря основного генератора и многофазной обмотке 22 якоря дополнительного генератора большой силы тока, при протекании которого возникает магнитный поток, участвующий в создании крутящего электромагнитного момента, приводящего в движение ротор двигателя-генератора. Необходимые уровни напряжения обеспечивает блок питания БП 61, который подключается к внешнему источнику электрической энергии с напряжением U_питРЧВ (фиг. 5).

На фиг. 7 приведены рабочие характеристики магнитных усилителей 35 и 36.

На фиг. 7 обозначено I_у20 - ток в рабочей обмотке 40,1 I_ВВ0 - ток в дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения возбудителя, F_y10 - МДС, создаваемая обмоткой управления 39, F_y20 - МДС, создаваемая обмоткой управления 41, F_СМ - МДС, создаваемая обмоткой смещения 44.

На фиг. 8 обозначено: U_выхФПС - сигнал на выходе блока формирования пилообразного сигнала 56, U_выхФУС - сигнал на выходе блока формирования управляющего сигнала 57, U_выхСР - сигнал на выходе блока сравнения 58.

На фиг. 9 обозначено: U_выхСР - сигнал на выходе блока сравнения 58, U_ДПР - сигнал на выходе сигнальной обмотки 24 ДПР, U_выхФИ - сигнал на выходе блока формирования импульсов 59.

На фиг. 10 обозначено: U_выхФПС - сигнал на выходе блока формирования пилообразного сигнала 56, U_выхФУС - сигнал на выходе блока формирования управляющего сигнала 57, U_выхСР - сигнал на выходе блока сравнения 58.

Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор может работать в одном из трех режимах: в генераторном режиме, в двигательном режиме и в режиме двухвходового генератора. Переключатель режимов работы 27 имеет три положения, соответствующие каждому из перечисленных режимов работы.

Генераторный режим работы (фиг. 4). В генераторном режиме работы многофазная обмотка 11 якоря основного генератора через контакты реле 31 переключения многофазной обмотки 11 якоря основного генератора подключена к многофазному двухполупериодному выпрямителю 19 основного генератора, с выхода которого снимается регулируемое напряжение, и к входному выпрямительному устройству 33 регулятора напряжения 29, многофазная обмотка 22 якоря дополнительного генератора через контакты реле 30 переключения многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора подключена к многофазному двухполупериодному выпрямителю 25 дополнительного генератора, с выхода которого снимается нерегулируемое напряжение, и к дополнительному выпрямительному устройству 45 регулятора напряжения 29, а дополнительная однофазная обмотка 6 возбуждения возбудителя через контакты реле 32 переключения дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя подключена к выходному выпрямительному устройству 37 регулятора напряжения 29.

Для этого переключатель режимов работы 27 (фиг. 3) устанавливается в положение, соответствующее генераторному режиму работы. При этом управляющие контакты реле 31 переключения многофазной обмотки 11 якоря основного генератора обесточены, под действием пружины контакты в реле 31 удерживаются в положении, при котором выводы многофазной обмотки 11 якоря основного генератора подключены к многофазному двухполупериодному выпрямителю 19, напряжение на выходе которого является регулируемым, и к первичной обмотке понижающего трансформатора 47 входного выпрямительного устройства 33 регулятора напряжения 29.

Управляющие контакты реле 30 переключения многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора обесточены, под действием пружины контакты в реле 30 удерживаются в положении, при котором выводы многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора подключаются к многофазному двухполупериодному выпрямителю 25, напряжение на выходе которого является нерегулируемым, и к дополнительному выпрямительному устройству 45 регулятора напряжения 29.

Управляющие контакты реле 32 переключения дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя обесточены, под действием пружины контакты в реле 32 удерживаются в положении, при котором выводы дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя подключены к выходному выпрямительному устройству 37 регулятора напряжения 29

При вращении постоянного аксиального многополюсного магнита 2 индуктора подвозбудителя и внутреннего аксиального магнитопровода 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя и однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора магнитный поток многополюсного аксиального постоянного магнита 2 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3, жестко установленного в корпусе генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 17 (фиг. 1, 2, 4) и подается на основную однофазную обмотку 5 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы бокового аксиального магнитопровода 3. При этом в основной однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя создается магнитный поток.

Созданный магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 18 и подается на однофазную обмотку 9 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7. Магнитный поток однофазной обмотки 9 возбуждения основного генератора взаимодействует с многофазной обмоткой 11 якоря основного генератора, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 10, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 19 и подается в сеть.

Кроме того, при вращении постоянного аксиального многополюсного магнита 2 индуктора подвозбудителя магнитный поток постоянного аксиального многополюсного магнита 2 взаимодействует с многофазной обмоткой 22 якоря дополнительного генератора, наводя в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 25 и подается в сеть.

Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор в генераторном режиме работы имеет два выходных напряжения. Напряжение U_1ВЫХ на выходе многофазного двухполупериодного выпрямителя 19 является регулируемым и стабилизированным, напряжение U2_ВЫХ на выходе многофазного двухполупериодного выпрямителя 25 является нерегулируемым.

Регулирование величины выходного напряжения U_1ВЫХ осуществляется выносным регулировочным резистором 49 регулятора напряжения 29.

Стабилизация выходного напряжения U_1ВЫХ, снимаемого с выхода многофазного двухполупериодного выпрямителя 19 основного генератора (фиг. 3, 4), осуществляется следующим образом.

Измерительный орган 34 (фиг. 4) регулятора напряжения 29 реагирует на отклонение среднего значения линейных напряжений, снимаемых с многофазной обмотки 11 якоря основного генератора, от заданного.

При отклонении выходного напряжения U_1ВЫХ, снимаемого с выхода многофазной обмотки 11 якоря основного генератора, от заданного значения, например, при его увеличении, сигнал рассогласования ΔU=U_ВХ-U_Э на выходе измерительного органа 34 возрастает (фиг. 6). На фиг. 6 U_BX - входное напряжение измерительного органа, потенциал в точке б (U_б), U_Э - эталонное напряжение, потенциал в точке a(U_a). Увеличение сигнала рассогласования ΔU приводит к увеличению тока в обмотке управления 39 магнитного усилителя 35. Согласно рабочей характеристике однофазного магнитного усилителя 35 (фиг. 7а) увеличение МДС F_У1 (по абсолютной величине), создаваемой обмоткой управления 39, вызывает уменьшение тока I_У2 (фиг. 7), протекающего по его рабочим обмоткам 40 (фиг. 4).

В трехфазном магнитном усилителе 36 МДС F_у2, создаваемая обмоткой управления 41, намагничивает его сердечники, а МДС F_см, создаваемая обмоткой смещения 44, размагничивает их. Поэтому при уменьшении МДС F_у2, вызванном уменьшением тока I_У2, и постоянном напряжении на зажимах дополнительного выпрямительного устройства 45 и соответственно постоянной МДС в обмотке смещения 44 (F_СМ=const) величина тока возбуждения возбудителя I_ВВ (фиг. 7, б) в дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения возбудителя также уменьшается, что приведет, соответственно, к снижению напряжения, снимаемого с выхода многофазной обмотки 11 якоря основного генератора, до заданного значения.

Для обеспечения равномерного распределения реактивной составляющей тока нагрузки между аксиальными управляемыми бесконтактными двигателями-генераторами, работающими параллельно в генераторном режиме, в магнитном усилителе 35 предусмотрена уравнительная обмотка 42, сигнал на которую подается от блока измерения реактивной мощности (на схемах не показан, так как не является существом изобретения).

Двигательный режим. В двигательном режиме работы многофазная обмотка 11 якоря основного генератора через контакты реле 31 переключения многофазной обмотки 11 якоря основного генератора подключена к блоку ФИ 59 основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора 28, многофазная обмотка 22 якоря дополнительного генератора через контакты реле 30 переключения многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора подключена к блоку ФИ 59 основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора 28, а дополнительная однофазная обмотка 6 возбуждения возбудителя через контакты реле 32 переключения дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя подключена к блоку ФИдоп возбудителя 60 регулятора частоты вращения ротора 28.

Для этого переключатель режимов работы 27 (фиг. 3) устанавливается в положение, соответствующее двигательному режиму работы. При этом на управляющие контакты реле 31 переключения многофазной обмотки 11 якоря основного генератора подается напряжение, под действием которого в реле 31 замыкаются контакты, подключающие выводы многофазной обмотки 11 якоря основного генератора к выходу блока ФИ 59 основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора 28.

На управляющие контакты реле 30 переключения многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора подается напряжение, под действием которого в реле 30 замыкаются контакты, подключающие выводы многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора к блоку ФИ 59 основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора 28.

На управляющие контакты реле 32 переключения дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя подается напряжение, под действием которого в реле 32 замыкаются контакты, подключающие выводы дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя к блоку ФИдоп возбудителя 60 регулятора частоты вращения ротора 28.

Пусть ротор аксиального управляемого бесконтактного двигателя-генератора неподвижен. На сигнальные обмотки 24 ДПР подается напряжение постоянного тока от блока питания БП 61 регулятора частоты вращения ротора 28 (фиг. 2, 5). В результате этого сигнальные обмотки 24 ДПР становятся чувствительными к магнитному потоку (вокруг сигнальных обмоток 24 возникает поперечное магнитное поле), создаваемому постоянным многополюсным магнитом 2. При прохождении полюсов постоянного аксиального многополюсного магнита 2 с закрепленными на них постоянными магнитами 23 ДПР мимо сигнальных обмоток 24 создаваемый постоянными магнитами 23 ДПР магнитный поток взаимодействует с магнитным потоком, создаваемым постоянным током в сигнальных обмотках 24 ДПР. В результате этого взаимодействия в сигнальных обмотках 24 ДПР возникает напряжение постоянного тока очень низкого уровня, причем напряжение на выходе сигнальных обмоток 24 ДПР возникает как при неподвижном состоянии ротора, так и при его вращении. Напряжение на выходе сигнальных обмоток 24 ДПР обусловлено тем, что магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 23 ДПР, пересекает сигнальные обмотки 24 ДПР, на которые подано питающее напряжение от БП 61. Магнитная ось постоянного многополюсного магнита 2 ориентирована аксиально, а у постоянных магнитов 23 ДПР - радиально. Напряжения в сигнальных обмотках 24 ДПР возникает только под воздействием радиального магнитного потока. Поэтому, несмотря на то, что магнитный поток рассеяния постоянного аксиального многополюсного магнита 2 взаимодействует с магнитным потоком постоянных магнитов 23 ДПР, его можно не учитывать.

Возникшее таким образом в сигнальных обмотках 23 ДПР напряжение постоянного тока поступает в блоки ФИ 59 основного и дополнительного генераторов, установленные в регуляторе частоты вращения ротора 28.

При подаче импульсов от блоков ФИ 59 регулятора частоты вращения ротора 28 на многофазную обмотку 22 якоря дополнительного генератора магнитный поток, создаваемый этой обмоткой, взаимодействует с магнитным потоком, создаваемым постоянным аксиальным многополюсным магнитом 2, приводя во вращение ротор двигателя-генератора (вал 12, на котором установлены постоянный аксиальный многополюсный магнит 2 и внутренний аксиальный магнитопровод 7 с обмотками 8 якоря возбудителя и 9 возбуждения основного генератора). При этом в многофазной обмотке 22 якоря дополнительного генератора благодаря импульсной форме подаваемого на обмотку 22 напряжения пусковой ток не достигает большой величины, как при использовании известного устройства асинхронного запуска, а запуск осуществляется плавно с постепенным повышением частоты вращения ротора до заданного уровня.

При вращении постоянного аксиального многополюсного магнита 2 якоря подвозбудителя и внутреннего аксиального магнитопровода 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя и основной однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора магнитный поток постоянного аксиального многополюсного магнита 2 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 3, жестко установленного в корпусе генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 17 и подается на основную однофазную обмотку 5 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы бокового аксиального магнитопровода 3. При этом в основной однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя создается магнитный поток.

Созданный основной однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 18 и подается на однофазную обмотку 9 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7.

При подаче импульсов от блоков ФИ 59 регулятора частоты вращения ротора 28 на многофазную обмотку 11 якоря основного генератора магнитный поток, созданный этой обмоткой, взаимодействует с магнитным потоком, созданным однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора, сообщая ротору дополнительный момент вращения.

Суммарный вращающий момент, сообщаемый ротору в каждый момент времени, определяется суммой вращающих моментов, создаваемых многофазной обмоткой 11 якоря основного генератора, многофазной обмоткой 22 якоря дополнительного генератора и дополнительной однофазной обмоткой 6 возбуждения возбудителя.

Регулирование величины суммарного вращающего момента, создаваемого при подаче импульсов в многофазные обмотки 11 якоря основного генератора и 22 якоря дополнительного генератора, а также в дополнительную однофазную обмотку 6 возбуждения возбудителя, а соответственно и частоты вращения ротора осуществляется путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то есть одновременным и согласованным изменением скважности импульсов в фазах многофазных обмоток 11 якоря основного генератора и 22 якоря дополнительного генератора, а также в дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения возбудителя в зависимости от частоты вращения ротора. Происходит это следующим образом (фиг. 5).

В блоке ФПС 56 формируется сигнал пилообразной формы. Частота этого сигнала определяет частоту импульсов опорного сигнала. Резисторы 63 и 64 образуют делитель напряжения, на выходе которого напряжение равно половине напряжения питания. Резистор 65 и конденсатор 74 определяют частоту пилообразного сигнала. Чем выше частота, тем точнее осуществляется регулирование частоты вращения ротора. Резисторы 66 и 67 образуют положительную обратную связь, а также влияют на высоту пилообразного сигнала относительно нуля.

В ПЧН 62 формируется выходной сигнал, подаваемый на вход операционного усилителя 77 блока ФУС 57 через резистор 69. Уровень напряжения этого сигнала пропорционален частоте следования импульсов от сигнальной обмотки 24 одного из ДПР и, соответственно, частоте вращения ротора. Для работы ПЧН 62 достаточно получать сигнал только от одной сигнальной обмотки 24 ДПР.

При поступлении импульсов от сигнальной обмотки 24 одного из ДПР начинается зарядка конденсатора 75 от БП 61, между импульсами конденсатор разрежается через резистор 73. Чем быстрее вращается ротор, тем чаще поступают импульсы от сигнальной обмотки 24 одного из ДПР и тем выше будет напряжение на выходе ПЧН 62.

В блоке ФУС 57 формируется управляющий сигнал, уровень напряжения которого зависит от частоты вращения ротора. Резистором 68 вручную устанавливается заданная величина частоты вращения, относительно которой будет осуществляться стабилизация. Резисторы 69 и 70 подбираются таким образом, чтобы напряжение на положительном и отрицательном входах операционного усилителя 77 были равны при условии, что частота вращения ротора равна установленной регулировочным резистором 68. Номинальные сопротивления резисторов 71 и 72 должны быть равны между собой. Номинальные сопротивления резисторов 69 (R7) и 71 (R9) определяют значение коэффициента усиления операционного усилителя 77: k=R9/R7. В операционном усилителе 77 осуществляется сравнение уровня напряжения, снимаемого с выхода ПЧН 62 и зависящего от частоты вращения ротора, с уровнем напряжения, заданного резистором 68. Разность этих напряжений усиливается, причем чем больше коэффициент усиления к, тем более узким будет окно регулирования, тем быстрее скважность выходного импульсного сигнала на выходе блока CP 58 будет изменяться от минимального до максимального значения при небольших отклонениях частоты вращения ротора.

В блоке CP 58 происходит сравнение пилообразного сигнала, снимаемого с ФПС 56, с управляющим сигналом постоянного напряжения, снимаемым с операционного усилителя 77 формирователя управляющего сигнала 57. Операционный усилитель 76 работает в режиме компаратора. Параметры элементов регулятора частоты вращения ротора 28 выбираются таким образом, чтобы при частоте вращения ротора, равной заданной резистором 68, уровень управляющего сигнала на выходе блока ФУС 57 располагался посередине пилообразного сигнала (фиг. 8, верхний график). В этом случае длительность импульсов на выходе блока CP 58 равна длительности паузы (фиг. 8, нижний график), поэтому возможность стабилизации выходного напряжения генератора U_1ВЫХ как при уменьшении, так и при увеличении относительного заданного уровня будет одинакова.

Из блока CP 58 выходной ШИМ-сигнал поступает в блоки ФИ 59. В каждом из блоков ФИ 59 реализованы логические элементы «И» на транзисторах 78, 79, 80 и логические элементы «НЕ-И» на транзисторах 81, 82, 83, 84, 85. Каждый блок ФИ 59 имеет два управляющих входа.

Напряжение на одном из управляющих входов каждого блока ФИ 59 появляется в течение времени импульса ШИМ-сигнала с выхода блока CP 58. Напряжение на другой вход каждого ФИ 59 поступает с сигнальных обмоток 24 в момент прохождения постоянных магнитов 23 ДПР мимо сигнальной обмотки 24 ДПР, соответствующего фазе обмотки 22 якоря дополнительного генератора, которая подключена к рассматриваемому блоку ФИ 59. В результате на выходе каждого из блоков ФИ 59 возникает сигнал, изображенный на нижнем графике фиг. 9.

Расположение постоянных магнитов 23 ДПР, сигнальных обмоток 24 ДПР на постоянном аксиальном многополюсном магните 2, а также электронная схема блока ФИ 59 выполнены таким образом, что при прохождении мимо соответствующей фазы обмотки 22 якоря дополнительного генератора полюса постоянного многополюсного магнита 2 одной полярности, сигнальная обмотка 24 ДПР выдает сигнал в виде импульса напряжения, при этом протекание тока в соответствующей фазе обмотки 22 якоря дополнительного генератора происходит в направлении, при котором создается магнитный поток, который, взаимодействуя с магнитным потоком, создаваемым постоянным аксиальным многополюсным магнитом 2, создает вращающий электромагнитный момент. При смене полярности постоянного аксиального многополюсного магнита 2, проходящего мимо соответствующей фазы обмотки 22 якоря дополнительного генератора, сигнал от сигнальной обмотки 24 ДПР пропадает, при этом меняется направление протекания тока в соответствующей фазе многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора, и возникающий при этом магнитный поток, взаимодействуя с магнитным потоком, создаваемым постоянным многополюсным магнитом 2, также создает вращающий электромагнитный момент, который придает ротору вращение в прежнем направлении.

В случае понижения частоты вращения ротора напряжение на выходе блока ФУС 57 уменьшится, в результате чего длительность импульсов на выходе блока CP 58 увеличится (фиг. 10, а). При этом увеличится длительность импульсов, поступающих в многофазные 11 якоря основного генератора, 22 якоря дополнительного генератора и в однофазную дополнительную обмотку 6 возбуждения возбудителя.

В результате увеличения длительности импульсов, подаваемых в многофазные обмотки 11 якоря основного генератора и 22 якоря дополнительного генератора, увеличивается время взаимодействия магнитных потоков, создаваемых обмотками 9 и 11, а также магнитных потоков, создаваемых обмоткой 22 и постоянным многополюсным магнитом 2, в течение которого создается вращающий момент ротора.

В результате увеличения длительности импульсов, подаваемых в дополнительную однофазную обмотку 6, увеличивается время взаимодействия магнитных потоков, создаваемых обмотками 5 и 6, в течение которого создается вращающий момент ротора.

В результате увеличения среднего значения суммарного вращающего момента ротор начинает вращаться быстрее, и частота его вращения повышается до заданного уровня.

В случае повышения частоты вращения ротора напряжение на выходе блока ФУС 57 увеличится, в результате чего длительность импульсов на выходе блока CP 58 уменьшится (фиг. 10, б). При этом уменьшится длительность импульсов, поступающих в многофазные 11 якоря основного генератора, 22 якоря дополнительного генератора и в однофазную дополнительную обмотку 6 возбуждения возбудителя.

В результате уменьшения длительности импульсов, подаваемых в многофазные обмотки 11 якоря основного генератора и 22 якоря дополнительного генератора, уменьшается время взаимодействия магнитных потоков, создаваемых обмотками 9 и 11, а также магнитных потоков, создаваемых обмоткой 22 и постоянным многополюсным магнитом 2, в течение которого создается вращающий момент ротора.

В результате уменьшения длительности импульсов, подаваемых в дополнительную однофазную обмотку 6, уменьшается время взаимодействия магнитных потоков, создаваемых обмотками 5 и 6, в течение которого создается вращающий момент ротора.

При уменьшении среднего значения суммарного вращающего момента ротор начинает вращаться медленнее, и частота его вращения понижается до заданного уровня.

Согласованность времени подачи импульсов в обмотки 11 якоря основного генератора и 22 якоря дополнительного генератора, а также в дополнительную однофазную обмотку 6 возбуждения возбудителя, с положением ротора в каждый момент времени обеспечена геометрическим расположением сигнальных обмоток 24 ДПР относительно обмоток 11, 22 и 6, а частота и длительность подачи управляющих импульсов определяется текущей частотой вращения, а также геометрическими размерами постоянных магнитов 23 ДПР.

Режим двухвходового генератора. В режиме двухвходового генератора многофазная обмотка 11 якоря основного генератора через контакты реле 31 переключения многофазной обмотки 11 якоря основного генератора подключена к многофазному двухполупериодному выпрямителю 19 основного генератора и к входному выпрямительному устройству 33 регулятора напряжения 29, многофазная обмотка 22 якоря дополнительного генератора через контакты реле 30 переключения многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора подключена к блоку ФИ 59 основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора 28, а дополнительная однофазная обмотка 6 возбуждения возбудителя через контакты реле 32 переключения дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя подключена к выходному выпрямительному устройству 37 регулятора напряжения 29.

Для этого переключатель режимов работы 27 (фиг. 3) устанавливается в положение, соответствующее режиму работы двухвходового генератора. При этом управляющие контакты реле 31 переключения многофазной обмотки 11 якоря основного генератора обесточены, под действием пружины контакты в реле 31 удерживаются в положении, при котором выводы многофазной обмотки 11 якоря основного генератора подключены к многофазному двухполупериодному выпрямителю 19, напряжение на выходе которого является регулируемым, и к входному выпрямительному устройству 33 регулятора напряжения 29. Сигнал с многофазной обмотки 11 якоря основного генератора подается на первичную обмотку понижающего трансформатора 47 входного выпрямительного устройства 33 регулятора напряжения 29 (фиг. 4).

На управляющие контакты реле 30 переключения многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора подается напряжение, под действием которого в реле 30 замыкаются контакты, подключающие выводы многофазной обмотки 22 якоря дополнительного генератора к блоку ФИ 59 основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора 28.

Управляющие контакты реле 32 переключения дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя обесточены, под действием пружины контакты в реле 32 удерживаются в положении, при котором выводы дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения возбудителя подключены к выходному выпрямительному устройству 47 регулятора напряжения 29.

Ротор генератора приводится во вращение от внешнего источника механической энергии (первый вход). Кроме того, ротор приводится во вращение при возникновении электромагнитного вращающего момента, который формируется следующим образом.

На сигнальные обмотки 24 ДПР подается напряжение постоянного тока от БП 61 регулятора частоты вращения ротора 28 (фиг. 2, 5). В результате этого сигнальные обмотки 24 ДПР становятся чувствительными к магнитному потоку (вокруг сигнальных обмоток 24 возникает поперечное магнитное поле), создаваемому постоянным аксиальным многополюсным магнитом 2. При прохождении полюсов постоянного аксиального многополюсного магнита 2 с закрепленными на них постоянными магнитами 23 ДПР мимо сигнальных обмоток 24 ДПР, создаваемый постоянными магнитами 23 ДПР, магнитный поток взаимодействует с магнитным потоком, создаваемым постоянным током в сигнальных обмотках 24 ДПР. В результате этого взаимодействия в сигнальных обмотках 24 ДПР возникает напряжение постоянного тока очень низкого уровня, причем напряжение на выходе сигнальных обмоток 24 ДПР возникает как при неподвижном состоянии ротора, так и при его вращении. Эти сигналы поступают на входы транзисторов 79 и 82 блоков ФИ 59 регулятора частоты вращения ротора 28.

Регулятор частоты вращения ротора 28 получает энергию от внешнего источника электрической энергии с напряжением U_питРЧВ (фиг. 5) (второй вход), например, от аккумуляторной батарее или фотоэлектрического элемента, преобразующею световую энергию Солнца в электрическую энергию постоянного тока. При подаче импульсов от регулятора частоты вращения ротора 28 на многофазную обмотку 22 якоря дополнительного генератора магнитный поток, создаваемый этой обмоткой, взаимодействует с магнитным потоком, создаваемым постоянным аксиальным многополюсным магнитом 2, приводя во вращение ротор двигателя-генератора (вал 12, с установленными на нем постоянным аксиальным многополюсным магнитом 2 и внутренним аксиальным магнитопроводом 7 с обмотками 8 якоря возбудителя и 9 возбуждения основного генератора).

При вращении постоянного аксиального многополюсного магнита 2 якоря подвозбудителя и внутреннего аксиального магнитопровода 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя и однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора магнитный поток многополюсного аксиального постоянного магнита 2 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 4 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 3, жестко установленного в корпусе генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 17 и подается на основную однофазную обмотку 5 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы бокового аксиального магнитопровода 3. При этом в основной однофазной обмотке 5 возбуждения возбудителя создается магнитный поток.

Созданный основной однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, уложенной 15 пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 18 и подается на однофазную обмотку 9 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 7.

Магнитный поток однофазной обмотки 9 возбуждения основного генератора взаимодействует с многофазной обмоткой 11 якоря основного генератора, уложенной в пазы бокового аксиального магнитопровода 10, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 19 и подается в сеть.

Регулятор частоты вращения ротора 28 регулирует скважность силовых импульсов в многофазной обмотке 22 якоря дополнительного генератора, изменяя тем самым вращающий момент, сообщаемый ротору в момент подачи импульсов на обмотку 22 якоря дополнительного генератора также как в двигательном режиме.

Стабилизация выходного напряжения U_1ВЫХ генератора осуществляется так же, как и при генераторном режиме.

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам постоянного тока и предназначено для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию постоянного тока высокого качества, а также для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию вращения с регулируемой частотой вращения. Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор содержит корпус, в котором установлены блок управления, боковые аксиальные магнитопровода с многофазными обмотками якоря основного и дополнительного генераторов, внутренний аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, основной и дополнительной однофазными обмотками возбуждения возбудителя. На валу ротора установлены постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и аксиальный вращающийся магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя и однофазной обмоткой возбуждения основного генератора. Постоянный магнит индуктора подвозбудителя выполнен с датчиками положения ротора, каждый из которых состоит из сигнальной обмотки и постоянного магнита, закрепленного на постоянном аксиальном многополюсном магните индуктора подвозбудителя по внешнему радиусу. А сигнальные обмотки установлены на линии пересечения плоскости, проходящей через оси симметрии постоянных магнитов датчиков положения ротора и перпендикулярной оси вращения ротора, закреплены на внутренней поверхности корпуса посредством штанги и равноудалены от соседних сигнальных обмоток. Вал ротора закреплен в подшипниковых узлах и жестко связан с постоянным аксиальным магнитом индуктора подвозбудителя и с внутренним аксиальным магнитопроводом посредством дисков. Многофазные обмотки якоря основного и дополнительного генераторов выполнены с одинаковым числом фаз, а постоянный аксиальный магнит - с количеством полюсов, равным количеству полюсов, создаваемому однофазной обмоткой возбуждения основного генератора. Блок управления обеспечивает переключение двигателя-генератора в генераторный, двигательный или двухвходовой. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор, содержащий корпус, в котором установлены блок управления, боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря дополнительного генератора, внутренний аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, основной и дополнительной однофазными обмотками возбуждения возбудителя, и ротор, на валу которого установлены постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и аксиальный вращающийся магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя и однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, при этом постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя выполнен с датчиками положения ротора, состоящими из постоянного магнита и сигнальной обмотки каждый, причем постоянные магниты датчиков положения ротора закреплены на постоянном аксиальном многополюсном магните индуктора подвозбудителя по внешнему радиусу, а сигнальные обмотки датчиков положения ротора установлены на линии пересечения плоскости, проходящей через оси симметрии постоянных магнитов датчиков положения ротора и перпендикулярной оси вращения ротора, при этом каждая сигнальная обмотка закреплена на внутренней поверхности корпуса посредством штанги и равноудалена от соседних сигнальных обмоток, а вал ротора закреплен в подшипниковых узлах и жестко связан с постоянным аксиальным многополюсным магнитом индуктора подвозбудителя и с внутренним аксиальным магнитопроводом посредством дисков, отличающийся тем, что многофазные обмотки якоря основного генератора и якоря дополнительного генератора выполнены с одинаковым числом фаз и с возможностью подключения к соответствующему многофазному двухполупериодному выпрямителю, а постоянный аксиальный многополюсный магнит выполнен с количеством полюсов, равным количеству полюсов, создаваемому однофазной обмоткой возбуждения основного генератора, при этом в блоке управления установлены регулятор напряжения, регулятор частоты вращения ротора и переключатель режимов работы, к которому подключены реле переключения многофазной обмотки якоря дополнительного генератора, реле переключения многофазной обмотки якоря основного генератора и реле переключения дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя, обеспечивающие переключение двигателя-генератора в режимы: генераторный, двигательный или двухвходового генератора.

2. Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор по п. 1, отличающийся тем, что регулятор напряжения выполнен на однофазном магнитном усилителе, охваченном гибкой отрицательной обратной связью, включающей в себя стабилизирующий трансформатор тока, и трехфазном магнитном усилителе и содержит входное выпрямительное устройство, состоящее из понижающего трансформатора и входного трехфазного двухполупериодного выпрямителя, выполненное с возможностью подключения к многофазной обмотке якоря основного генератора, измерительный орган, выполненный по мостовой схеме и состоящий из стабилитронов, резисторов, включенных в плечи моста, и выносного регулировочного резистора, предназначенного для ручной настройки уровня выходного напряжения двигателя-генератора, при этом однофазный магнитный усилитель состоит из обмотки управления, рабочей, стабилизирующей и уравнительной обмоток, а трехфазный магнитный усилитель состоит из рабочих обмоток, короткозамкнутой демпферной обмотки, обеспечивающей подавление высокочастотных колебаний, возникающих при переходных процессах, обмотки смещения и обмотки управления, выходное выпрямительное устройство, последовательно соединенное с первичной обмоткой стабилизирующего трансформатора тока, выполненное с возможностью подключения к однофазной дополнительной обмотке возбуждения возбудителя, дополнительное выпрямительное устройство, подключенное к обмотке смещения через регулировочный резистор и имеющее возможность подключения к многофазной обмотке якоря дополнительного генератора.

3. Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор по п. 1, отличающийся тем, что регулятор частоты вращения ротора содержит блок сравнения, блок формирования пилообразного сигнала, подключенный к первому входу блока сравнения, блок формирования управляющего сигнала, подключенный ко второму входу блока сравнения, блоки формирования импульсов основного и дополнительного генераторов, выполненные по количеству фаз многофазной обмотки якоря основного и многофазной обмотки якоря дополнительного генераторов и имеющие возможность подключения к многофазным обмоткам якоря основного и дополнительного генераторов, блок формирования импульсов возбудителя, выполненный с возможностью подключения к дополнительной однофазной обмотке возбуждения возбудителя, преобразователь частота-напряжение, ко входу которого подключена сигнальная обмотка одного из датчиков положения ротора, и блок питания, обеспечивающий питание электронных элементов регулятора частоты вращения ротора напряжением низкого уровня, питание сигнальных обмоток датчиков положения ротора напряжением низкого уровня, а также подачу напряжения высокого уровня в блоки формирования импульсов основного и дополнительного генераторов, а также в блок формирования импульсов возбудителя на дополнительную однофазную обмотку возбуждения возбудителя и являющийся электрическим входом при работе двигателя-генератора в режиме двухвходового генератора.

4. Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор по п. 2, отличающийся тем, что в генераторном режиме работы многофазная обмотка якоря основного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря основного генератора подключена к многофазному двухполупериодному выпрямителю основного генератора, с выхода которого снимается регулируемое напряжение, и к входному выпрямительному устройству регулятора напряжения, многофазная обмотка якоря дополнительного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря дополнительного генератора подключена к многофазному выпрямителю дополнительного генератора, с выхода которого снимается нерегулируемое напряжение, и к дополнительному выпрямительному устройству регулятора напряжения, а дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя через контакты реле переключения дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя подключена к выходному выпрямительному устройству регулятора напряжения.

5. Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор по п. 2, отличающийся тем, что в двигательном режиме работы многофазная обмотка якоря основного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря основного генератора подключена к блоку формирования импульсов основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора, многофазная обмотка якоря дополнительного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря дополнительного генератора подключена к блоку формирования импульсов основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора, а дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя через контакты реле переключения дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя подключена к блоку формирования импульсов возбудителя регулятора частоты вращения ротора.

6. Аксиальный управляемый бесконтактный двигатель-генератор по п. 2, отличающийся тем, что в режиме двухвходового генератора многофазная обмотка якоря основного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря основного генератора подключена к многофазному двухполупериодному выпрямителю основного генератора и к входному выпрямительному устройству регулятора напряжения, многофазная обмотка якоря дополнительного генератора через контакты реле переключения многофазной обмотки якоря дополнительного генератора подключена к блоку формирования импульсов основного и дополнительного генераторов регулятора частоты вращения ротора, а дополнительная однофазная обмотка возбуждения возбудителя через контакты реле переключения дополнительной однофазной обмотки возбуждения возбудителя подключена к выходному выпрямительному устройству регулятора напряжения.