Источник постоянного тока, выполненный на синхронном шаговом двигателе, с повышенным напряжением Российский патент 2018 года по МПК H02K21/14 

Предлагаемое изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано в качестве источника постоянного тока.

Известен трехфазный синхронный генератор, содержащий ротор, на валу которого расположены полюсы с прикрепленными на них катушками возбуждения, к которым подключен источник постоянного напряжения, и статор, в пазах которого уложены катушки индуктивности. Источник постоянного напряжения, необходимый для питания катушек возбуждения полюсов ротора, подключен к последним через кольца на роторе и подвижные щеточные контакты (Кузнецов М. И. Основы электротехники / М.И. Кузнецов. - М.: Высшая школа, 1964. - С. 333-334).

Однако описанный трехфазный синхронный генератор имеет следующие недостатки: дополнительный расход электрической энергии на источник постоянного напряжения, необходимый для питания катушек возбуждения полюсов ротора; низкая надежность в следствие наличия подвижных щеточных контактов для подачи питающего постоянного напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является шаговый двигатель, содержащий ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены отдельные катушки. Каждая катушка связана с изолированным источником постоянного напряжения и с системой управления. Питание постоянным током подается на каждую катушку отдельно, причем поочередно с помощью системы управления, что обеспечивает шаговое движение ротора и его фиксацию при обесточенных обмотках возбуждения. Количество катушек зависит от шага двигателя (Емельянов А. В. Шаговые двигатели: учеб. пособие / А.В. Емельянов, А.Н. Шилин. - Волгоград: ВолгГТУ, 2005. - С.6, рис. 2, 3).

Основными недостатками этого устройства являются отсутствие выработки напряжения достаточной величины ввиду обеспечения движения ротора только при поступлении извне постоянного напряжения от изолированного источника на катушки в определенной последовательности, что связано с дополнительным расходом электроэнергии.

Представленное изобретение решает техническую проблему выработки повышенного значения напряжения при отсутствии использования дополнительного источника постоянного напряжения и системы управления, подающей напряжение на катушки, без значительного усложнения конструкции двигателя.

Решение этой технической проблемы достигается тем, что в источнике постоянного тока, выполненном на синхронном шаговом двигателе, с повышенным напряжением, содержащем ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены катушки, согласно изобретению, ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в катушках переменного напряжения. Количество катушек на статоре четное и в три раза больше, чем количество полюсов на роторе. Концы диаметрально расположенных катушек соединены между собой, начала нечетных катушек подключены ко входу трехфазного выпрямительного моста, а начала четных катушек объединены между собой.

Обеспечение возможности исключения дополнительного источника питания для катушек и системы управления, подающей напряжение на катушки, обусловлено тем, что на катушках в генераторном режиме от вращения постоянных магнитов, находящихся на роторе, наводится ЭДС, которая снимается с них прямо на вход трехфазного выпрямительного моста при последовательном, встречном, соединении концов диаметрально расположенных катушек, что позволяет суммировать генерируемые напряжения.

Оптимальное количество катушек на статоре, четное и в три раза больше, чем количество полюсов на роторе, это позволяет иметь повышенное напряжение и трехфазную систему напряжения.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена схема расположения постоянных магнитов на роторе и обмоток возбуждения на статоре; на фиг. 2 - принципиальная схема источника постоянного тока, выполненного на синхронном шаговом двигателе, с повышенным напряжением, и трехфазного выпрямительного моста; на фиг. 3 - графики зависимости генерируемого напряжения на катушках от времени; на фигуре - 4 графики зависимости суммируемого генерируемого напряжения на катушках от времени при последовательном соединении; на фиг. 5 - графики работы трехфазного выпрямительного моста; на фиг. 6 - графики зависимости выпрямленного напряжения на нагрузке при последовательном соединении катушек.

Кроме того, на чертеже использованы следующие обозначения:

- L1 - L6 - катушки;

- N - северный полюс постоянного магнита;

- S - южный полюс постоянного магнита;

- - начало катушки;

- Р - ротор;

- С - статор;

- R - нагрузка;

- u - переменное напряжение;

- U - выпрямленной напряжение;

- t - время;

- D1-D6 - диоды трехфазного выпрямительного моста.

Источник постоянного тока, выполненный на синхронном шаговом двигателе, с повышенным напряжением, содержит ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены катушки. Ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в катушках переменного напряжения. Количество катушек на статоре четное и в три раза больше, чем количество полюсов на роторе. Концы диаметрально расположенных катушек соединены между собой. Начала нечетных катушек подключены ко входу трехфазного выпрямительного моста, а начала четных катушек объединены между собой.

Пример выполнения предлагаемого устройства, содержащего три пары катушек, соединенных последовательно, одну пару полюсов, и выпрямительного трехфазного моста.

Источник постоянного тока, выполненный на синхронном шаговом двигателе, с повышенным напряжением, содержит ротор 1 (Р), на котором расположены постоянный магнит 2, выполняющий функцию полюсов, и статор 3 (С), на котором расположены катушки 4 (L1), являющаяся четной, 5 (L2), являющаяся нечетной, 6 (L3), являющаяся четной, 7 (L4), являющаяся нечетной, 8 (L5), являющаяся четной, 9 (L6), являющаяся нечетной (фиг. 1). Ротор 1 выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии (на чертеже не показан) для наведения в катушках 4 (L1), 5 (L2), 6 (L3), 7 (L4), 8 (L5), 9 (L6) переменного напряжения.

Таким образом, количество катушек на статоре 6 четное и в три раз больше, чем количество полюсов на роторе 1.

Катушки 4 (L1) и 7 (L4) расположены на статоре 3 диаметрально. Концы диаметрально расположенных четной катушки 4 (L1) и нечетной катушки 7 (L4) соединены между собой. Катушки 8 (L5) и 5 (L2) и расположены на статоре 3 диаметрально. Концы диаметрально расположенных четной катушки 8 (L5) и нечетной катушки 5 (L2) соединены между собой. Катушки 6 (L3) и 9 (L6) расположены на статоре 3 диаметрально. Концы диаметрально расположенных четной катушки 6 (L3) и нечетной катушки 9 (L6) соединены между собой.

Начало нечетной катушки 7 (L4) подключено к входу 10 трехфазного выпрямительного моста, начало нечетной катушки 5 (L2) подключено к входу 11 трехфазного выпрямительного моста, начало нечетной катушки 9 (L6) подключено к входу 12 трехфазного выпрямительного моста.

Начала четных катушек 4 (L1), 8 (L5), 6 (L3) объединены между собой.

Вход 10 трехфазного выпрямительного моста связан с диодами 13 (D1) и 14 (D2) трехфазного выпрямительного моста. Вход 11 трехфазного выпрямительного моста связан с диодами 15 (D3) и 16 (D4) трехфазного выпрямительного моста. Вход 12 трехфазного выпрямительного моста связан с диодами 17 (D5) и 18 (D6) трехфазного выпрямительного моста. Выход 19 выпрямительного моста подключен к входу нагрузки 20 (R), а выход 21 выпрямительного моста подключен к выходу нагрузки 20 (R) (фиг. 2).

Источник постоянного тока, выполненный на синхронном шаговом двигателе, с повышенным напряжением работает следующим образом.

При вращении ротора 1 находящийся на нем постоянный магнит 2 с одной парой полюсов на катушках 4 (L1), 5 (L2), 6 (L3), 7 (L4), 8 (L5), 9 (L6) создает переменное напряжение (фиг. 3). При встречном соединения попарно катушек 4 (L1) и 7 (L4), 8 (L5) и 5 (L2), 6 (L3) и 9 (L6) между собой происходит сложение выработанного напряжения. При подаче на входы 10, 11, 12 выпрямительного моста в момент времени t1 (фиг. 5) открыты диоды 13 (D1) и 18 (D6), в момент времени t2 диод 18 (D6) закрывается, а диоды 13 (D1) и 14 (D2) открыты, в момент времени t3 диод 13 (D1) закрывается, а диоды 14 (D2) и 15 (D3) открыты, в момент времени t4 диод 14 (D2) закрывается, а диоды 15 (D3) и 16 (D4) открыты, в момент времени t5 диод 15 (D3) закрывается, а диоды 16 (D4) и 17 (D5) открыты, в момент времени t6 диод 16 (D4) закрывается, а диоды 17 (D5) и 18 (D6) открыты, в момент времени t7 как и в момент времени t1 диод 17 (D5) закрывается, а диоды 18 (D6) и 13 (D1) открыты. В дальнейшем идет повторение работы трехфазного выпрямительного моста. С выходов трехфазного выпрямительного моста преобразованное напряжение проходит через нагрузку 20 (R), подключенную через выход 19 и выход 21 (фиг. 6).

Таким образом, предложенное устройство способно генерировать повышенное напряжение без использования дополнительного источника постоянного напряжения и системы управления, подающей напряжение на катушки при последовательном и встречном соединении групп катушек, когда происходит суммирование генерируемого напряжения и увеличение генерируемой мощности, причем малый коэффициент пульсации достигается за счет использования трехфазного выпрямительного моста.

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам и может быть использовано в качестве источника постоянного тока. Технический результат состоит в выработке повышенного значения напряжения при отсутствии дополнительного источника постоянного напряжения и системы управления, подающей напряжение на катушки, без усложнения. На роторе расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены катушки. Ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в катушках переменного напряжения. Количество катушек на статоре четное и в три раза больше, чем количество полюсов на роторе. Концы диаметрально расположенных катушек соединены между собой. Начала нечетных катушек подключены к входу трехфазного выпрямительного моста, а начала четных катушек объединены между собой. 6 ил.

Источник постоянного тока, выполненный на синхронном шаговом двигателе, с повышенным напряжением, содержащий ротор, на котором расположены постоянные магниты, выполняющие функцию полюсов, и статор, на котором расположены катушки, отличающийся тем, что ротор выполнен принудительно вращающимся внешним источником механической энергии для наведения в катушках переменного напряжения, при этом количество катушек на статоре четное и в три раза больше, чем количество полюсов на роторе, концы диаметрально расположенных катушек соединены между собой, начала нечетных катушек подключены к входу трехфазного выпрямительного моста, а начала четных катушек объединены между собой.