Универсальный каскадный многофазный аксиальный магнитоэлектрический генератор Российский патент 2019 года по МПК H02K16/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано в качестве преобразователя механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока.

Из существующего уровня техники известна конструкция безредукторного ветроагрегата, содержащего ротор, выполненный в виде стального кольца с расположенными на нем постоянными магнитами, и статора выполненного из отдельных шихтованных секций трапециевидного сечения а.с. СССР 868105, F03D 9/00, бюллетень №36, 30.09.1981 г., однако КПД и массогабаритные показатели такого ветроагрегата - низкие из-за большого рассеивания магнитного потока конструктивными элементами.

Также известна конструкция многополюсного тихоходного торцевого электрического генератора, содержащего статор выполненный из двух частей с кольцевыми магнитопроводами, расположенными соосно и параллельно друг другу, между которыми помещен диск ротора генератора, каждый магнитопровод на обращенных друг к другу сторонах имеет расположенные по окружности катушки обмотки статора, а постоянные магниты системы возбуждения установлены на диске с двух сторон симметрично одноименными полюсами навстречу друг другу и размещены по окружности через магнитопроводящие проставки а.с. РФ 2152118 С1, H02K 19/16, H02K 23/54, бюллетень №27.06.2000 г., однако утяжеление конструкции магнитной системы ротора ухудшает пусковые характеристики генератора и увеличивает «залипание» ротора.

Также известна конструкция магнитоэлектрического генератора содержащего ротор, снабженный постоянными магнитами и статор содержащий две параллельные пластины, между которыми размещены кольцевые обмотки, ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, полярность постоянных магнитов в каждом ряду чередуется, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, а кольцевые обмотки статора выполнены в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора а.с. РФ 2506688 С2, H02K 21/24, H02K 1/17, H02K 16/02, бюллетень №4, 10.02.2014 г.; в конструкциях таких генераторов вся многофазная обмотка размещается в пазах общего статора, поэтому такие генераторы обладают недостатками, так увеличение количества фаз обмотки статора, или количества полюсов, или количества витков обмотки, приводит к уменьшению площади зубца статора, снижению мощности генератора, увеличению рассеивание магнитного потока и снижению КПД.

Наиболее близким, к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату, и принятым автором за прототип, является тихоходный торцевой синхронный генератор а.с. РФ №2446548 C1 H02K 19/16, H02K 21/24, бюллетень №9, 27.03.2012 г. Тихоходный торцевой синхронный генератор, содержащий ротор, выполненный в виде диска из немагнитного материала с системой возбуждения на постоянных магнитах, и статор с катушками, состоит из секций, при этом в каждой секции статор выполнен из одного кольцевого магнитопровода, расположенного параллельно ротору и закрепленного на ребрах жесткости каркаса бескорпусного генератора, катушки статора размещены полностью в пазах, не выступая за пределы магнитопровода, в системе возбуждения постоянные магниты расположены на диске ротора с одной его боковой стороны параллельно магнитопроводу статора, причем роторы каждой секции расположены на одном валу, при этом для согласованности работы секций генератора ротор каждой следующей секции смещен относительно ротора предыдущей секции на угол J_маг.=360°: количество постоянных магнитов ротора : количество секций генератора.

Однако в таком тихоходном торцевом синхронном генераторе каждая секция содержит один статор и ротор из немагнитного материала, поэтому сопротивление магнитной цепи и рассеивание магнитного потока будет большим и, как следствие, генератор будет иметь низкий КПД; крепление ротора на валу предусматривается только винтом втулки, что снижает надежность в процессе эксплуатации при изменении скоростных режимов работы и нагрузки генератора, а так же ухудшает работу согласованности секций при ослаблении крепления; для получения тихоходности предлагается использовать набор секций, сдвинутых относительно друг друга, на некоторый расчетный угол, что потребует перенастройки конструкции при каждом конкретном условии в эксплуатации.

Технический результат заявленного изобретения - создание унифицированного каскадного многофазного аксиального магнитоэлектрического генератора, упрощение сборочных и регулировочных работ при изготовлении генератора, повышение ремонтопригодности и качества обслуживания, улучшение массогабаритных показателей, повышение КПД и выходной мощности, снижение потерь рассеивания магнитного потока, обеспечение возможности покаскадной коммутации обмоток статора.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый универсальный каскадный многофазный аксиальный магнитоэлектрический генератор содержащий унифицированные модули статора и ротора, состоит из передней и задней крышек с подшипниками вала, самого вала, выполненного в виде сборной сложнопрофильной конструкции состоящей из цилиндрической части вала со шпонкой для присоединения к приводу, цапф для установки в подшипники, крышек, а в средней части - профильные участки, в виде прямозубого цилиндрического зубчатого колеса с двенадцатью зубьями, на котором размещаются блоки роторов через удлинители вала; при этом каждый блок статора состоит из витого магнитопровода конусной формы в пазах которого располагается шестиполюсная однофазная сосредоточенная обмотка, а магнитопровод статора устанавливается в алюминиевый корпус с четырьмя отливами для сборки на шпильках всей конструкции, на корпусе располагается электронный блок модуля с выпрямительными диодами для формирования выходного сигнала каскада или коммутации; при этом модуль ротора выполнен из магнитомягкого материала в виде вогнутого диска с двенадцатизубчатым отверстием посередине для установки на вал, на диске ротора установлены сегментные магниты с осевым намагничиванием из редкоземельных материалов, площадь и форма которых соответствует зубцам статора, магниты образуют явнополюсный индуктор с чередующимися магнитными полюсами, продольные оси которого соответствуют осям двенадцатизубчатого отверстия в центре ротора.

Предлагаемое изобретение, выполняя функцию синхронного торцевого генератора и преобразования механической энергии в электрическую энергию переменного тока, как и прототип, в тоже время отличается от него тем, что имеет унифицированную многофазную модульную конструкцию с жестким позиционированием каждого модуля ротора на валу генератора, с возможностью поворота поперечной оси последующего ротора относительно предыдущего, на угол деления зубцов вала, что позволяет улучшить технологию изготовления электрической машины за счет применения унифицированных модулей, сократить расход конструкционных материалов, время сборки и испытания генератора, сделать его более ремонтопригодным, улучшить массогабаритные показатели и КПД, повысить качество выходного сигнала и снизить потери магнитного потока торцевой части магнитопровода статора за счет конусной формы конструкции модулей и размещения на модуле статора только шестиполюсной однофазной обмотки, для повышения эффективности рабочей части обмотки, а так же создаст возможность широкого применения за счет выбора способа коммутации обмоток модулей, комплектации и размещения модулей ротора на валу, делая его или многополюсным, или многофазным, или более мощным при последовательно-параллельном соединении обмоток модулей статора.

Сущность изобретения поясняется чертежами: Общий вид модулей ротора а) и статора б) универсального каскадного многофазного аксиального магнитоэлектрического генератора - фиг. 1; Вариант комплектации универсального шестикаскадного многофазного аксиального магнитоэлектрического генератора - фиг. 2; Формирование ЭДС выходного электрического сигнала модуля статора - фиг. 3.

Модули универсального каскадного многофазного аксиального магнитоэлектрического генератора содержат: модуль ротора 2, состоящий из ротора 18 выполненного из магнитомягкого материала в форме вогнутого диска, на котором радиально располагаются магниты 20 из редкоземельных металлов, в центральной части статора имеется двенадцатизубчатое отверстие 19, для установки на вал генератора и модуль статора 1 состоящий из статора 12 выполненного из витого магнитопровода конусной формы с явновыраженными полюсами 21 в пазах, которых размещена однофазная обмотка 13 состоящая из шести катушек, статор запрессован в корпус 14 с отливами 15 для сборки модулей в каскады универсального каскадного многофазного аксиального магнитоэлектрического генератора.

На фиг. 2 показан вариант комплектации шестикаскадного универсального аксиального магнитоэлектрического генератора, из унифицированных модулей, где содержатся унифицированные модуль статора 1 и модуль ротора 2, передняя 3 и задняя 4 крышки с подшипниками 5 вала, самого вала 6, при этом вал 6 выполнен в виде сборной сложнопрофильной конструкции состоящей из цилиндрической части вала 7 со шпонкой 8 для присоединения к приводу, цапф 9 для установки в подшипники крышек 3,4, а в средней части - профильный участок 10, в виде прямозубого цилиндрического зубчатого колеса с двенадцатью зубьями, на котором размещаются блоки роторов 2, зубчатое колесо имеет внутреннее резьбовое отверстие, в которое вкручиваются удлинители вала 11; удлинитель вала 11 фиксирует положение ротора 2 на валу 6 по поперечной оси; каждый блок статора состоит из витого магнитопровода конусной формы 12 с явновыраженными полюсами 21, в пазах которого располагается шестиполюсная однофазная сосредоточенная обмотка 13, при этом магнитопровод статора устанавливается в алюминиевый корпус 14 с четырьмя отливами 15 для сборки на шпильках 16 всей конструкции, на корпусе так же располагается электронный блок 17 с выпрямительными диодами для формирования выходного сигнала каскада или коммутации; модуль ротора 2 выполнен из магнитомягкого материала в виде вогнутого диска 18 с двенадцатизубчатым отверстием 19 посередине для установки на вал, на диске ротора установлены сегментные магниты с осевым намагничиванием 20 из редкоземельных материалов, площадь и форма которых соответствует зубцам статора, при этом магниты образуют явнополюсный индуктор с чередующимися магнитными полюсами, продольные оси которого соответствуют некоторым осям двенадцатизубчатого отверстия в центре ротора.

Универсальный каскадный многофазный аксиальный магнитоэлектрический генератор работает следующим образом: первичный двигатель, приводит во вращение вал 6 генератора, при этом постоянные магниты 20 модуля ротора 2 формируют многополюсной магнитной индуктор, магнитное поле которого, пересекает витки катушек обмотки 13 модуля статора 1 и индуцирует в них переменную ЭДС, уравнение (1).

где: ƒ - частота выходного сигнала;

w - количество витков обмотки модуля статора;

k_y -коэффициент укорочения шага обмотки;

k_c -коэффициент скоса пазов обмотки статора;

Ф - магнитный поток полюса индуктора статора;

ω - угловая скорость вращения ротора;

t- время;

ϕ - угол начального положения вектора ЭДС обмотки статора.

Как показано на фиг. 3, шесть катушек 13 обмотки модуля статора 1 сдвинуты относительно друг друга на шестьдесят градусов, поэтому ЭДС каждой из шести катушек обмотки, будет соответствовать следующим значениям, уравнения (2).

Таким образом, выходной сигнал модуля статора по амплитуде, будет равен сумме ЭДС каждой катушки уравнение (3), и содержать три синусоидальных импульса формируемых за один оборот модуля ротора.

Так как модули роторов жестко связаны с общим валом, а их магнитные системы могут быть сдвинуты относительно друг друга на угол кратный 30°, что соответствует зубовому делению профильной части вала, в обмотках статора второго и последующего модулей будет наводиться ЭДС сдвинутая по фазе на некоторый угол по отношению к обмоткам статора первого модуля, кратный зубовому делению профильной части вала и так далее, для последующих модулей.

В результате описанных процессов на выходе генератора сформируется многофазная ЭДС, которая может быть представлена, в виде постоянного тока выпрямленного выпрямителем электронного блока 17 с низким коэффициентом пульсации, или переменного многофазного электрического тока, если выпрямители не используются.

Существенным преимуществом предлагаемого универсального каскадного многофазного аксиального магнитоэлектрического генератора является возможность покаскадной коммутации модулей генератора, так вариант шестикаскадного универсального аксиального магнитоэлектрического генератора фиг. 2 может быть сконфигурирован для работы в следующих режимах: 1). Как шесть самостоятельных синхронных генераторов для повышения надежности питания автономных потребителей, при этом магнитные системы модулей роторов - симметричные; 2). Как шестифазный генератор, при этом модули второго и последующих роторов сдвинуты относительно предшествующих на угол 60°; 3). Как трехфазный генератор повышенной мощности, при этом магнитные системы первого и второго модулей роторов - симметричны, третьего и четвертого - сдвинуты на угол 120°, а пятого и шестого -на угол 240°, относительно первого, при этом обмотки модулей статоров первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого - соединяются параллельно для повышения мощности, или последовательно для повышения выходного напряжения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве преобразователя механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока. Технический результат состоит в упрощении изготовления, повышении ремонтопригодности, улучшении массогабаритных показателей, повышении КПД и выходной мощности, снижении потерь рассеивания магнитного потока. Универсальный каскадный генератор содержит унифицированные модули статора и ротора и состоит из передней и задней крышек с подшипниками вала, самого вала, выполненного в виде сборной сложнопрофильной конструкции, состоящей из цилиндрической части вала со шпонкой для присоединения к приводу, а в средней части - профильные участки в виде прямозубого цилиндрического зубчатого колеса с двенадцатью зубьями, на котором размещаются блоки роторов через удлинители вала. Каждый блок статора состоит из витого магнитопровода конусной формы, в пазах которого располагается шестиполюсная однофазная сосредоточенная обмотка. На корпусе расположен электронный блок модуля с выпрямительными диодами для формирования выходного сигнала каскада или коммутации. Модуль ротора выполнен в виде вогнутого диска с двенадцатизубчатым отверстием посередине для установки на вал. На диске ротора установлены сегментные магниты с осевым намагничиванием из редкоземельных материалов, площадь и форма которых соответствует зубцам статора. Магниты образуют явнополюсный индуктор с чередующимися магнитными полюсами, продольные оси которого соответствуют некоторым осям двенадцатизубчатого отверстия в центре ротора. 2 ил.

Универсальный каскадный многофазный аксиальный магнитоэлектрический генератор, содержащий модули статора и ротора, состоит из передней и задней крышек с подшипниками вала, самого вала, выполненного в виде сборной многопрофильной конструкции, состоящей из цилиндрической части вала со шпонкой для присоединения к приводу, цапф для установки в подшипники, крышек, а в средней части - профильные участки, в виде прямозубого цилиндрического зубчатого колеса с двенадцатью зубьями, на котором размещаются блоки роторов через удлинители вала; при этом каждый блок статора состоит из витого магнитопровода конусной формы, в пазах которого располагается шестиполюсная однофазная сосредоточенная обмотка, а магнитопровод статора устанавливается в алюминиевый корпус с четырьмя отливами для сборки на шпильках всей конструкции, на корпусе располагается электронный блок модуля с выпрямительными диодами для формирования выходного сигнала каскада или коммутации; при этом модуль ротора выполнен из магнитомягкого материала в виде вогнутого диска с двенадцатизубчатым отверстием посередине для установки на вал, на диске ротора установлены сегментные магниты с осевым намагничиванием из редкоземельных материалов, площадь и форма которых соответствует зубцам статора, магниты образуют явнополюсный индуктор с чередующимися магнитными полюсами, продольные оси которого соответствуют некоторым осям двенадцатизубчатого отверстия в центре ротора, отличающийся тем, что имеет многофазную модульную конструкцию с жестким позиционированием каждого модуля ротора на валу генератора, с возможностью поворота поперечной оси последующего ротора относительно предыдущего на угол деления зубцов вала, позволяет улучшить технологию изготовления электрической машины, сократить расход конструкционных материалов, время сборки и испытания генератора, сделать его более ремонтопригодным, улучшить массогабаритные показатели и КПД, повысить качество выходного сигнала, снизить потери магнитного потока торцевой части магнитопровода статора, уменьшить рассеивание магнитного потока конструкции и увеличить эффективность рабочей части обмотки, создать возможность выбора способа коммутации обмоток модулей, комплектации и размещения модулей ротора на валу.