Синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой Российский патент 2020 года по МПК H02K21/12 H02K16/00 H02K1/27 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано в ветроэнергетических установках.

Уровень техники.

Известна «Электрическая машина», содержащая неподвижный несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с якорной обмоткой, установленный с возможностью вращения вокруг неподвижного несущего узла статора кольцевой ротор со смонтированными на внутренней боковой стенке постоянными магнитами возбуждения, образующими между собой кольцевой вкладыш с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами, охватывающий полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора, а также содержащая блок выпрямителя переменного тока (см. напр. патент РФ №2141716, Н02К 21/12 от 02.03.1988 г.).

Недостатком данной электрической машины является невысокая надежность, обусловленная сложностью конструкции составного кольцевого вкладыша с постоянными магнитами, имеющими переменную в радиальном направлении ширину, низкой надежностью крепления отдельных постоянных магнитов к внутренней боковой стенке кольцевой обоймы, образующей кольцевой ротор, а так же узкие эксплуатационные параметры, обусловленные отсутствием возможности регулирования активной мощности синхронной генераторной установки.

Известна так же «Синхронная генераторная установка с возбуждением от постоянных магнитов», которая содержит неподвижный несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с якорной обмоткой статора, а также установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых опорных подшипниках вокруг неподвижного несущего узла статора кольцевой ротор со смонтированными на внутренней боковой стенке постоянными магнитами возбуждения. Генераторная установка также содержит блок выпрямителя переменного тока, подключенный к якорной обмотке кольцевого магнитопровода статора. Несущий узел статора выполнен из двух одинаковых секций, каждая из которых включает кольцевую втулку с наружным упорным фланцем, а кольцевой ротор выполнен также из двух одинаковых секций, каждая из которых включает кольцевую обечайку с внутренним упорным фланцем. Монолитные магнитные кольца из порошкового магнитоанизотропного материала жестко сопряжены с внутренней боковой цилиндрической стенкой кольцевой обечайки соответствующей секции кольцевого ротора. Технический результат - повышение надежности в эксплуатации и обеспечение возможности регулирования напряжения переменного и постоянного тока и величины переменного и постоянного тока на выходе этой синхронной генераторной установки (см. напр. патент RU №2267856, Н02К 21/12 от 29.04.2004 г.).

Недостатками данной синхронной генераторной установки с возбуждением от постоянных магнитов являются низкий КПД, за счет расположения постоянных магнитов возбуждения на внутренней боковой стенке ротора, сложность изготовления монолитного магнитного кольца из порошкового магнитоанизотропного материала.

Известен «Электродвигатель и/или генератор с механической подстройкой постоянного магнитного поля», который содержит закрепленные обмотки (или статор), расположенные вокруг поворотного ротора, содержащего постоянные магниты. Постоянные магниты обычно имеют цилиндрическую форму и два магнитных полюса. Магнитопроводящие контуры сформированы магнитами, расположенными в магнитопроводящих полюсных наконечниках. Путем поворота постоянных магнитов и/или шунтирующих вкладышей, выполненных из проводящего немагнитного материала, в полюсных наконечниках происходит увеличение или уменьшение силы результирующего магнитного поля для регулирования двигателя или генератора переменного тока по крутящему моменту на малых оборотах или по эффективности (КПД) на высоких оборотах. Путем изменения роторного магнитного поля происходит регулирование выходного напряжения генераторов переменного тока с возможностью обеспечения, например, постоянного напряжения на выходе генератора с ветродвигателем (см. напр. патент RU №2543993, Н02К 21/12, Н02К 1/27 от 30.10.2009 г.).

Недостатками данного электродвигателя и/или генератора с механической подстройкой постоянного магнитного поля являются сложность конструкции и низкая надежность за счет применения механизма поворота постоянных магнитов и/или шунтирующих вкладышей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту принятый авторами за прототип является «Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой», который содержит ротор, разделенный на две кольцевые части - внешний и внутренний ротор. При этом как на внешнем, так и на внутреннем роторе закреплены ферромагнитные пластины с прикрепленными к ним магнитными полюсами и постоянными магнитами. Между внешним и внутренним ротором с закрепленными на них элементами расположены обмотки статора. Внешний и внутренний ротор соединены с валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора. Магнитные полюса выполнены в прямоугольной форме (см. напр. патент RU №2642442, Н02К 1/27, Н02К 21/12, Н02К 16/02 от 30.12.2016 г.).

Недостатком данного синхронного генератора с двухконтурной магнитной системой являются низкий КПД и малая мощность генерируемой электроэнергии.

Раскрытие изобретения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение удельных массогабаритных характеристик, сохранение компактности за счет оптимизации магнитной системы генератора и использования дополнительных магнитных полюсов, увеличение мощности генератора на 35% и повышение КПД на 25% за счет использования трехконтурной магнитной системы, уменьшение удельной металлоемкости генератора на единицу мощности.

Технический результат достигается с помощью синхронного генератора с трехконтурной магнитной системой, содержащего ротор, выполенный в виде кольца, разделенный на внешний, промежуточный и внутренний ротор, выполненный из прочного немагнитного материала, на внутренней стороне внешнего ротора закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с прямоугольными магнитными полюсами, в промежуточном роторе в середине в полостях устанавливаются постоянные магниты, на внутренней стороне внутреннего ротора так же закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с прямоугольными магнитными полюсами, поверх ферромагнитных пластин в радиальном направлении по окружностям установлены постоянные магниты внешнего и внутреннего ротора с одинаковой полярностью, между внешним и промежуточным, а так же промежуточным и внутренним ротором расположены обмотки статора, соединенные между собой.

Краткое описание чертежей.

На фиг. представлен синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой, общий вид.

Осуществление изобретения.

Синхронный генератор (фиг.) содержит ротор 1, в виде кольца, разделенный на три кольцевые части соединенные между собой и состоящий из внешнего 2, промежуточного 3 и внутреннего 4 ротора 1, при этом на внешнем 2 и внутреннем 4 роторе 1 закреплены ферромагнитные пластины 5, прямоугольные магнитные полюса 6 и постоянные магниты 7, в промежуточном 3 роторе 1 постоянные магниты 7 установлены в полости, между внутренним 4 и промежуточным 3 ротором 1, а также между промежуточным 3 и внешним 2 ротором 1 расположены обмотки 8 статора 9, при этом магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 7 пронизывает обмотки 8 статора 9 в одном направлении, вал 10 ротора 1 прикреплен подшипниками (на фиг. не показаны) к корпусу 11 синхронного генератора. Статор 9 синхронного генератора имеет несколько обмоток расположенных между внутренним 4 и промежуточным 3 ротором 1, а также между промежуточным 3 и внешним 2 ротором по двум окружностям, а ротор 1 разделен на три части и имеет внешний 2 и внутренний 4 ротор 1 с закрепленными на них ферромагнитными пластинами 5, прямоугольными магнитными полюсами 6 и постоянными магнитами 7, и промежуточный 3 ротор 1 с установленными в его полостях постоянными магнитами 7.

Синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой работает следующим образом: при вращении ротора 1, закрепленного подшипниками (на фиг. не показаны) к корпусу 11 синхронного генератора, вращающееся однонаправленное, магнитное поле постоянных магнитов внешнего 2, промежуточного 3 и внутреннего 4 ротора 1, создает повышенную магнитную индукцию в обмотках 8 статора 9, расположенных между постоянными магнитами 7 внешнего 2 и промежуточного 3, а также промежуточного 3 и внутреннего 4 ротора 1, повышая мощность синхронного генератора, прямоугольные магнитные полюса 6 концентрируют обратный магнитный поток в обмотках 8 статора 9, расположенных между прямоугольными магнитными полюсами 6 и промежуточным 3 ротором 1 (см. фиг.), что позволяет получить повышенную магнитную индукцию в обмотках 8 статора 9, расположенных между прямоугольными магнитными полюсами 6 и промежуточным 3 ротором 1, и использовать энергию обратных магнитных потоков.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволила выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано в ветроэнергетических установках. Технический результат - улучшение массогабаритных характеристик. Синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой содержит ротор, выполненный в виде кольца, разделенного на внешний, промежуточный и внутренний роторы. На внутренней стороне внешнего ротора закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с прямоугольными магнитными полюсами. В промежуточном роторе в середине в полостях устанавливаются постоянные магниты. На внутренней стороне внутреннего ротора также закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с прямоугольными магнитными полюсами. Поверх ферромагнитных пластин в радиальном направлении по окружностям установлены постоянные магниты внешнего и внутреннего роторов с одинаковой полярностью. Между внешним и промежуточным, а также промежуточным и внутренним роторами расположены обмотки статора, соединенные между собой. 1 ил.

Синхронный генератор с трехконтурной магнитной системой, содержащий ротор в виде кольца, разделенный на две кольцевые части, внешний и внутренний ротор, ферромагнитные пластины, постоянные магниты, вал ротора, прямоугольные магнитные полюса, отличающийся тем, что ротор в виде кольца дополнительно разделен на третью кольцевую часть, промежуточный ротор, при этом на внешнем и внутреннем роторах закреплены ферромагнитные пластины, прямоугольные магнитные полюса и постоянные магниты, а в промежуточном роторе постоянные магниты установлены в полости между внутренним и внешним роторами, при этом между внутренним и промежуточным и промежуточным и внешним расположены обмотки статора, также при этом внешний, промежуточный и внутренний роторы соединены валом ротора, закрепленным с помощью подшипников в корпусе синхронного генератора.