СТАТОР ГЕНЕРАТОРА И ГЕНЕРАТОР Российский патент 2020 года по МПК H02K1/12 H02K3/28 H02K16/04 H02K11/49 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области генераторов, в частности к статору генератора и генератору, содержащему этот статор.

Уровень техники

В обычном генераторе обычно применяется единственный провод, который намотан с образованием катушки каждой фазы генератора (однофазного генератора и/или трехфазного генератора), и поэтому имеется только один выход электрической мощности на каждую фазу, т.е. единственный выход напряжения/тока. Выход мощности/напряжения/тока обрабатывается с помощью дополнительного управляющего устройства, такого как печатная палата (ПП).

Каждая фаза конфигурации катушек в обычном генераторе имеет только один выход мощности/напряжения/тока, что ограничивает применение такого генератора на железнодорожном транспорте. Для генератора железнодорожного транспортного средства генератор приводится в действие посредством вращающегося компонента (например, вала и оси) в транспортном средстве. Выходная мощность зависит от скорости вращения вращающегося компонента. Чем выше скорость вращения, тем больше выходная мощность.

Применительно к железнодорожному транспорту скорость транспортного средства может принимать значения от десятков километров в час до сотен километров в час, и генератор будет выдавать широкий диапазон выходной мощности. Поэтому в широком диапазоне непосредственно меняется выход мощности/напряжения.

Это делает более сложной постоянную обработку выхода с помощью управляющего устройства. Обычно управляющее устройство может обрабатывать только сравнительно небольшие изменения во входном напряжении.

В частности, для генератора в подшипниковой коробке железнодорожного транспортного средства выходная мощность может превышать предел нагрузки. В этом случае требуется особенно сложная схема управления мощностью, чтобы подавить генерацию мощности для защиты генератора и управляющего устройства.

Раскрытие сущности изобретения

Ввиду вышеуказанных недостатков известного уровня техники в настоящем изобретении предложен статор генератора, который может быть применен в тех приложениях, где скорость вращения вращающегося тела изменяется в широких пределах, и генератор, содержащий такой статор.

Настоящее изобретение может использовать следующие решения, но не ограничиваясь ими.

В настоящем изобретении предложен статор генератора, содержащий по меньшей мере два набора катушек, образованных обмоточными проводами, причем по меньшей мере два набора катушек независимы друг от друга, чтобы формировать выходные мощности независимо друг от друга.

Как вариант, каждый из наборов катушек содержит катушку, которая дает однофазную выходную мощность однофазного генератора.

Предпочтительно статор генератора дополнительно содержит сердечник статора, при этом по меньшей мере два набора катушек намотаны вокруг одного и того же сердечника статора.

Как вариант, каждый из наборов катушек содержит три катушки, которые дают трехфазную выходную мощность трехфазного генератора.

Предпочтительно, статор генератора дополнительно содержит сердечник статора, причем различные наборы катушек расположены в разных положениях по окружности одного и того же сердечника статора.

Как вариант, статор генератора дополнительно содержит сердечник статора, причем различные наборы катушек расположены в одном и том же положении по окружности, но в различных радиальных положениях одного и того же сердечника статора.

Как вариант, статор генератора содержит сердечник статора, причем различные наборы катушек соответственно расположены в разных осевых положениях одного и того же сердечника статора; или

статор генератора содержит несколько сердечников статора, причем различные наборы катушек расположены соответственно на разных смещенных по оси сердечках статора.

Как вариант, статор генератора содержит несколько сердечников статора, причем различные наборы катушек расположены соответственно на сердечниках статора, которые перекрываются, если смотреть в радиальном направлении, но имеют разные радиальные размеры.

В настоящем изобретении также предложен генератор, содержащий статор генератора в соответствии с настоящим изобретением, как описано выше.

Как вариант, генератор содержит ротор и несколько статоров, совместно использующих ротор.

Предпочтительно, генератор также содержит блоки управления и управляющее устройство, причем электрические выводы различных наборов катушек соединены с одним и тем же управляющим устройством через различные блоки управления, при этом блоки управления выполнены с возможностью независимо друг от друга управлять состоянием включения/выключения электрических выводов различных наборов катушек, которые подключены к управляющему устройству.

Предпочтительно, блоки управления представляют собой переключатели, а управляющее устройство представляет собой устройство для выпрямления тока и стабилизации напряжения.

Статор генератора в соответствии с настоящим изобретением, который может генерировать безопасную выходную мощность, не превышающую пределы электрической нагрузки и генератора, и может эффективно предотвращать перегрузку генератора и устройства управления, можно применять в таких приложениях, как железнодорожное транспортное средство, где скорость вращения вращающегося компонента изменяется в широком диапазоне. Более конкретно, управление может выполняться в соответствии со скоростью вращения ротора, а в случае, когда скорость вращения ротора изменяется в широком диапазоне, посредством управления, выполняемого управляющим устройством, все еще может быть получена сравнительно стабильная выходная мощность.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично показан известный статор генератора;

на фиг. 2 – статор генератора в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 3 – другой известный статор генератора;

на фиг. 4 – статор генератора в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 5 – статор генератора в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 6 – генератор в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 7 – генератор в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 8 – другой генератор в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 9 – еще один генератор в соответствии с настоящим изобретением.

Список ссылочных позиций

200 – сердечник статора;

100 – катушка;

201 – сердечник статора;

10 – первая катушка;

20 – вторая катушка;

30 – третья катушка

300, 301, 302 – сердечник статора;

900, 901 – ротор;

401, 402, 403, 404 – статор;

K1-K9 – переключатель;

50, 500 – управляющее устройство.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг. 1, в известном статоре генератора в сердечнике 200 статора единственный провод намотан с образованием катушки 100 одной фазы генератора. На фиг. 1 показана катушка в семи положениях, то есть на участках X1, X2, X3, X4, X5, X6 и X7 на сердечнике 200 статора.

В настоящем изобретении, как показано на фиг. 2, на сердечнике 201 статора два или несколько несоединенных проводов намотаны вместе, образуя катушки одной фазы (два или несколько наборов катушек), и два или несколько проводов (катушек) подвергнуты воздействию одинакового изменения магнитного потока, генерируя взаимно независимые электрические мощности одной и той же фазы.

В частности, на фиг. 2 показано три несоединенных (взаимно независимых/изолированных) провода, образующих катушки одной фазы генератора, то есть первая катушка 10, вторая катушка 20 и третья катушка 30 могут быть соответственно расположены на участках X1, X2, X3, X4, X5, X6 и X7, показанных на фиг. 1 (для ясности на фиг. 2 показаны только катушки на участках X1, X3, X5 и X7). Таким образом, можно создать три взаимно независимые электрические мощности.

Катушки 10, 20, 30 могут иметь одинаковую длину (одинаковое число витков) и/или диаметр провода, чтобы генерировать одинаковую выходную мощность/напряжение/ток. В качестве альтернативы катушки 10, 20, 30 могут иметь разную длину и/или диаметр провода, чтобы генерировать различную выходную мощность/напряжение/ток.

Статор генератора в соответствии с настоящим изобретением может быть применен в генераторах различных типов, то есть не только в однофазных генераторах, но также в трехфазных генераторах.

На фиг. 3 показан схематический вид известного статора трехфазного генератора. Как показано на фиг. 3, в сердечнике 300 статора катушка фазы A, катушка фазы В и катушка фазы C отстоят друг от друга на 120 градусов в направлении по окружности сердечника 300 статора. Катушки статора могут быть соединены по схеме звезда, то есть катушки фазы A, фазы B и фазы C соответственно генерируют выходную мощность фазы A, выходную мощность фазы B и выходную мощность фазы C на одном своем конце, и три катушки соединены друг с другом на другом конце, то есть в точках A0, B0 и C0, причем их общая точка ведет к нейтральной линии. Разумеется, катушки статора также могут быть соединены треугольником.

В конфигурации катушки статора катушка фазы A, катушка фазы B и катушка фазы C образуют набор катушек.

Как показано на фиг. 4, в статор генератора в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения включено два набора катушек. Первый набор катушек содержит катушку фазы A, катушку фазы B и катушку фазы C, которые составляют трехфазную выходную мощность трехфазного генератора. Второй набор катушек содержит катушку фазы A1, катушку фазы B1 и катушку фазы C1, которые составляют другую трехфазную выходную мощность трехфазного генератора. Две трехфазные выходные мощности не зависят друг от друга. Первый набор катушек и второй набор катушек располагаются друг над другом и намотаны вокруг одного и того же сердечника 301 статора.

Более конкретно, в дополнение к расположению катушек фазы A, фазы B и фазы C в положениях, показанных на фиг. 3, катушка фазы A1 расположена в положении катушки фазы A над ней, катушка фазы В1 расположена в положении катушки фазы B над ней, а катушка фазы С1 расположена в положении катушки фазы C над ней. Катушка фазы A и катушка фазы A1, катушка фазы B и катушка фазы B1, а также катушка фазы C и катушка фазы C1 соответственно не связаны (взаимно независимы/изолированы). Рассматривая в качестве примера метод соединения звездой, A0, B0 и C0 соединены друг с другом и ведут к нейтральной линии, а A10, B10 и C10 соединены друг с другом и ведут к другой нейтральной линии. То есть в статоре в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения выведено два набора трехфазных выводов (шесть выводов).

Как описано выше, катушка фазы A и катушка фазы A1 могут быть расположены в разных положениях в радиальном направлении, но в одном и том же положении по окружности сердечника 301 статора. То же самое верно для катушки фазы B и катушки фазы B1, а также для катушки фазы C и катушки фазы C1. Катушка фазы A1, катушка фазы B1 и катушка фазы C1 также отстоят друг от друга на 120 градусов в направлении по окружности сердечника 301 статора.

Как показано на фиг. 5, в статор генератора в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения включено два набора катушек. Первый набор катушек содержит катушку фазы A, катушку фазы B и катушку фазы C, которые составляют трехфазную выходную мощность трехфазного генератора. Второй набор катушек содержит катушку фазы A1, катушку фазы B1 и катушку фазы C1, которые составляют другую трехфазную выходную мощность трехфазного генератора. Две трехфазные выходные мощности не зависят друг от друга. Два набора катушек расположены в различных положениях по окружности одного и того же сердечника 302 статора.

Более конкретно, в дополнение к расположению катушек фазы A, фазы B и фазы C в положениях, как показано на фиг. 3, катушка фазы A1 расположена в положении, смещенном по отношению к положению катушки фазы A в направлении по окружности сердечника 302 статора, катушка фазы B1 расположена в положении, смещенном по отношению к положению катушки фазы B в направлении по окружности сердечника 302 статора, а катушка фазы C1 расположена в положении, смещенном по отношению к положению катушки фазы C в направлении по окружности сердечника 302 статора. Катушка фазы A и катушка фазы A1, катушка фазы B и катушка фазы B1, а также катушка фазы C и катушка фазы C1 соответственно не связаны (взаимно независимы/изолированы). Рассматривая в качестве примера метод соединения звездой, A0, B0 и C0 соединены друг с другом и ведут к нейтральной линии, а A10, B10 и C10 соединены друг с другом и ведут к другой нейтральной линии. То есть в конфигурации катушек в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения выведено два набора трехфазных выводов (шесть выводов).

Катушка фазы A1, катушка фазы B1 и катушка фазы C1 также отстоят друг от друга на 120 градусов в направлении по окружности сердечника 302 статора.

Разумеется, в зависимости от количества магнитных полюсов в роторе генератора катушки могут быть расположены в большем количестве положений сердечника статора. В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 4 и 5, путем изменения числа наборов катушек можно вывести три, четыре или больше наборов трехфазных выводов (то есть девять, двенадцать или более выводов). Кроме того, конфигурации катушек, как показано на фиг. 4 и 5, могут использоваться в комбинации.

Конкретнее, настоящее изобретение можно понимать как конфигурирование нескольких независимых друг от друга наборов катушек известного уровня техники в одном статоре, или его можно понимать как то, что один генератор в соответствии с настоящим изобретением эквивалентен нескольким генераторам известного уровня техники, причем несколько генераторов совместно используют один ротор, и, кроме того, катушки нескольких генераторов совместно используют один сердечник статора.

Как показано на фиг. 6, в генераторе в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения два статора 401, 402 расположены вокруг одного и того же ротора 900, при этом статоры 401 и 402 расположены в разных осевых положениях ротора 900. Статоры 401 и 402 могут представлять собой известные статоры или могут представлять собой статоры в соответствии с вышеприведенными вариантами осуществления настоящего изобретения от первого до третьего. Выходные мощности статоров 401 и 402 не зависят друг от друга. В этом генераторе различные наборы катушек расположены соответственно на разных смещенных вдоль оси сердечниках статора.

Понятно, что различные наборы катушек также могут быть расположены со смещением вдоль оси на одном и том же сердечнике статора.

Как показано на фиг. 7, в генераторе в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения два статора 403, 404 расположены концентрически вокруг одного и того же ротора 900, при этом статор 404 установлен поверх статора 403. Статоры 403 и 404 расположены в одном и том же положении вдоль оси ротора 900. Статоры 403 и 404 могут представлять собой известные статоры или могут представлять собой статоры в соответствии с вышеприведенными вариантами осуществления настоящего изобретения от первого до третьего. Выходные мощности статоров 403 и 404 не зависят друг от друга. В генераторе различные наборы катушек расположены соответственно на сердечниках статора, которые перекрываются, если смотреть в радиальном направлении, но имеют разные радиальные размеры.

На фиг. 8 показан схематический вид генератора в соответствии с настоящим изобретением, в котором может использоваться статор, показанный на фиг. 2. Вывод первой катушки 10 соединен с управляющим устройством 50 через переключатель K1, вывод второй катушки 20 соединен с управляющим устройством 50 через переключатель K2, а вывод третьей катушки 30 соединен с управляющим устройством 50 через переключатель К3. Если скорость вращения ротора генератора сравнительно велика, то ток, генерируемый в каждой из катушек от первой катушки 10 до третьей катушки 30, также сравнительно большой, и когда ток превышает заданный порог, один или два переключателя из K1, K2, K3 могут быть отключены, чтобы предотвратить перегрузку управляющего устройства. В частности, управляющее устройство 50 может представлять собой устройство выпрямления тока и стабилизации напряжения.

На фиг. 9 показан схематический вид генератора в соответствии с настоящим изобретением, в котором может использоваться статор, показанный на фиг. 4-7. Вывод фазы A катушки фазы A соединен с управляющим устройством 500 с помощью переключателя K4, вывод фазы B катушки фазы B соединен с управляющим устройством 500 с помощью переключателя K5, а вывод фазы C катушки фазы C соединен с управляющим устройством 500 с помощью переключателя K6. Аналогично, вывод фазы A1, вывод фазы B1 и вывод фазы C1 катушки фазы A1, катушки фазы B1 и катушки фазы C1 соответственно соединены с управляющим устройством 500 через переключатели K7, K8, K9. Если скорость вращения ротора генератора сравнительно велика, то ток, генерируемый в каждой фазовой катушке, также сравнительно большой, и когда ток превышает заданный порог, то переключатели K4, K5, K6 или переключатели К7, К8, К9 могут быть отключены, чтобы предотвратить перегрузку управляющего устройства 500. Предпочтительно, переключатели K4, K5, K6 могут представлять собой набор синхронных переключателей, а переключатели K7, K8, K9 могут представлять собой другой набор синхронных переключателей. Таким образом, операции включения/выключения переключателей могут быть упрощены. В частности, управляющее устройство 500 также может представлять собой устройство выпрямления тока и стабилизации напряжения.

Конечно, статор генератора и генератор в соответствии с настоящим изобретением не ограничены применением в железнодорожном транспортном средстве, а могут также применяться в других транспортных средствах и в любых других приложениях, где скорость вращения вращающегося компонента изменяется в широких пределах.

Статор генератора в соответствии с настоящим изобретением, который может генерировать безопасную выходную мощность, которая не превышает пределы электрической нагрузки и генератора, и может эффективно предотвращать перегрузку генератора и управляющего устройства, можно применять в таких приложениях, как железнодорожное транспортное средство, где скорость вращения вращающегося компонента изменяется в широком диапазоне.

Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления, описанными выше, и в соответствии с идеями настоящего изобретения специалист в данной области техники может внести различные изменения и модификации в настоящее изобретение, не отклоняясь от объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – обеспечение конструкции генератора, способного работать в широком диапазоне изменения скоростей ротора. Генератор содержит статор генератора, имеющий по меньшей мере два набора катушек, образованных обмоточными проводами. При этом по меньшей мере два набора катушек независимы друг от друга, чтобы формировать выходные мощности независимо друг от друга. Генератор дополнительно содержит блоки управления и управляющее устройство, причем электрические выводы различных наборов катушек соединены с одним и тем же управляющим устройством через различные блоки управления. Блоки управления выполнены с возможностью независимо друг от друга управлять состоянием включения/выключения электрических выводов различных наборов катушек, которые подключены к управляющему устройству. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Генератор, содержащий статор генератора, который содержит по меньшей мере два набора катушек, образованных обмоточными проводами, причем по меньшей мере два набора катушек независимы друг от друга, чтобы формировать выходные мощности независимо друг от друга, при этом генератор дополнительно содержит блоки управления и управляющее устройство, причем электрические выводы различных наборов катушек соединены с одним и тем же управляющим устройством через различные блоки управления, при этом блоки управления выполнены с возможностью независимо друг от друга управлять состоянием включения/выключения электрических выводов различных наборов катушек, которые подключены к управляющему устройству.

2. Генератор по п. 1, который содержит ротор и несколько статоров, совместно использующих ротор.

3. Генератор по п. 1, в котором блоки управления представляют собой переключатели, а управляющее устройство представляет собой устройство для выпрямления тока и стабилизации напряжения.

4. Генератор по п. 1, в котором каждый из наборов катушек содержит катушку, которая дает однофазную выходную мощность однофазного генератора.

5. Генератор по п. 4, в котором статор генератора дополнительно содержит сердечник статора, при этом по меньшей мере два набора катушек намотаны вокруг одного и того же сердечника статора.

6. Генератор по п. 1, в котором каждый из наборов катушек содержит три катушки, которые дают трехфазную выходную мощность трехфазного генератора.

7. Генератор по п. 6, в котором статор генератора дополнительно содержит сердечник статора, причем различные наборы катушек расположены в разных положениях по окружности одного и того же сердечника статора.

8. Генератор по п. 6, в котором статор генератора дополнительно содержит сердечник статора, причем различные наборы катушек расположены в одном и том же положении по окружности, но в различных радиальных положениях одного и того же сердечника статора.

9. Генератор по пп. 1, 4 или 6, в котором

статор генератора содержит сердечник статора, причем различные наборы катушек соответственно расположены в разных осевых положениях одного и того же сердечника статора; или

статор генератора содержит несколько сердечников статора, причем различные наборы катушек расположены соответственно на разных смещенных по оси сердечниках статора.

10. Генератор по пп. 1, 4 или 6, в котором статор генератора содержит несколько сердечников статора, причем различные наборы катушек расположены соответственно на сердечниках статора, которые перекрываются, если смотреть в радиальном направлении, но имеют разные радиальные размеры.