Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор Российский патент 2022 года по МПК H02K21/24 H02K19/36 H02K29/00 H02K1/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя кинетической энергии ветра, преобразованной ветроколесом в механическую энергию вращения, в электроэнергию переменного тока.

Известна конструкция магнитоэлектрического генератора (Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины: Учебное пособие для электромеханических и электроэнергетических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1990. - 416 с: ил., стр. 76-89.), представляющего собой обычную синхронную машину радиального исполнения с возбуждением от постоянных магнитов.

Такой генератор содержит корпус, в котором установлен радиальный магнитопровод с трехфазной обмоткой якоря, вал, установленный в подшипниковых узлах, и закрепленные на валу постоянные магниты индуктора.

Выходное напряжение такого генератора зависит от частоты вращения ротора с установленным на нем постоянными магнитами индуктора:

где С - конструктивный коэффициент, w - частота вращения, Φ - магнитный поток возбуждения.

Это ограничивает область применения такого генератора: генератор с нестабилизированным напряжением не пригоден для питания потребителей электроэнергии высокого качества напрямую.

Возможная установка привода постоянной частоты вращения ухудшает массогабаритные показатели генераторной установки, в которой используется известный генератор, а также снижает надежность ее работы.

Регулирование выходного напряжения у такого генератора может быть осуществлено путем подмагничивания ярма (спинки) магнитопровода с трехфазной обмоткой якоря или подключения к ней внешнего регулятора напряжения, соизмеримого по мощности и габаритам с самим генератором.

Регулирование напряжения путем подмагничивания ярма (спинки) магнитопровода с трехфазной обмоткой якоря ухудшает использование пазов, в которых уложена обмотка якоря. Наличие дополнительного внешнего регулятора напряжения повышает массу всей генераторной установки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является аксиальный бесконтактный генератор постоянного тока (пат. РФ №2402858, опубл. 27.10.2010 г., авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М., Гайтова Т.Б., Кашин А.Я.), содержащий корпус; подвозбудитель, состоящий из постоянных магнитов индуктора подвозбудителя и магнитопровода с рабочей обмоткой подвозбудителя; возбудитель, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с рабочей обмоткой возбудителя; и основной генератор, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с рабочей обмоткой (обмоткой якоря) основного генератора, установленные на одном валу. Постоянные магниты индуктора подвозбудителя и магнитопроводы, в пазы которых уложены обмотки подвозбудителя, возбудителя и основного генератора, выполнены аксиальными, при этом боковые аксиальные магнитопроводы жестко установлены в корпусе, а постоянные магниты индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод жестко установлены на валу с возможностью вращения относительно боковых аксиальных магнитопроводов, при этом постоянные магниты индуктора подвозбудителя установлены с торца одного бокового аксиального магнитопровода, а внутренний аксиальный магнитопровод установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами, внутренний аксиальный магнитопровод и боковой аксиальный магнитопровод, с торца которого установлены постоянные магниты индуктора подвозбудителя, выполнены с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами, а другой боковой аксиальный магнитопровод выполнен с одной активной торцовой поверхностью с пазами, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны постоянных магнитов подвозбудителя уложена многофазная рабочая обмотка подвозбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, которая подключена к рабочей обмотке подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, в пазы внутреннего аксиального магнитопровода со стороны обмотки возбуждения возбудителя уложена многофазная рабочая обмотка возбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, которая подключена к рабочей обмотке возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью уложена многофазная рабочая обмотка (обмотка якоря) основного генератора, которая подключена к многофазному выпрямителю.

Используемые в таком генераторе элементы возбудителя, а именно магнитопровод, могут быть использованы для регулирования напряжения путем укладки в его пазы дополнительной обмотки подмагничивания возбудителя, соединенной с обмоткой якоря основного генератора, дополнительным сравнивающим устройством, на вход которого поступает выходное напряжение с обмотки якоря основого генератора, а величина, пропорциональная разности фактического выходного напряжения с заданным, поступает на дополнительную обмотку подмагнитчивания. Однако это приведет к ухудшению использования пазов. Кроме того, масса дополнительных устройств (сравнивающего и др.) соизмерима с массой самого генератора.

Возможная установка привода постоянной частоты вращения также приведет к ухудшению массогабаритных показателей всей генераторной установки, а также снизит надежность ее работы.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование магнитоэлектрического генератора, позволяющее обеспечить расширение области его применения.

Технический результат заявленного изобретения - стабилизация выходного напряжения магнитоэлектрического генератора по величине.

Технический результат достигается тем, что в аксиальном многофазном стабилизируемом магнитоэлектрическом генераторе, содержащем корпус, вал, установленный в корпусе в подшипниковых узлах, жестко закрепленных на валу посредством первого диска аксиальных постоянных магнитов индуктора, и жестко закрепленный в корпусе посредством второго диска аксиальный магнитопровод якоря с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка якоря, в нижней части корпуса дополнительно устанавливают корректор напряжения, вход которого подключают на линейное напряжение двух фаз многофазной обмотки якоря, а со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря устанавливают жестко закрепленный в корпусе магнитный шунт, в пазы которого укладывают тороидальную обмотку подмагничивания, подключая ее к выходу корректора напряжения.

Расширение области применения магнитоэлектрического генератора достигается путем стабилизации его выходного напряжения по величине за счет установки в нижней части корпуса генератора корректора напряжения, подключением входа корректора напряжения на линейное напряжение двух фаз многофазной обмотки якоря, сдвинутых друг относительно друга на угол

где ϕ - угол сдвига фаз, m - число фаз многофазной обмотки якоря,

а также жестким закреплением в корпусе со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря магнитного шунта, в пазы которого укладывают тороидальную обмотку подмагничивания, подключая ее к выходу корректора напряжения.

Отклонение выходного напряжения от заданного измеряется установленным в нижней части корпуса корректором напряжения, вход которого подключен на линейное напряжение любых двух фаз многофазной обмотки якоря. Корректор напряжения увеличивает величину тока подмагничивания в тороидальной обмотке подмагничивания магнитного шунта. Подмагничивание магнитного шунта приводит к уменьшению магнитной проницаемости его стали и увеличению его магнитного сопротивления. В результате чего величина магнитного потока, проходящего через магнитный шунт уменьшается, а величина магнитного потока, проходящего через аксиальный магнитопровод якоря и пронизывающего витки многофазной обмотки якоря, увеличивается. Вследствие этого величина ЭДС, наводимых в фазах многофазной обмотки якоря, увеличивается, и величина напряжения на выходе предлагаемого магнитоэлектрического генератора достигает стабилизируемого уровня.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора в разрезе, на фиг. 2 - его электрическая схема, на фиг 3 - средние линии магнитного потока Φ₁ в индукторе, Φ₂ в аксиальном магнитопроводе якоря и Ф₃ в магнитном шунте, на фиг.4 - соотношение размеров ярма аксиального магнитопровода якоря и ярма магнитного шунта.

Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор содержит (фиг. 1): корпус 9, вал 1, установленный в корпусе 9 в подшипниковых узлах 2 и 10, жестко закрепленных на валу 1 посредством первого диска 3 аксиальных постоянных магнитов 4 индуктора, и жестко закрепленный в корпусе 9 посредством второго диска 12 неподвижный аксиальный магнитопровод якоря 5 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого со стороны постоянных магнитов 4 индуктора уложена многофазная (например, девятифазная) обмотка якоря 6. В нижней части корпуса дополнительно установлен корректор напряжения 11, вход которого подключен на линейное напряжение любых двух фаз многофазной обмотки якоря 6. Со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря 5 установлен жестко закрепленный в корпусе 9 магнитный шунт 8, в пазы которого уложена тороидальная обмотка подмагничивания 7, подключенная к выходу корректора напряжения 11 (фиг. 2).

Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. Механическая энергия вращения поступает в генератор от внешнего источника (например, от модульного ветроколеса) через вал 1, закрепленный с возможностью вращения в корпусе 9 генератора в подшипниковых узлах 2 и 10. При вращении вала 1 с закрепленными на нем посредством первого диска 3 аксиальными постоянными магнитами 4 магнитный поток аксиальных постоянных магнитов 4 индуктора создает вращающееся магнитное поле. При этом одна часть магнитного потока Φ₁, создаваемого аксиальными постоянными магнитами 4, замыкается через закрепленный в корпусе 9 посредством второго диска 12 неподвижный аксиальный магнитопровод якоря 5 с многофазной обмоткой 6 якоря, а другая часть магнитного потока Φ₁, создаваемого аксиальными постоянными магнитами 4, замыкается через наружный магнитный шунт 8 с тороидальной обмоткой подмагничивания 7, т.е. Φ₁=Ф₂+Ф₃ (фиг. 3). Магнитный поток Ф₂, пронизывая витки многофазной обмотки якоря 6, уложенной в пазы неподвижного аксиального магнитопровода якоря 5, жестко установленного в корпусе 9 генератора, взаимодействует с ней, и наводит в ней многофазную систему ЭДС.

При подключении к многофазной обмотке якоря 6 нагрузки (активной, индуктивной или индуктивно-активной) величина напряжения U₂ на выходе этой обмотки уменьшается из-за размагничивающего действия тока, протекающего по фазам многофазной обмотки якоря 6.

Отклонение напряжения U₂ измеряется корректором напряжения 11, который увеличивает величину тока подмагничивания в тороидальной обмотке подмагничивания 7 магнитного шунта 8. Подмагничивание магнитного шунта 8 приводит к уменьшению магнитной проницаемости его стали и увеличению его магнитного сопротивления. В результате этого величина магнитного потока Ф₃, проходящего через магнитный шунт уменьшается, а величина магнитного потока Ф₂, проходящего через неподвижный аксиальный магнитопровод якоря 5 и пронизывающего витки многофазной обмотки якоря 6, увеличивается. Вследствие этого величина ЭДС, индуктируемых этим магнитным потоком в фазах многофазной обмотки 6 неподвижного аксиального магнитопровода якоря 5 увеличивается, и напряжение U₂ на выходе генератора достигает заданного стабилизируемого уровня.

На холостом ходу аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора ток в тороидальной обмотке подмагничивания 7 магнитного шунта 8 отсутствует, и магнитный поток Ф₃ в магнитном шунте 8 достигает максимального значения, а в неподвижном аксиальном магнитопроводе якоря 5 магнитный поток Φ₂ принимает минимальное значение.

При максимальной нагрузке аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора магнитный поток Ф₃ из магнитного шунта 8 вследствие большого магнитного сопротивления, обусловленного насыщением при подмагничивании, вытесняется до минимального значения, и в неподвижном аксиальном магнитопроводе якоря 5 магнитный поток Ф₂ достигает максимального значения. Диапазон регулирования магнитного потока d_п определяется соотношением размера ярма h₂ неподвижного аксиального магнитопровода якоря 5 и размера ярма h₃ магнитного шунта 8 (фиг. 4): d_п=(h₂+h₃)/h₂.

Предлагаемое изобретение, выполняет, как и прототип, преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию, в тоже время в отличие от него позволяет расширить область его применения: использовать магнитоэлектрический генератор для потребителей, требовательных к стабильности напряжения.

По сравнению с известными генераторными установками, в которых для стабилизации выходного напряжения используется внешний регулятор напряжения, внедрение предлагаемого аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора позволит улучшить массогабаритные показатели всей генераторной установки, т.к. в данном случае внешний регулятор напряжения, соизмеримый по мощности и габаритам с самим магнитоэлектрическим генератором не требуется. Наличие магнитного шунта с корректором напряжения приводит к значительно меньшему возрастанию массы и габаритов генераторной установки, чем в случае использования внешнего регулятора напряжения. При этом пазы аксиального магнитопровода якоря в этом случае полностью заполняются обмоткой якоря.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии. Технический результат заключается в стабилизации ,выходного напряжения магнитоэлектрического генератора по величине. Технический результат достигается за счет того, что в нижней части корпуса аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора устанавливают корректор напряжения, вход которого подключен на линейное напряжение двух смежных фаз многофазной обмотки якоря, сдвинутых друг относительно друга на угол

где ϕ - угол сдвига фаз, m - число фаз многофазной обмотки якоря. Со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря установлен жестко закрепленный в корпусе магнитный шунт, в пазы которого уложена тороидальная обмотка подмагничивания, подключенная к выходу корректора напряжения. Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор содержит корпус, вал, установленный в корпусе в подшипниковых узлах, жестко закрепленные на валу посредством первого диска аксиальные постоянные магниты индуктора жестко закрепленный в корпусе посредством второго диска аксиальный магнитопровод якоря с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка якоря. 4 ил.

Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор, содержащий корпус, вал, установленный в корпусе в подшипниковых узлах, жестко закрепленных на валу посредством первого диска аксиальных постоянных магнитов индуктора, и жестко закрепленный в корпусе посредством второго диска аксиальный магнитопровод якоря с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка якоря, отличающийся тем, что в нижней части корпуса дополнительно установлен корректор напряжения, вход которого подключен на линейное напряжение двух смежных фаз многофазной обмотки якоря, сдвинутых друг относительно друга на угол

где ϕ - угол сдвига фаз, m - число фаз многофазной обмотки якоря, а со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря установлен жестко закрепленный в корпусе магнитный шунт, в пазы которого уложена тороидальная обмотка подмагничивания, подключенная к выходу корректора напряжения.