АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК H02K17/42 H02K1/16 H02K5/04 

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к автономным асинхронным генераторам, предназначенным для использования в ветроэнергетических установках, работающих в сложных условиях агрессивной окружающей среды с необходимостью стабилизации выходного напряжения.

Известен асинхронный двухчастотный генератор [Стрижков И.Г., Потапенко И.А., Стрижков В.Л., Чеснюк Е.Н. Асинхронный двухчастотный генератор. Патент РФ № 2313886 // Опубл. 27.12.2007. Бюл. № 36], содержащий короткозамкнутый ротор и две совмещенные в общем сердечнике статора трехфазные обмотки с числами пар полюсов p₁ и p₂, имеющие клеммы для присоединения внешних электрических цепей, при этом параллельно к обмотке с числом пар полюсов p₂ присоединен трехфазный конденсатор возбуждения, имеющий двигатель в качестве источника механической мощности.

Известен автономный асинхронный генератор с автотрансформаторной обмоткой статора [Богатырев Н.И., Ванурин В.Н., Баракин Н.С., Попов А.Ю., Потапенко Ю.В., Кумейко А.А. Автономный асинхронный генератор с автотрансформаторной обмоткой статора // Патент РФ № 2640403. Опубл. 09.01.2017. Бюл. № 1.], состоящей из двенадцати катушечных групп, расположенных в пазах статора, оригинальность которого заключается в том, что уменьшение коэффициента размагничивания током нагрузки осуществляется за счет выполнения обмотки статора в виде шести частей, на каждую фазу приходится по две части обмотки, смещенные относительно друг друга на 30 электрических градусов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является асинхронный генератор [Забора И.Г., Вильданов К.Я., Алиев И.И., Беспалов В.Я. Асинхронный генератор // Патент РФ № 2255409. Опубл. 27.06.2005. Бюл. № 18], состоящий из ротора с короткозамкнутой обмоткой, статора, обмотка которого выполнена в виде стержней, образующих «беличью клетку», замкнутую кольцом с одной стороны и своей последовательной частью уложенной в пазы дополнительного магнитопровода, и накоротко замкнутой кольцом с другой стороны, магнитопровода с пазами с уложенной в них трехфазной обмоткой, соединенной с нагрузкой.

Все вышеперечисленные устройства имеют общий недостаток - отсутствие возможности регулирования напряжения на клеммах генератора.

Асинхронные генераторы, используемые для автономных источников электрической энергии с приводом от двигателей внутреннего сгорания, ветра или гидродвигателей, как правило, требуют регулирования напряжения, так как привод этого не обеспечивает. Напряжение на клеммах такого генератора зависит от величины нагрузки.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей асинхронного генератора за счет регулирования выходного напряжения.

Технический результат заключается в стабилизации выходного напряжения при изменении нагрузки генератора путем поворота зубчатого сердечника с трехфазной обмоткой, питающей нагрузку, относительно неподвижного коаксиального к нему сердечника с обмоткой статора генератора.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что асинхронный генератор содержит ротор с короткозамкнутой обмоткой, расположенный через рабочий зазор статор, выполненный в виде сердечника с Z зубцами, с размещенной в пазах обмоткой, дополнительный магнитопровод с пазами, в которых размещены изолированные проводники трехфазной обмотки, дополнительный магнитопровод, выполненный из коаксиально расположенных цилиндрических зубчатых сердечников, примыкающих зубцами друг к другу, с пазами, в которых расположены проводники обмоток, ротор снабжен постоянными магнитами, которые размещены равномерно по зубцам ротора заподлицо с его поверхностью, образуя чередующиеся полюса, причем число зубцов ротора кратно числу постоянных магнитов, ротор и статор отделены от дополнительного магнитопровода герметичной перегородкой, причем обмотка статора и дополнительного магнитопровода электрически едина и проходит через гермовводы, расположенные в герметичной перегородке, согласно изобретению обмотка статора выполнена симметричной трехфазной, и коаксиально расположенный цилиндрический зубчатый сердечник с проводниками трехфазной обмотки в пазах установлен с возможностью поворота вокруг общей оси относительно коаксиального с ним зубчатого сердечника с обмоткой статора.

Кроме того, между коаксиально расположенными зубчатыми сердечниками установлена тарированная пружина, ограничивающая их перемещение.

Регулирующая часть может быть расположена в объеме с экстремальными условиями окружающей среды. Генерирующая часть обращена к приводу.

Корпус с запрессованным цилиндрическим зубчатым сердечником с проводниками трехфазной обмотки регулирующей части установлен на поворотном устройстве с возможностью регулирования положения корпуса относительно неподвижного зубчатого сердечника с обмоткой статора. Угол его поворота ограничен с одной стороны тарированной пружиной, с другой стороны упором.

Цилиндрический зубчатый сердечник с проводниками трехфазной обмотки и все сопряжения полукорпуса, корпуса, щитов и подшипника снабжены уплотнительными прокладками, а вал со щитом и поворотное устройство - манжетными уплотнениями для защиты от внешней агрессивной среды. Выводы трехфазных обмоток выполнены через герметичный ввод.

При повышенных требованиях защиты весь объем регулирующей части, которая не вращается, а только поворачивается на угол не более 95°, может быть закрыт герметично гофрированным кожухом.

По данным научно-технической литературы, авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение технического результата, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения критерию изобретательский. Анализ электромагнитных и технических процессов, протекающих в заявляемом устройстве изложен в [Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. Издательство «Энергия» Ленинград, отд. 1973. с.433].

Геометрическое место концов вектора ЭДС Е₂ и векторов напряжения 63 при изменении угла а есть круг, описанный из точки 0\ как центра с радиусом £,=o_lA_t. Удобно представить, что точки на этой окружности а, b и с соответствуют угловой координате коаксиально расположенного цилиндрического зубчатого сердечника с трехфазной обмоткой относительно зубчатого сердечника с обмоткой статора регулирующей части, то есть изменения напряжения при его регулировке осуществляется поворотом корпуса.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

На фиг.1.а - асинхронный генератор с регулированием напряжения, вид с продольным разрезом;

На фиг.1.б - асинхронный генератор с регулированием напряжения, вид с поперечным разрезом;

На фиг.2 - электрическая схема асинхронного генератора: 3 - обмотка статоров (генерирующей и регулирующей час гей асинхронного генератора). 14 - трехфазная обмотка зубчатого сердечника 13 регулирующей части асинхронного генератора; 4 - короткозамкнутый ротор; 28 - ветродвигатель.

На фиг.3 - закон изменения ЭДС и напряжений на зажимах асинхронного генератора.

Асинхронный генератор (фиг.1) содержит генерирующую и регулирующую части, разделенные герметичной перегородкой.

Генерирующая часть, состоит из полукорпуса 1, запрессованного в него статора 2, выполненного в виде сердечника с Z зубцами, с размещенной в пазах обмоткой 3, в расточку статора 2 установлен ротор 4, закрепленный на валу 5, с размещенной в его пазах короткозамкнутой обмоткой 6 и постоянными магнитами 7. Внутренний объем асинхронного генератора защищен подшипниковым щитом 8 с манжетным уплотнением 9. Обмотка 3 статора 2 проходит через герметизирующий ввод 10 в регулирующую часть в дополнительный магнитопровод - зубчатый сердечник 11, установленный неподвижно на втулке 12 соосно с ротором 4, и размещается в его пазах. На зубчатый сердечник 11 с обмоткой 3 концентрично установлен зубчатый сердечник 13 с трехфазной обмоткой 14, уложенной в его пазы, и выводные концы которой выводятся из корпуса через герметизированный ввод 15.

Коаксиально расположенный цилиндрический зубчатый сердечник 13 с трехфазной обмоткой 14 запрессован в корпус 16 регулирующей части, соединенный с передним щитом 17, который скреплен неподвижно с поворотным фланцем 18 и внутренней обоймой 19 подшипника 20, установленным на герметизирующей стенке 21, и сектором 22, на котором установлен выступ 23, сопрягаемый при работе с упором 24 с одной стороны и тарированной пружиной 25 с другой стороны. Противоположный конец пружины упирается в регулируемую кольцевую опору 26, закрепленную на наружной обойме подшипника 27.Ветродвигатель 28 изображен на фиг.2.

Асинхронный генератор работает следующим образом. Привод генерирующей части приводится в действие от ветроколеса и вращает ротор 4, постоянные магниты ротора 7, обеспечивают самовозбуждение генератора, что вызывает появление токов, которые протекают в коаксиально расположенном сердечнике 13 с трехфазной обмоткой 3 и образуют круговое вращающееся магнитное поле. Это ноле индуктирует в трехфазной обмотке 3 симметричную трехфазную ЭДС. Все трехфазные обмотки асинхронного генератора соединены в соответствии со схемой (фиг.2). Согласно представлению картины электромагнитных процессов, в асинхронном генераторе при нагрузке, меньшей или равной поминальной, корпус 16 будет удерживаться от поворота упором 24 с одной стороны и тарированной пружиной 25 с другой, то есть в положении соответствующему точке «а» на диаграмме (фиг.3).

При превышении нагрузки момент, действующий на корпус 16, будет превышать усилие тарировки пружины - она будет сжиматься, и корпус 16 будет поворачиваться в сторону точек «б» и «с» в положение, при котором U₂ будет увеличиваться на Дбу.

При снижении нагрузки корпус 16 вернется в исходное или промежуточное положение, и напряжение Су - к исходному значению. Таким образом будет происходить регулировка.

Для достижения технического результата асинхронный генератор (фиг.1), содержащий ротор с короткозамкнутой обмоткой, расположенный через рабочий зазор статор, выполненный в виде сердечника с Z зубцами, с размещенной в пазах обмоткой, дополнительный магнитопровод, выполненный из коаксиально расположенных цилиндрических зубчатых сердечников, примыкающих зубцами друг к другу с пазами, в которых размещены изолированные проводники трехфазной обмотки, дополнительный магнитопровод, с пазами, в которых расположены проводники обмоток, ротор снабжен постоянными магнитами, которые размещены равномерно по зубцам ротора заподлицо с его поверхностью, образуя чередующиеся полюса, причем число зубцов ротора кратно числу постоянных магнитов, ротор и статор отделены от дополнительного магнитопровода герметичной перегородкой, причем обмотка статора и дополнительного магнитопровода электрически едина и проходит через гермовводы, расположенные в герметичной перегородке. Обмотка статора выполнена симметричной трехфазной, и коаксиально расположенный цилиндрический зубчатый сердечник с проводниками трехфазной обмотки в пазах установлен с возможностью поворота вокруг общей оси относительно коаксиального с ним зубчатого сердечника с обмоткой статора.

Корпус закреплен на поворотном фланце, установленным на неподвижной относительно заявляемого устройства герметизирующей стенке на подшипнике, и может поворачиваться на угол, ограниченный упором и тарированной пружиной, закрепленными на наружной обойме подшипника.

Итак, заявленное изобретение позволяет стабилизировать выходное напряжение при изменении нагрузки генератора путем поворота зубчатого сердечника с обмоткой, питающей нагрузку, относительно неподвижного к нему сердечника с обмоткой статора генератора.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к автономным асинхронным генераторам, предназначенным для использования в ветроэнергетических установках, работающих в сложных условиях агрессивной окружающей среды с необходимостью стабилизации выходного напряжения. Технический результат – стабилизация выходного напряжения при изменении нагрузки генератора. Асинхронный генератор содержит генерирующую и регулирующую части, разделенные герметичной перегородкой. Генерирующая часть содержит статор с обмоткой, в расточку которого установлен ротор с короткозамкнутой обмоткой и постоянными магнитами. Обмотка статора проходит через герметизирующий ввод в регулирующую часть в дополнительный магнитопровод - зубчатый сердечник, установленный неподвижно соосно с ротором. На зубчатый сердечник концентрично установлен дополнительный зубчатый сердечник с трехфазной обмоткой, выводные концы которой выводятся из корпуса через герметизированный ввод. Коаксиально расположенный цилиндрический зубчатый сердечник с проводниками трехфазной обмотки в пазах установлен с возможностью поворота вокруг общей оси относительно коаксиального с ним зубчатого сердечника с обмоткой статора. Между зубчатыми сердечниками установлена тарированная пружина, ограничивающая их перемещение. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Асинхронный генератор, содержащий ротор с короткозамкнутой обмоткой, расположенный через рабочий зазор статор, выполненный в виде сердечника с Z зубцами, с размещенной в пазах обмоткой, дополнительный магнитопровод с пазами, в которых размещены изолированные проводники трехфазной обмотки, причем дополнительный магнитопровод выполнен из коаксиально расположенных цилиндрических зубчатых сердечников, примыкающих зубцами друг к другу, с пазами, в которых расположены проводники обмоток, ротор снабжен постоянными магнитами, которые размещены равномерно по зубцам ротора заподлицо с его поверхностью, образуя чередующиеся полюса, причем число зубцов ротора кратно числу постоянных магнитов, ротор и статор отделены от дополнительного магнитопровода герметичной перегородкой, причем обмотка статора и дополнительного магнитопровода электрически едина и проходит через гермовводы, расположенные в герметичной перегородке, отличающийся тем, что обмотка статора выполнена симметричной трехфазной, и коаксиально расположенный цилиндрический зубчатый сердечник с проводниками трехфазной обмотки в пазах установлен с возможностью поворота вокруг общей оси относительно коаксиального с ним зубчатого сердечника с обмоткой статора.

2. Асинхронный генератор по п.1, отличающийся тем, что между коаксиально расположенными зубчатыми сердечниками установлена тарированная пружина, ограничивающая их перемещение.