Магнитоэлектрический генератор Российский патент 2023 года по МПК H02K7/116 H02K1/2753 H02K21/14 H02K1/28 

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности - к синхронным генераторам с возбуждением от постоянных магнитов, так называемым магнитоэлектрическим генераторам, и может быть использовано в автономных системах электроснабжения как в стационарных устройствах, так и на транспортных средствах, включая авиационные. Изобретение может быть успешно использовано в тех случаях, когда стабилизация или регулирование выходного напряжения требуют существенного изменения величины потокосцепления генератора. Широкое использование магнитоэлектрических генераторов [1-3] объясняется отсутствием постоянных затрат на возбуждение, однако их недостатком при этом является относительная сложность регулирования выходного напряжения.

Известны, например, «Бесконтактный генератор» (А.С. СССР № 206695), «Однофазный бесконтактный магнитоэлектрический генератор» (Патент RU 2393615), «Магнитоэлектрический генератор» (Патент RU 2515998), «Устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов» (Патент RU 2752527), «Генераторы переменного тока с постоянными магнитами» (В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Стр. 23-46). Общим недостатком указанных конструкций является ограниченность как диапазона регулирования выходного напряжения, так и частоты вращения генератора, что связано с трудностями, возникающими при креплении магнитов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятый за прототип «Генератор переменного тока с постоянными магнитами с регулированием напряжения за счет осевого перемещения ротора относительно статора» (В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Стр. 111, Рис 4.3). В данной конструкции перемещением ротора с постоянными магнитами относительно статора, в пазах которого уложена якорная обмотка, достигается широкий диапазон изменения потокосцепления генератора, обеспечивая тем самым значительную глубину регулирования выходного напряжения. Однако при необходимости регулирования выходного напряжения в пределах от максимального до минимального значений аксиальная величина перемещения ротора равна аксиальной длине активной части машины, что существенно увеличивает длину генератора, а следовательно, ухудшает его массогабаритные показатели. Кроме того, используемый в данной конструкции механизм смещения ротора гидравлического типа ухудшает быстродействие и снижает надежность устройства.

Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в улучшении эксплуатационных характеристик магнитоэлектрического генератора, а именно повышении удельных мощностных и массогабаритных показателей, повышении качества регулирования выходного напряжения, повышении эксплуатационной надежности, а также допустимой частоты вращения.

Указанные задачи решаются за счет того, что в магнитоэлектрическом генераторе, содержащем явнополюсный ротор с постоянными магнитами, выполненный с возможностью смещения в аксиальном направлении, шихтованный статор с обмоткой якоря в пазах, подшипники и вал, активные зоны ротора и статора разделены по длине на два и более участков, постоянные магниты каждого участка ротора изолированы друг от друга немагнитными вставками и воздушными промежутками между ними, а также укреплены шихтованными полюсными башмаками с аксиальными отверстиями, в которых расположены крепежные оси, зафиксированные на валу немагнитными вставками, участки шихтованного статора имеют воздушные промежутки, аксиальная длина которых равна аксиальной длине промежутков между магнитами ротора, аксиальная длина шихтованной части каждого участка статора равна аксиальной длине постоянного магнита каждого участка ротора, кроме того, генератор содержит электромеханическое устройство смещения ротора в аксиальном направлении. Электромеханическое устройство смещения ротора в аксиальном направлении содержит электродвигатель, вал которого соединен с червяком червячной передачи, ось червячного колеса которой соединена с осью ведущего зубчатого колеса дополнительного шестеренчатого редуктора, ведомое зубчатое колесо которого соединено с гайкой преобразователя движения типа «винт-гайка», которая зафиксирована в аксиальном направлении, а винт соединен с внешним фланцем жестко закрепленного на валу шарикоподшипника, внешний и внутренний фланцы шарикоподшипника соединены стяжным болтом. Магнитоэлектрический генератор обычно содержит обмотку подмагничивания спинки статора, которая регулирует и стабилизирует выходное напряжение по еще одному каналу.

Техническим результатом использования данного изобретения является уменьшение общего аксиального габарита машины за счет сокращения длины хода смещения ротора путем разбиения ротора и статора на участки; повышение качества регулирования выходного напряжения и надежности генератора за счет использования электромеханического устройства смещения ротора по сравнению с гидроприводом прототипа; существенное повышение частоты вращения ротора при минимальном воздушном зазоре за счет использования для крепления постоянных магнитов шихтованных башмаков, которые фиксируются на валу крепежными (несущими) осями, что, в свою очередь, позволяет повысить мощность машины за счет увеличения магнитного потока и частоты вращения, а также повысить КПД из-за снижения поверхностных потерь в роторе.

В предлагаемом изобретении разбиение ротора и статора на участки позволяет сократить ход смещения ротора в аксиальном направлении при максимальном снижении потокосцепления до длины лишь одного участка, что существенно сокращает аксиальную длину машины, а следовательно, повышает удельные мощностные и массогабаритные показатели генератора. Использование электромеханического устройства смещения ротора повышает быстродействие всей системы генерирования, особенно в режиме стабилизации выходного напряжения при резких изменениях частоты вращения, что способствует повышению качества регулирования выходного напряжения, а также и надежности генератора.

Предлагаемое в настоящем изобретении использование для крепления постоянных магнитов шихтованных полюсных башмаков с аксиальными отверстиями, в которых расположены крепежные (несущие) оси, зафиксированные на валу немагнитными вставками, существенно повышает механическую прочность ротора, что позволяет повысить частоту вращения генератора, а следовательно, и его мощность при тех же габаритах. Также на повышение мощности влияет и повышение магнитного потока вследствие реального уменьшения воздушного (немагнитного) зазора, обеспечиваемого стальными шихтованными башмаками. Шихтовка же башмаков позволяет снизить поверхностные потери в роторе и повысить КПД.

На Фиг. 1 представлен фрагмент продольного сечения генератора с разделенными на четыре (в качестве примера) участка ротора и статора, а также поперечное сечение его ротора. На валу 9 генератора расположен ротор, конструктивно включающий ярмо 10, на котором размещены постоянные магниты 6, укрепленные шихтованными полюсными башмаками 5 с аксиальными отверстиями, в которых расположены крепежные несущие оси 8, постоянные магниты 6 каждого участка ротора изолированы друг от друга несущими немагнитными вставками 7 и воздушными промежутками между ними, шихтованный пакет статора 4 с обмоткой якоря 3 в пазах. Магнитоэлектрический генератор обычно содержит обмотку подмагничивания 2 спинки статора, которая регулирует и стабилизирует выходное напряжение по еще одному каналу. Генератор заключен в корпус 1, l₁ - аксиальная длина шихтованной части каждого участка статора, l₂ - аксиальная длина постоянного магнита ротора, l₃ - аксиальная длина воздушных промежутков статора, l₄ - аксиальная длина промежутков между магнитами ротора.

На Фиг. 2 представлено электромеханическое устройство смещения ротора в аксиальном направлении, которое содержит электродвигатель 11, вал которого соединен с валом 12 червяка червячного редуктора 13, ось червячного колеса которой соединена с осью ведущего зубчатого колеса 14 дополнительного шестеренчатого редуктора, ведомое зубчатое колесо 15 которого соединено с гайкой 16 преобразователя движения типа «винт-гайка» 18, которая зафиксирована в аксиальном направлении, а винт 17 соединен с внешним фланцем 19 шарикоподшипника 20 генератора, внешний 19 и внутренний 21 фланцы шарикоподшипника 20 соединены стяжным болтом 23. На Фиг. 2: 22 - фрагмент щита генератора, L - величина смещения ротора в аксиальном направлении.

Устройство работает следующим образом. Величина выходного напряжения генератора определяется потокосцеплением, которое, в свою очередь, зависит от величины суммарного воздушного зазора машины. При точном совпадении по аксиальной длине постоянных магнитов и шихтованного пакета участка статора, как показано на Фиг. 1, суммарный воздушный зазор будет минимальным, а выходное напряжение - максимальным. Минимальное выходное напряжение генератора будет иметь место при смещении ротора на длину одного участка, когда постоянные магниты будут расположены между стальными шихтованными пакетами участков статора. При этом для каждого фиксированного положения ротора более точная подстройка выходного напряжения может проводиться путем изменения тока обмотки подмагничивания спинки статора, которая регулирует и стабилизирует выходное напряжение по еще одному каналу.

Электромеханическое устройство смещения ротора в аксиальном направлении работает следующим образом. Вращающий момент электродвигателя 11 передается находящемуся с ним на одном валу червяку червячной передачи 13. Червячное колесо червячной передачи 13 передает вращающий момент ведущему зубчатому колесу 14 дополнительного шестеренчатого редуктора, позволяющего осуществить более точную регулировку смещения. Ведомое зубчатое колесо 15 дополнительного шестеренчатого редуктора передает вращающий момент гайке 16 преобразователя движения типа «винт-гайка» 18, которая зафиксирована в аксиальном направлении, а винт 17, который перемещается при этом в аксиальном направлении, соединен с внешним фланцем 19 шарикоподшипника 20 генератора. Шарикоподшипник закреплен жестко на валу и обеспечивает аксиальное смещение вала 9 при перемещении винта 17 преобразователя движения типа «винт-гайка» 18. Механическую прочность конструкции обеспечивает стяжной болт 23, соединяющий внешний 19 и внутренний 21 фланцы шарикоподшипника 20.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано, например, в автономных системах электроснабжения как в стационарных устройствах, так и на транспортных средствах, включая наземные, водные и авиационные, в качестве высокооборотных стабилизированных электрических генераторов с регулируемым в широком диапазоне выходным напряжением, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.

Источники информации

1. В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами.- М.: Энергоатомиздат, 1988.-280 с.

2. Специальные электрические машины: Учебное пособие для вузов / Под ред. А.И. Бертинова. - М., Энергоиздат, 1982. - 552 с.

3. Д.А.Бут. Бесконтактные электрические машины: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1990. - 416 с.

4. Бесконтактный генератор. А.С. СССР № 206695, 1963.

5. Однофазный бесконтактный магнитоэлектрический генератор. Патент RU №2393615, 2010.

6. Магнитоэлектрический генератор. Патент RU №2515998, 2012.

7. Устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов. Патент RU №2752527, 2020.

Изобретение относится к области электроэнергетики. Технический результат – обеспечение широкого диапазона регулирования выходного напряжения. В магнитоэлектрическом генераторе, содержащем явнополюсный ротор с постоянными магнитами, выполненный с возможностью смещения в аксиальном направлении, шихтованный статор с обмоткой якоря в пазах, подшипники и вал, активные зоны ротора и статора разделены по длине на два и более участка. Постоянные магниты каждого участка ротора изолированы друг от друга немагнитными вставками и воздушными промежутками, а также укреплены шихтованными полюсными башмаками с аксиальными отверстиями, в которых расположены крепежные оси, зафиксированные на валу немагнитными вставками. Участки шихтованного статора имеют воздушные промежутки, аксиальная длина которых равна аксиальной длине промежутков между магнитами ротора. Аксиальная длина шихтованной части каждого участка статора равна аксиальной длине постоянного магнита каждого участка ротора. Дополнительно генератор содержит электромеханическое устройство смещения ротора в аксиальном направлении. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитоэлектрический генератор, содержащий явнополюсный ротор с постоянными магнитами, выполненный с возможностью смещения в аксиальном направлении, шихтованный статор с обмоткой якоря в пазах, подшипники и вал, отличающийся тем, что активные зоны ротора и статора разделены по длине на два и более участков, постоянные магниты каждого участка ротора изолированы друг от друга немагнитными вставками и воздушными промежутками между ними, а также укреплены шихтованными полюсными башмаками с аксиальными отверстиями, в которых расположены крепежные оси, зафиксированные на валу немагнитными вставками, участки шихтованного статора имеют воздушные промежутки, аксиальная длина которых равна аксиальной длине промежутков между магнитами ротора, аксиальная длина шихтованной части каждого участка статора равна аксиальной длине постоянного магнита каждого участка ротора, кроме того, генератор содержит электромеханическое устройство смещения ротора в аксиальном направлении.

2. Магнитоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что электромеханическое устройство смещения ротора в аксиальном направлении содержит электродвигатель, вал которого соединен с червяком червячной передачи, ось червячного колеса которой соединена с осью ведущего зубчатого колеса дополнительного шестеренчатого редуктора, ведомое зубчатое колесо которого соединено с гайкой преобразователя движения типа «винт-гайка», которая зафиксирована в аксиальном направлении, а винт соединен с внешним фланцем жестко закрепленного на валу шарикоподшипника, внешний и внутренний фланцы шарикоподшипника соединены стяжным болтом.

3. Магнитоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит обмотку подмагничивания спинки статора.