Индукторный генератор автономного питания независимых нагрузок Российский патент 2024 года по МПК H02K19/20 H02K19/34 

Изобретение относится к электрическим машинами, а именно к индукторным генераторам, и может быть использовано для независимого питания множества различных потребителей электроэнергии (в основном для работы многопостового сварочного и плазморежущего оборудования) в автономных условиях.

Из уровня техники известен индукторный генератор с несколькими выходами для создания многопостовых сварочных аппаратов (Авторское свидетельство СССР №1309204, опубл.07.05.1987). Устройство содержит безобмоточный ротор и магнитопровод статора с числом пар полюсов р, на каждой (соседней) из которых размещены обмотка возбуждения и якорная обмотка. Каждая обмотка генератора имеет клеммы для подключения к собственной нагрузке. При этом отношение радиальных размеров спинки магнитопровода статора в зоне полюсов S₁ и в межполюсных промежутках S₂ находится в пределах 0,5≤S₁/S₂<1, что позволяет исключить взаимосвязь между магнитными потоками соседних пар полюсов магнитопровода статора, то есть взаимное влияние якорных обмоток генератора при изменении режимов работы любой из нагрузок.

В известном генераторе не используются все возможности для ещё большей степени разделения магнитной системы на независимые зоны, что не позволяет нарастить число одновременно работающих нагрузок без увеличения габаритов и массы генератора. Кроме того, в известном генераторе питание обмотки возбуждения от собственных независимых обмоток якоря связано с существенным снижением полезного использования в связи тем, что приходится отнимать для собственных нужд значительную часть активного генерирующего пространства.

Задачей изобретения является разработка индукторного генератора автономного питания множественных независимых нагрузок, лишенного недостатков известных аналогов, а также расширение арсенала технических средств указанного назначения.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности одновременного независимого питания большего числа различных потребителей электроэнергии (в основном обеспечение специфическими видами электроэнергии, необходимыми для работы многопостового сварочного и плазморежущего оборудования) в автономных условиях без увеличения габаритов и массы генератора, а также в повышении степени полезного использования генератора за счет возможности питания собственных нужд (возбуждения), занимая для этого меньшую часть генерирующего пространства машины.

Технический результат достигается тем, что индукторный генератор автономного питания содержит безобмоточный зубчатый ротор и магнитопровод статора с числом пар полюсов p≥1 и чётным числом пазов с обмотками возбуждения, разделяющих статор на полюса разной полярности, в пределах которых в пазах размещены катушки якорной обмотки, содержит число независимых выходов 2p, обеспеченных обмотками якоря от двух половин каждого полюса, примыкающих к пазу с обмоткой возбуждения, а питание обмотки возбуждения осуществляется ¹/_2p частью обмоток якоря, при этом каждый полюс имеет нечётное число пазов для обмотки якоря и такое их расположение, что один из пазов располагается посередине полюса, симметрично относительно его оси, при этом на наружной цилиндрической поверхности магнитопровода статора напротив каждого полюса, симметрично его оси выполнена лыска с длиной хорды B₁ меньше ширины B₂ полюса, посередине которой, симметрично оси полюса выполнен паз, а симметрично оси паза для обмотки возбуждения на расстоянии S₂, больше его ширины S₁, выполнены два углубления, при этом генератор настроен на диапазон значений тока возбуждения, который на 5-10% превышает ток возбуждения, соответствующий максимуму электродвижущей силы, наводимой в обмотках якоря по характеристике холостого хода.

Целесообразно, чтобы в обоих углах паза для обмотки возбуждения были выполнены выступы.

Целесообразно, чтобы отношение длины хорды лыски B₁ к ширине полюса B₂ находилось в пределах от 0,7 до 0,9.

Целесообразно, чтобы отношение расстояния между углублениями S₂ к ширине паза для обмотки возбуждения S₁ находилось в пределах от 1,2 до 1,6.

Целесообразно, чтобы отношение радиальной толщины спинки магнитопровода статора в зоне осей полюсов H₁ к радиальной толщине спинки магнитопровода статора в межполюсных промежутках H₂ находилось в пределах от 0,5 до 1,0.

Целесообразно, чтобы пазы, расположенные на наружной цилиндрической поверхности магнитопровода статора посередине лыски, симметрично оси полюса, имели прямоугольное поперечное сечение.

Целесообразно, чтобы углубления, расположенные на наружной цилиндрической поверхности магнитопровода статора, симметрично оси паза для обмотки возбуждения, имели форму поперечного сечения прямоугольного треугольника.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 приведен четырехполюсный вариант исполнения индукторного генератора автономного питания в поперечном разрезе.

На Фиг.2 приведен пример выполнения магнитопровода статора 8-ми полюсного варианта исполнения индукторного генератора автономного питания в поперечном разрезе (фрагмент).

Предлагаемый индукторный генератор автономного питания представляет собой разноимённополюсный индукторный генератор, содержащий безобмоточный зубчатый ротор 12 и магнитопровод статора 4 с чётным числом крупных пазов 2 для обмотки возбуждения 3, разделяющих статор на полюса различной полярности. Число пар полюсов с чередующейся полярностью, расположенных по окружности статора, может быть любым, начиная с одной пары полюсов, однако практическое значение имеют варианты с p≥1.

В меньших по размеру пазах, расположенных в пределах самих плюсов, находятся катушки якорной обмотки 1, в которых вырабатывается электродвижущая сила (ЭДС) и электрический ток, направляемый на питание энергией какой-либо нагрузки согласно назначению генератора.

В предлагаемом генераторе, в результате вводимых изменений его устройства и режима питания возбуждения, независимый выход обеспечен с обмоток якоря 1 от двух половин каждого полюса, примыкающих к крупному пазу 2 с обмоткой возбуждения 3. Таким образом, число независимых выходов удваивается и становится равным числу полюсов разноимённополюсного индукторного генератора, т. е. 2p.

Каждый полюс имеет нечётное число пазов для обмотки якоря 1 и такое их расположение, что один из таких пазов 7 располагается посредине полюса, симметрично относительно его оси 6. Расположение паза 7 посредине полюса повышает степень разделения магнитных потоков половин полюса. Таким образом, ось полюса 6 является осью его геометрической симметрии, при этом число зубцов и пазов для обмотки якоря 1 одинаковы с каждой стороны от этой оси 6.

Магнитопровод статора 4 предлагаемого генератора имеет лыски 5 на наружной цилиндрической поверхности, симметричные осям полюсов 6, при этом длина хорды лыски B₁ меньше ширины полюса B_2. Отношение длины хорды лыски B₁ к ширине полюса B₂ находится в пределах от 0,7 до 0,9, предпочтительно составляет 0,8.

Указанное отличие от прототипа позволяет снизить сопротивление потоку магнитного поля 9 в спинке магнитопровода статора 4, за счет чего уменьшаются потери энергии в стали магнитопровода и повышается КПД генератора.

С целью повышения степени разделения потоков магнитного поля проходящих в половинах каждого полюса, на лыске 5 симметрично оси полюса сделан паз 8, снижающий сечение границы между половинами полюсов, по которому возможно взаимное проникновение и влияние потоков магнитного поля 9.

Паз 8 может иметь прямоугольное, треугольное, трапецеидальное, в виде сегмента окружности или эллипса поперечное сечение, предпочтительно - прямоугольное.

Отношение радиальной толщины H₁ спинки магнитопровода статора 4 в зоне осей полюсов 6 к радиальной толщине H₂ спинки магнитопровода статора 4 в межполюсных промежутках находится в пределах от 0,5 до 1,0, предпочтительно - 0,75.

В генераторах, выполненных по прототипу, имеет место неравномерность потоков магнитного поля в тех частях полюсов, которые примыкают к пазу для обмотки возбуждения, предположительно, в результате действия краевого эффекта, уменьшается поток и, соответственно, наводимая ЭДС.

С целью выравнивания потоков магнитного поля предлагаемый генератор выполнен с двумя углублениями 11 на наружной поверхности магнитопровода статора 4. Углубления 11 расположены симметрично оси паза 2 для обмотки возбуждения 3 на расстоянии S₂, немного больше его ширины S₁.

Отношение расстояния S₂ между углублениями 11 к ширине S₁ крупного паза 2 для обмотки возбуждения 3 находится в пределах от 1,2 до 1,6, предпочтительно - от 1,4 до 1,5.

Углубления 11, расположенные на наружной цилиндрической поверхности магнитопровода статора 4 симметрично оси крупного паза 2 для обмотки возбуждения 3, имеют форму поперечного сечения в виде прямоугольного треугольника.

Также с целью выравнивания потоков магнитного поля в обоих углах каждого крупного паза 2 для обмотки возбуждения 3 выполнены заполняющие его углы выступы 10.

Экспериментально установлено, что взаимное влияние якорных обмоток минимально и практически отсутствует в насыщенном магнитопроводе статора 4 при высокой магнитной индукции, что имеет место при токе возбуждения, который на 5-10 % превышает ток возбуждения, соответствующий максимуму ЭДС, наводимой в обмотках якоря 1 по характеристике холостого хода. При дальнейшем увеличении тока возбуждения кривая графика ЭДС выходит на плато с небольшим снижением и далее резко снижается. Размер плато стабильности ЭДС составляет как раз от 5 до 10 % после прохождения точки максимума.

С целью минимизации взаимовлияния отдельных одновременно работающих нагрузок генератор настроен на указанный диапазон значение тока возбуждения. Настройки тока возбуждения в широком диапазоне могут быть достигнуты выбором и согласованием таких параметров как напряжение питания обмотки возбуждения, числа витков катушек и сечением провода обмотки, что хорошо освоено и применяется в инженерной практике специалистами в области электрических машин.

Для питания обмотки возбуждения 3 выделен один из независимых выходов обмотки якоря 1, в минимальном варианте представляющий обмотки с двух полуполюсов локализованных около одного любого крупного паза 2. Например, если индукторный генератор имеет всего пар полюсов, то на питание обмотки возбуждения 3 в предлагаемом генераторе можно выделить ¹/_2p часть, в то время как в генераторе прототипа надо выделить ¹/_p часть всех обмоток якоря.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально магнитопровод статора 4 должен быть намагничен от постороннего источника постоянного тока, после чего магнитопровод приобретает некоторую остаточную намагниченность, в том числе его участок с обмотками якоря 1 выделенными для питания обмотки возбуждения 3, как описано выше. Намагничивание производится один раз, при изготовлении генератора на заводе. При приведении зубчатого ротора во вращение от, например, двигателя внутреннего сгорания, в потоках остаточного магнитного поля в соответствии с принципом работы индукторного генератора во всех катушках якорной обмотки 1, в том числе и в тех, что выделены для питания обмотки возбуждения 3, наводится переменная ЭДС, которая выпрямляется, будучи подключенной к выпрямителю.

Выпрямленный ток под действием ЭДС подается в обмотку возбуждения 3, ток возбуждения нарастает и, соответственно, снова нарастает ЭДС, отчего снова нарастает ток и т.д. При правильно выбранных и согласованных параметрах обмоток, происходит известный лавинообразный процесс самовозбуждения, останавливающийся в некой точке равновесия, определяющей установившийся рабочий ток возбуждения. Далее, по завершении переходного процесса, в возбуждённом генераторе при вращении зубчатого ротора 12 в потоках магнитного поля 9, вызванного протеканием установившегося тока возбуждения в крупных пазах 2, в соответствии с принципом работы индукторного генератора, во всех остальных катушках якорной обмотки 1 будет наводиться переменная ЭДС рабочего режима.

Якорные обмотки 1, расположенные на половинах полюсов около каждого крупного паза 2 в генераторе, выполненном с учетом перечисленных мер по разделению на независимые зоны, представляют собой отдельные группы, соединённые в электрические цепи и работают - выдают ток - каждая на свою нагрузку как независимые источники питания. При этом в любом электрическом генераторе возникает явление реакции якоря, заключающееся в том, что токи при протекании в якорных обмотках создают своё магнитное поле, которое противодействует магнитному потоку возбуждения и, таким образом, уменьшает напряжение, выдаваемое в нагрузку. Однако, в результате принятых мер, магнитные потоки от реакции якоря в большой степени локализуются и распространяют своё влияние только в пределах половин полюсов магнитопровода статора 4. Изменения магнитных потоков при изменении нагрузки в обмотках якоря 1 происходят на одной половине полюса, т. е. отдельная группа действует только сама на себя, практически не оказывая влияния на соседнюю половину полюса, где размещены обмотки другой группы.

Благодаря обретению независимости отдельными группами обмоток якоря, кроме устройства питания собственного возбуждения, можно выделить группу питания (через свой выпрямитель и инверторный преобразователь) стандартным напряжением 220 В, частотой 50 Гц ламп освещения и электроинструмента типа шлифовальных машин для обработки сварных швов, что является востребованным при проведении сварочных работ в полевых условиях и в ночное время.

Остальные независимые группы объединяются для питания нескольких сварочных постов, для которых важным является соблюдение заданного именно на этом посту электрического режима сварки и отсутствие влияния на него одновременно выполняемых сварочных работ на другом посту от других групп обмоток этого же генератора. Даже кратковременное отклонение электрического режима при сварке может привести к появлению дефектов сварного шва.

Обмотки-источники одной группы могут быть однофазными или трёхфазными, могут работать каждая на свою нагрузку или соединяться между собой, комбинируясь в различных вариантах: либо параллельно для получения больших токов, либо последовательно для получения высоких напряжений в общей нагрузке.

Вариант распределения групп обмоток якоря по видам нагрузки на примере восьмиполюсного генератора (число пар полюсов р = 4).

Наибольшее число независимых источников в таком генераторе может быть восемь. Из них одна группа направляется на питание обмотки возбуждения, вторая - на питание потребителей стандартного напряжения 220 В. Оставшиеся шесть групп могут быть направлены на два сварочных поста по три группы на каждый. Три группы каждого сварочного поста соединяются в параллель, выпрямляются и подаются на электронный высокочастотный регулятор сварочного тока поста типа, например, конвертора ВЧР.

Имея в распоряжении повышенное число независимых групп как отдельных источников, со сравнительно низким напряжением холостого хода, (порядка 70 - 90 В) требуемом для сварки, можно получить универсальный источник, применимый как для многопостовой сварки, так и для сопутствующего технологического процесса - воздушно-плазменной резки (ВПР). Как известно, для ВПР требуется высокое, порядка не менее 300 В, напряжение холостого хода. Такое напряжение получается пересоединением с помощью многоконтактного переключателя всех или части независимых групп с параллельного соединения, использовавшегося до того при сварке, на последовательное, с напряжением пригодным для ВПР.

Таким образом, предлагаемый генератор может применяться как универсальный источник питания различных нагрузок, заменяя несколько отдельных специализированных устройств, позволяя избежать затрат на их производство и доставку к месту проведения автономных работ, связанных сваркой, резкой и питанием электроинструментов, что часто встречается в практике строительства или устранения аварий на трубопроводах.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - обеспечение возможности одновременного независимого питания большего числа различных потребителей электроэнергии. Индукторный генератор автономного питания содержит безобмоточный зубчатый ротор и магнитопровод статора с числом пар полюсов p≥1 и чётным числом пазов с обмотками возбуждения, разделяющих статор на полюса разной полярности, в пределах которых в пазах размещены катушки якорной обмотки. Число независимых выходов 2p обеспечено обмотками якоря от двух половин каждого полюса, примыкающих к пазу с обмоткой возбуждения. Питание обмотки возбуждения осуществляется 1/2p частью обмоток якоря. Каждый полюс имеет нечётное число пазов для обмотки якоря и такое их расположение, что один из пазов располагается посередине полюса, симметрично относительно его оси, а на наружной цилиндрической поверхности магнитопровода статора напротив каждого полюса, симметрично его оси, выполнена лыска с длиной хорды B₁ меньше ширины B₂ полюса, посередине которой, симметрично оси полюса, выполнен паз, а симметрично оси паза для обмотки возбуждения на расстоянии S₂, больше его ширины S₁, выполнены два углубления. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Индукторный генератор автономного питания, содержащий безобмоточный зубчатый ротор и магнитопровод статора с числом пар полюсов p≥1 и чётным числом пазов с обмотками возбуждения, разделяющих статор на полюса разной полярности, в пределах которых в пазах размещены катушки якорной обмотки, отличающийся тем, что содержит число независимых выходов 2p, обеспеченных обмотками якоря от двух половин каждого полюса, примыкающих к пазу с обмоткой возбуждения, а питание обмотки возбуждения осуществляется 1/2p частью обмоток якоря, при этом каждый полюс имеет нечётное число пазов для обмотки якоря и такое их расположение, что один из пазов располагается посередине полюса, симметрично относительно его оси, на наружной цилиндрической поверхности магнитопровода статора напротив каждого полюса симметрично его оси выполнена лыска с длиной хорды B1 меньше ширины полюса B₂, посередине которой симметрично оси полюса выполнен паз, а симметрично оси паза для обмотки возбуждения на расстоянии S₂ больше его ширины S₁ выполнены два углубления, при этом генератор настроен на диапазон значений тока возбуждения, который на 5-10% превышает ток возбуждения, соответствующий максимуму электродвижущей силы, наводимой в обмотках якоря по характеристике холостого хода.

2. Индукторный генератор автономного питания по п.1, отличающийся тем, что в обоих углах паза для обмотки возбуждения выполнены выступы.

3. Индукторный генератор автономного питания по п.1, отличающийся тем, что отношение длины хорды лыски B₁ к ширине полюса B₂ находится в пределах от 0,7 до 0,9.

4. Индукторный генератор автономного питания по п.1, отличающийся тем, что отношение расстояния между пазами S₂ к ширине паза для обмотки возбуждения S₁ находится в пределах от 1,3 до 1,5.

5. Индукторный генератор автономного питания по п.1, отличающийся тем, что отношение радиальной толщины спинки магнитопровода статора в зоне осей полюсов H₁ к радиальной толщине спинки магнитопровода статора в межполюсных промежутках H₂ находится в пределах от 0,5 до 0,8.

6. Индукторный генератор автономного питания по п.1, отличающийся тем, что пазы, расположенные на наружной цилиндрической поверхности магнитопровода статора посередине лыски, симметрично оси полюса, имеют прямоугольное поперечное сечение.

7. Индукторный генератор автономного питания по п.1, отличающийся тем, что углубления, расположенные на наружной цилиндрической поверхности магнитопровода статора симметрично оси паза для обмотки возбуждения, имеют форму поперечного сечения прямоугольного треугольника.