Электрический генератор Российский патент 2024 года по МПК H02K21/14 H02K1/18 H02K1/2753 

Настоящее изобретение относится к электротехнике, электродинамике и электромашиностроению, а именно к электрическим генераторам, которые могут быть использованы для получения однофазного и многофазного, включая трехфазный, переменного тока, в частности с приводами ветроприемников, гидравлических турбин, а также паровыми турбинами и жидкостными двигателями.

Из уровня техники известен электрический генератор на постоянных магнитах, описанный в RU 2532250 С1, 10.11.2014 и содержащий статор и ротор, а также якорную обмотку, при этом ротор выполнен из композитного материала сечением П-образной формы установленным на металлическом валу, магниты с чередующимися полюсами установлены на роторе в пазах, якорная обмотка размещена на композитном статоре и выполнена в виде независимых секций.

Упомянутый электрический генератор обладает низкой эффективностью, в частности, использование композитных материалов на статоре генератора вместо металлического цилиндрического обода на поверхности ротора, значительно понижает магнитный поток каждого постоянного магнита, что в свою очередь снижает генерацию электрической мощности каждой катушкой статора и электрического генератора в целом.

Таким образом, технический результат заявленного изобретения заключается в создании простого в изготовлении и сборке электрического генератора, который обладает эффективным охлаждением генераторных обмоток и возможностью регулировки величины воздушного зазора между проводниками катушек генератора и постоянными магнитами ротора.

Упомянутый технический результат достигается за счет электрического генератора, характеризующийся тем, что он содержит статор, состоящий из нескольких электрических катушек прямоугольной формы, каждая из которых намотана на держатель из электроизоляционного материала, каждый держатель установлен на периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек электрического генератора, в подшипниках, которых установлен вал ротора, один из концов которого выполнен с возможностью соединения с механическим приводом, при этом ротор выполнен металлическим и содержит выступающие постоянные магниты из расчета два постоянных магнита на каждую электрическую катушку, постоянные магниты расположены таким образом, что чередуются на роторе через один с последовательным изменением полярности, кроме того, держатели из электроизоляционного материала, на которые намотаны электрические катушки, установлены на периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек электрического генератора, с образованием радиальных воздушных каналов между соседними катушками, и с возможностью регулировать величину воздушного зазора между проводниками катушек генератора и постоянными магнитами ротора, путем установки прокладок в местах сопряжения держателей из электроизоляционного материала, на которые намотаны электрические катушки, и подшипниковых щитов - боковых крышек.

В частных формах выполнения электрический генератор реализуется следующим образом.

На периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек электрического генератора, выполнены пазы, сопрягаемые с шипами, выполненными на держателях из электроизоляционного материала, на которые намотаны электрические катушки.

Электрические катушки выполнены без соединения в группы или соединены в группы параллельно или соединены в группы последовательно.

Настоящее изобретение поясняется следующими графическими материалами.

Фиг. 1 - Схема поперечного сечения электрического генератора.

Фиг. 2 - Схема продольного разреза электрического генератора.

Фиг. 3 - Общий вид держателя электрической катушки электрического генератора.

Фиг. 4 - Общий вид подшипникового щита - боковой крышки электрического генератора.

Фиг. 1 и 2 иллюстрируют пример реализации изобретения в виде четырехполюсного электрического генератора с двумя катушками.

Как показано на фиг. 1 и 2, электрический генератор содержит статор (1), состоящий из нескольких электрических катушек (2) прямоугольной формы (в рассматриваемом примере из двух), каждая из которых намотана на держатель (3) из электроизоляционного материала, например, текстолита или различных пластиков.

Каждый держатель (3) установлен на периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек (4) электрического генератора, в подшипниках (5) которых установлен вал (6) ротора (7), один из концов которого выполнен с возможностью соединения с механическим приводом (не показан), например, шлицевым или шпоночным соединением.

Ротор (7), имеющий квадратное поперечное сечение, выполнен металлическим, и содержит выступающие постоянные магниты (8) из расчета два постоянных магнита (8) на каждую электрическую катушку (2), постоянные магниты (8) расположены таким образом, что чередуются на роторе через один с последовательным изменением полярности N-S-N-S и тд. (см. фиг. 1). Количество пар магнитов может быть любым, при этом два магнита приходится на одну катушку.

Держатели (3) из электроизоляционного материала, на которые намотаны электрические катушки (2), установлены на периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек (4) электрического генератора (см. фиг. 2), с образованием радиальных воздушных каналов (9) между соседними катушками (2) (см. фиг. 1).

Такая конструкция составного статора позволяет улучшить охлаждение проводников катушек, при этом постоянные магниты на роторе играют роль лопастей внутреннего вентилятора.

Как показано на фигурах 3 и 4 на периферических частях двух подшипниковых щиток - боковых крышек (4) электрического генератора, выполнены пазы (10), сопрягаемые с шипами (11), выполненными на держателях (3) из электроизоляционного материала, па которые намотаны электрические катушки. Последующее закрепление, как правило, осуществляется резьбовым крепежом.

Держатели (3) катушек (2) обеспечивают одновременно, как жесткую фиксацию подшипниковых щитов - боковых крышек (4) электрического генератора, так и строгую параллельность их относительно друг друга, при этом электрический генератор имеет жесткую механическую конструкцию, в частности, подшипники (5), находящиеся на концах вала (6) ротора (7), располагаются в свои посадочных местах подшипниковых щитов - боковых крышек (4) электрического генератора.

Кроме того, это конструктивное выполнение позволяют регулировать величину воздушного зазора (14) между проводниками катушек (2) генератора и постоянными магнитами (8) ротора (7), во время сборки и регулировки электрического генератора, за счет установи прокладок (не показаны) в местах сопряжения (10, 11) держателей (3) катушек (2) и подшипниковых щитов - боковых крышек (4).

Электрические катушки выполнены без соединения в группы или соединены в группы параллельно или соединены в группы последовательно.

При необходимости электрический генератор может быть дополнительно иметь защитный корпус, устанавливаемый поверх составного статора и крепящийся к подшипниковым щитам. В связи с тем, что электрический генератор может иметь различные виды установки, как горизонтального, так и вертикального, конструкции его крепления не показаны.

Электрический генератор работает следующим образом.

При вращении ротора (7) (в независимости от направления вращения почасовой стрелке или против) силовые линии магнитных полей постоянных магнитов (8) пересекают витки статорных обмоток электрических катушек (2) статора (1). Под действием постоянных магнитов (8), в электрических катушках (2) возникает электрический поток величина которой зависит от скорости вращения ротора.

Максимальное положительное значение величины этого потока будет тогда, когда постоянны магниты (8) ротора (7) находятся строго под соответствующими проводниками электрических катушек (2) статора (1), как это показано на фигуре 1, при этом магнитная нейтраль (12) между постоянными магнитами (8) различной полярность N и S находится под углом 45° и располагается между катушек.

При вращении ротора по часовой стрелке, когда магнитные нейтрали (12) полюсов стремятся стать напротив геометрических нейтралей (13) проводников электрических катушек (2) величина электрического потока будет уменьшайся во времени по синусоиде и станет ровна нулю, когда эти нейтрали (12, 13) совпадут.

И дальше при вращении ротора (7) в сторону совпадений геометрических нейтралей (13) катушек (2) с нейтралями (12) постоянных магнитов (8) величина электрического потока будет увеличиваться во времени по синусоиде до максимума, но уже с противоположным знаком и далее опять до нуля. И этот цикл повторяется многократно, обеспечивая переменную электрическую мощность на выходе генератора.

Рассмотрим работу электрического генератора в соответствии с законами Кирхгофа, Ома, Максвелла.

Мощность электрического генератора Р_ГЕН при замкнутой однофазной электрической цепи переменного тока (подключенной нагрузке) определяется по закону Ома:

где U_ГЕН- напряжение электрического генератора В;

I_ГЕН - сила тока электрического генератора А.

Уравнение генерируемого напряжения в незамкнутой электрической цепи в электрической катушкам с учетом суммы всех отдельных рабочих проводников катушки, а они по-разному расположены к постоянным магнитам и, следовательно, магнитная индукция B действующая на рабочую длину L каждого витка в слое многовитковой многослойной катушки различна, как и разный угол а имеет следующий вид:

где U_к- сумма зарядов на конце катушки (напряжение) В;

ν - скорость (частота) движения проводников в магнитном поле или магнитного поля над/под проводниками об/мин;

L_раб - длина проводника рабочей части одиночного проводника м;

ω - количество витков в многослойной многовитковой катушке;

n - количество постоянных магнитов на одну катушку;

B - индукция магнитного поля одного магнита мТ;

α - угол между вектором индукции магнитного поля В и нормалью к поверхности контура одиночного витка.

Напряжение, потребляемое катушкой в замкнутой электрической цепи - напряжение потерь катушки:

где U - разность потенциалов (напряжение) на концах катушки, В;

I - интенсивность электрического тока в замкнутой электрической цепи, А;

R - электрическое сопротивление прямого проводника или катушки, Ом;

ρ - электрическое удельное сопротивление проводника, Ом⋅м;

Lкат - общая длина проводника катушки, м;

S - площадь сечения проводника, м².

Тогда мощность, генерируемая в замкнутой электрической цепи с учетом потерь генерируемого напряжения в самих электрических катушках:

Вместе с тем, отсутствие электротехнической стали в сердечниках катушек генератора значительно снижает электромагнитные свойства катушек, а значит магнитное сопротивление между постоянными магнитами, расположенными на магнитопроводе ротора и незначительными магнитными силами на поверхностях катушек будет наибольшим.

Эффективность изобретения подтверждена испытанием опытных образцов электрических генераторов с разным количеством постоянных магнитов на роторе и, соответственно, с разными составными статорами, с отдельным, последовательным или параллельным соединением катушек.

Предлагаемые электрические генераторы могут найти применение во многих отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и жилищно-коммунальном хозяйстве.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим генераторам переменного тока. Технический результат – эффективное охлаждение генераторных обмоток и возможность регулировки величины воздушного зазора между проводниками катушек генератора и постоянными магнитами ротора. Электрический генератор содержит статор, состоящий из нескольких электрических катушек прямоугольной формы, каждая из которых намотана на держатель из электроизоляционного материала. Каждый держатель установлен на периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек электрического генератора, в подшипниках которых установлен вал ротора, с образованием радиальных воздушных каналов между соседними катушками и с возможностью регулировать величину воздушного зазора между проводниками катушек генератора и постоянными магнитами ротора путем установки прокладок. Ротор выполнен металлическим и содержит выступающие постоянные магниты из расчета два постоянных магнита на каждую электрическую катушку. Постоянные магниты расположены на роторе с чередованием через один с последовательным изменением полярности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электрический генератор, характеризующийся тем, что содержит статор, состоящий из нескольких электрических катушек прямоугольной формы, каждая из которых намотана на держатель из электроизоляционного материала,

каждый держатель установлен на периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек электрического генератора, в подшипниках которых установлен вал ротора, один из концов которого выполнен с возможностью соединения с механическим приводом,

при этом ротор выполнен металлическим и содержит выступающие постоянные магниты из расчета два постоянных магнита на каждую электрическую катушку, постоянные магниты расположены таким образом, что чередуются на роторе через один с последовательным изменением полярности,

кроме того, держатели из электроизоляционного материала, на которые намотаны электрические катушки, установлены на периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек электрического генератора, с образованием радиальных воздушных каналов между соседними катушками и с возможностью регулировать величину воздушного зазора между проводниками катушек генератора и постоянными магнитами ротора путем установки прокладок в местах сопряжения держателей из электроизоляционного материала, на которые намотаны электрические катушки, и подшипниковых щитов - боковых крышек.

2. Электрический генератор по п. 1, характеризующийся тем, что на периферических частях двух подшипниковых щитов - боковых крышек электрического генератора выполнены пазы, сопрягаемые с шипами, выполненными на держателях из электроизоляционного материала, на которые намотаны электрические катушки.

3. Электрический генератор по п. 1, характеризующийся тем, что электрические катушки выполнены без соединения в группы, или соединены в группы параллельно, или соединены в группы последовательно.