Магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции Советский патент 1982 года по МПК H02K21/14 

(54) МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ОБРАЩЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ

1

Изобретение относится к электромашинам, возбуждаемым постоянными магнитами, и может быть использовано в синхронных генераторах для стабилизации напряжения при переменной частоте вращения ротора, в вентильных генераторах постоянного тока и-ли в генераторах системы генерирования ПСПЧ (переменная скорость - постоянная частота) с приводом от турбины, частота вращения которой непостоянна, например авиационной турбины.

Известен магнитоэлектрический синхронный генератор, в котором стабилизация напряжения осуществляется путем подмагничивания магнитной цепи. В нем имеется обмотка,подмагничивания, которая воздействует на магнитную цепь генератора по команде от чувствительного элемента, регистрирующего отклонение напряжения от заданного 1.

Однако дополнительная обмотка и аппаратура управления увеличивают вес и габариты, а также усложняют конструкцию.

Известна конструкция ротора синхронной мащины,, в-которой используется перемещение постоянных магнитов с целью улучщения пусковых характеристик в двигательном

режиме. На роторе такой мащины рядом с пусковой обмоткой расположена на винтовой передаче звездочка из постоянных Магнитов, которая при ускорениях ротора перемещается в осевом направлении вследствие действия инерционных сил и может занимать различное положение относительно расточки статора в зависимости от знака ускорения 2.

Недостатком известной конструкции является плохое использование активных материалов, так как в синхронном режиме

10 часть активной длины мащины, на которую приходится пусковая обмотка ротора, не участвует в создании электромагнитного момента. При пуске двигателя имеет место аналогичный недостаток, так как пусковая обмотка занимает лищь часть активной дли15ны мащины.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является магнитоэлектрический синхронный генератор обращенной конструкции, содержащий на роторе призма20тические постоянные магниты, равномерно расположенные по окружности так, что одноименные полюса их смежны, ферромагнитные полюса, расположенные в промежутках

между призматическими постоянными магнитами, средства перемеш,ения части магнитопровода ротора под действием центробежных сил и демпфирующее устройство.

В силу принципа обратимости электрических машин такая синхронная -машина может быть использована в генераторном режиме 3.

Недостатком является то, что магниты перемещаются лишь, в радиальном направлении и немагнитный зазор между ротором и статором не меняется, а для стабилизации напряжения при изменении частоты вращения потребуется существенное перемещение магнитов. Так, например, при двухкратном изменении частоты вращения по сравнению с номинальной, потребуется перемещение магнитов на половину активной длины машины (по торцу). Вся центробежная сила, действующая на магнит, должна быть уравновешена силой упругости пружины. При характерных для электрических машин летательных аппаратов повышенных частотах вращения роторов центробежная сила в сотни и тысячи раз будет превышать .силу веса и упругие элементы ротора должны противостоять огромным механическим нагрузкам, что исключает возможность практической реализации генератора с ротором подобной конструкции.

Кроме того, в роторе не обеспечивается согласное перемещение всех магнитов. В силу ряда причин (различного трения и веса отдельных магнитов, различной упругости пружин и т. д.) различные .магниты переместятся на различные расстояния, что приведет к дисбалансу ротора и его разрушению. Машинам с торцевыми статорами и роторами свойственны значительные осевые силы магнитного тяжения, что существенно осложняет работу подшипниковых узлов.

Цель изобретения - повышение надежности стабилизации .напряжения генератора при переменной частоте вращения .ротора.

Указанная цель достигается тем, что устройства для перемещения части ротора выполнены в виде диска, жестко соединенной с ним немагнитной обечайки, внутренняя поверхность которой выполнена наклонной, сопряжена с перемещающимися частотами ротора и жестко соединена с неподвижными частями ротора, и немагнитного кольца, укрепленного на торцевых поверхностях всех перемещающихся частей ротора, а демпфирующее устройство выполнено в виде подпружиненного кольца, размещенного между диском и немагнитным кольцом.

Причем постоянные магниты могут быть жестко закреплены в С-образной немагнитной скобе, имеющей внешнюю поверхность с углом наклона, равным углу наклона обечайки, и установленной в последней, а ферромагнитные полюсы жестко соединены с обечайкой.

Кроме того, постоянные магниты жестко соединены с обечайкой.

На фиг. 1 изображен ротор с односторонним смещением его части, продольное сечение; на фиг. 2 - то же, двусторонним смещением его части; на фиг. 3 - ротор с перемещаемыми магнитами, поперечный разрез; на фиг. 4 - разложение центробежной силы; на фиг. 5 - графический метод расчета силы упругости демпфирующего устройства ротора.

В магнитоэлектрическом синхронном генераторе обращенной конструкции ротор расположен в обтекателе головной части авиадвигателя (фиг. 1). Относительно короткий наружный ротор генератора укреплен KOHCoj bHo на валу авиадвигателя, а статор с якорной обмоткой находится внутри ротора и прикреплен к обтекателю. В таком генераторе отсутствуют подшипниковые щиты, корпус, не-требуется редуктор, специальный расцепитель ротора и т. д.

Ротор состоит из призматических посстоянных магнитов 1, обладающих больщой коэрцитивной силой, например редкоземельных магнитов типа SmCOg. Магниты охвачены с наружной поверхности и торцов С-образными немагнитными скобами 2. Скобы 2 вместе с магнитами 1 вставлены в пазы конической немагнитной обечайки 3. Наружные поверхности скоб 2 и дно пазов обечайки 3 имеют одинаковый уклон по отношению к продольной оси ротора. Между соседними магнитами расположены ферромагнитные полюсы 4, жестко прикрепленные к обечайке 3. Толщина магнитов 1 и скоб 2 и щирина пазов в обечайке 3 и- между полюсами 4 выбирается таким образом, чтобы магниты имели возможность скользить вдоль пазов. Все скобы связаны между собой немагнитным кольцом 5 таким образом, что могут перемещаться в радиально-осевом направлении только совместно.

Упругий, предварительно сжатый элемент 6, например кольцевой сильфон, дисковая пружина и др., размещается между кольцом 5 и дисковой частью ротора 7. Между- полюсами 4- на внутренней поверхности ротора устанавливаются клинья 8.

Упругий элемент б может быть установлен справа (фиг. 1) и тогда он работает на сжатие, а также слева (упругийэлемент будет растягиваться).

На фиг. 2 показан ротор, в котором могут перемещаться в разные стороны лишь крайние магниты, а центральный остается на месте. Конструкция ротора может быть выполнена с неподвижными магнитами и подвижными ферромагнитными полюсами. Выбор подвижных частей ротора (магниттрв 1 или полюсов 4) и способ установки упругого элемента 6 определяются конкретными условиями работы генератора.

Стабилизация напряжения генератора при изменении частоты вращения ротора п осуществляется следующим образом.

При отклонении п от номинальной подвижные части ротора перемещаются в радиально-осевом направлении под действием осевой силы F(. (фиг. 4). Если происходит увеличение частоты вращения ротора п, сила FC увеличивается, упругий элемент 6 поджимается и подвижная часть ротора перемещается- вправо на расстояние Д Z, вследствие чего поток возбуждения Ф уменьщается. При уменьщении частоты вращения ротора п сила 1. уменьщается и упругий элемент 6 перемещением влево подвижной части ротора обеспечивает увеличение потока возбуждения Ф. Подбором угла наклона dC поверхностей соприкосновения подвижных частей ротора и обечайки 3 и жесткости упругого элемента 6 можно добиться необходимой связи между приращением частоты вращения ротора п и приращением потока возбуждения Ф, при которой напряжение генератора будет постоянным во всем расчетном диапазоне изменения п (даже с учетом влияния f п на индуктивное сопротивление якоря). Изменение потока возбуждения Ф по мере перемещения магнитов в радиально-осевом направлении происходит как за счет изменения длины магнитов в пределах расточки статора, так и за счет изменения межполюсного рассеяния в промежутках, освобожденных (занятых) магнитами. Изменение потока возбуждения Ф в случае подвижных полюсов происходит за счет изменения немагнитного зазора и активной длины. Один из возможных способов выбора угла наклона of. опорных поверхностей подвижных магнитов и жесткости упругого элемента иллюстрирован графически на фиг. 5.

В квадранте II представлена зависимость силы 1, сжимающей упругий элемент 6, от угловой частотывращения ротора of

FO ma)2Rsinodcoso(. 0,5mK.cJ faf sm2oL гдеШн - номинальная частота вращения;

m - масса магнитов со скобами;

ul

-относительная частота вращения; R const-радиус центра вращающейся массы

магнитов.

В квадранте IV представлена зависимость потока полюса ф осевого смещения магнита полюса, которую можно получить расчетным или экспериментальным путем. В первом квадранте построены зависимости силы магнитного тяжения магнитов F. f(AZ), силы упругости сильфона Fy f(AZ) от величины перемещения частей ротора и суммарной осевой силы F F + FM, уравновещивающей осевую силу ff.. Сила F,, обусловлена магнитным потоком, который возникает между торцами полюсов 4 и выщедшими за их пределы частями постоянных магнитов. Она препятствует выходу магнитов из межполюсных пазов и увеличивается с ростом величины перемещения частей ротора Д Z до некоторого предела. Зависимость 1 f(AZ) можно определить расчетным

или экспериментальным путем. На основании зависимостей F. f(a3) и Ф f(AZ) графическим путем с учетом 1 определяется зависимость суммарной уравновещивающей силы F f(AZ), после чего графическим путем определяется функция Fy f (Л Z) F F - I. Начальное поджатиё упругого элемента определяется-с помощью,функции FC fCw) для минимальной скорости cJt , при которой еще возможно обеспечить оЗ, X X С}, - 1 при А Z 0. Аналогичным путем можно провести расчет и для подвижных полюсов.

Предлагаемый ротор не обеспечивает стабилизации напряжения при изменении нагрузки генератора. Однако в магнитоэлектрическом генераторе синхронное сопротивление Xj существенно меньще по сравнению с генераторами с электромагнитным возбуждением и падение напряжения в нем меньще.

Формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3.Авторское свидетельство СССР № 527803, кл. Н 02 К 21/46, 1974.