Беспазовый синхронный генератор с интегрированным магнитным подвесом

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в магнитоэлектрических генераторах автономных систем электроснабжения.

Известна синхронная электрическая машина с постоянными магнитами [патент РФ №123600 U1, МПК Н02K 21/12, 27.12.2012], содержащая кольцевой беспазовый статор в виде шихтованного цилиндрического магнитопровода с распределенной по окружности многофазной обмоткой и цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал и распределенные по окружности ферромагнитные полюсы в виде намагниченных в тангенциальном направлении постоянных призматических магнитов и вставки из магнитомягкого материала, а также устройство закрепления указанных магнитов и вставок (устройство обеспечения механической прочности ротора), при этом устройство закрепления магнитов (устройство обеспечения механической прочности ротора) выполнено в виде сплошной оболочки из карбоновых или кевларовых нитей толщиной 0,2-0,3 мм, размещенной с наружной стороны магнитов и вставок.

Недостатком данной конструкции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что данная синхронная машина с постоянными магнитами не позволяет определять положение ротора, а также наличие дополнительного немагнитного зазора, снижающего у статора энергетические показатели КПД и cos ϕ.

Известна опора (патент РФ №2178243 С2, Н05Н 1/00, 10.01.2002), содержащая установленный в корпусе цилиндрический аксиально намагниченный магнит, размещенную на роторе соосно ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, и кольцевую камеру с демпфирующей жидкостью. Камера снабжена внутри радиально подвижным кольцевым элементом, подвешенным на гибких нитях и состоящим из внутреннего ферромагнитного кольца и связанного с ним наружного немагнитного кольца.

Недостатком данной конструкции являются сложность ее технической реализации, повышенные массогабаритные показатели системы и невысокая надежность, вызванная использованием электромагнитов.

Известна электрическая машина с магнитным подвесом ротора [патент США №43909082, кл. Н02К 5/00, F16C 32/04, 15.05.1982 г.], содержащая статор, ротор, осевое стабилизирующее устройство и радиальное стабилизирующее устройство, состоящее из расположенного на роторе диска с двусторонними кольцевыми выступами, размещенных с двух сторон от этого диска и закрепленных на статоре магнитопроводов с тангенциальными выступами и магнита, соединенного с указанными магнитопроводами, для увеличения радиальной жесткости магнитного подвеса выступы каждого магнитопровода выполнены в виде двух противолежащих секторов, причем выступы одного магнитопровода смещены на 90° относительно выступов другого.

Основными недостатками данной машины являются сложность и невысокая надежность радиального стабилизирующего устройства, а также малая точность, большие массогабаритные показатели.

Известна синхронная электрическая машина с магнитным подвесом ротора [патент РФ №44773 U1, МПК F16C 39/06, Н02К 5/00, 27.03.2005], содержащая статор и ротор, выполненный из немагнитного материала, с обмоткой возбуждения из сверхпроводящего материала, магнитные подшипники, установленные на торцах статора, которые имеют обмотку, выполненную по схеме нулевого потока и разделенную на две одинаковые электрически несвязанные части, симметрично расположенные относительно середины статора.

Недостатками данной конструкции являются сложность ее технической реализации, малая надежность и большие массогабаритные показатели, а также сложность регулирования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является высокоскоростная электрическая машина с вертикальным валом [патент РФ №2540696 C1, МПК Н02K 7/09, F16C 32/04, F16C 39/06], содержащая статор, ротор, насаженный на вертикальный вал, также в машине установлены два радиальных и один осевой гибридные магнитные подшипники, выполненные из электромагнитов, в магнитопроводе которых установлены вставки из постоянных магнитов. При этом каждая вставка из постоянных магнитов намагничена в направлении силовой линии магнитного потока, создаваемого обмоткой электромагнита. В качестве дополнительных осевых опор установлены магнитные подшипники на постоянных магнитах, причем на стороне ротора, где осевые силы имеют максимальное значение, магнитные подшипники на постоянных магнитах установлены с возможностью отталкивания, а на противоположной стороне ротора магнитные подшипники на постоянных магнитах установлены с возможностью притяжения.

Недостатками данного устройства являются повышенные массогабаритные показатели электрической машины, вызванные способом установки дополнительных подшипников, и ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием управления положением ротора электрической машины.

Задача изобретения - уменьшение массогабаритных показателей машины, расширение функциональных возможностей благодаря повышению надежности и быстродействию пространственного регулирования положения ротора.

Техническим результатом является повышение надежности и энергоэффективности системы измерения и управления, а также снижение массогабаритных показателей за счет объединения беспазового генератора с применением магнитных подвесов на силах Лоренца.

Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что электрическая машина, содержащая ротор с постоянными магнитами, магнитный подшипник, магнитопровод с силовой обмоткой, согласно изобретению осуществлена в виде синхронного генератора с интегрированным магнитным подвесом, расположенными на валу постоянными магнитами, причем магнитопровод реализован беспазовым, с расположенным на нем зубцовой силовой обмоткой и зубцовой управляющей обмоткой, в промежутках между зубцовой силовой обмоткой уложена зубцовая управляющая обмотка интегрированного магнитного подвеса, причем управляющая обмотка выполнена для числа полюсов 2р=n±1, а зубцовая силовая обмотка выполнена для числа полюсов 2р=n, при этом на валу расположены подвижные постоянные магниты, выполненные в виде секторов, формирующих окружность, а неподвижные постоянные магниты расположены на корпусе, в зазоре между подвижными постоянными магнитами и неподвижными постоянными магнитами установлен датчик Холла.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фигуре 1 изображено устройство для управления магнитным подвесом. На фигуре 2 изображен разрез беспазового синхронного генератора с интегрированным магнитным подвесом.

Беспазовый синхронный генератор с интегрированным магнитным подвесом содержит (фиг. 1) систему управления 1, соединяющую с датчиком Холла 2, который расположен между подвижными постоянными магнитами 3 и неподвижными постоянными магнитами 4. Беспазовый магнитопровод 5 (фиг. 2) с расположенными зубцовой силовой обмоткой 6, в промежутках между которыми уложена зубцовая управляющая обмотка 7. На валу 8 расположены постоянные магниты 9. Беспазовый синхронный генератор с интегрированным магнитным подвесом находится в корпусе 10.

Беспазовый синхронный генератор с интегрированным магнитным подвесом работает следующим образом: при перекосе ротора возникает неравномерность магнитной индукции в воздушном зазоре и сил между подвижными постоянными магнитами 3, выполненными в виде секторов, формирующих окружность, и неподвижными постоянными магнитами 4. Величина перекосе ротора определяется датчиками Холла 2 и передается в систему управления 1, которая подает управляющий сигнал на управляющую зубцовую обмотку 7, воздействие которой либо снижает, либо повышает остаточную индукцию, благодаря чему вал 8 с постоянными магнитами 9 возвращается в концентричное положение.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности благодаря объединению беспазового генератора с магнитным подвесом с возможностью управления положением ротора, минимизировать массогабаритные показатели и повысить надежность и энергоэффективность беспазовых генераторов с магнитным подвесом на постоянных магнитах.

В результате повышается энергоэффективность и надежность управляемого беспазового генератора с магнитным подвесом на постоянных магнитах и минимизируются массогабаритные показатели.