Результат интеллектуальной деятельности: Устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов

Назначение

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации бесколлекторных синхронных генераторов с постоянными магнитами, в частности для электроснабжения вагонов подвижного состава, а также автономного электроснабжения различных объектов.

Уровень техники

Известно (см. патент РФ, №2 334 348), что источником электроснабжения мощностью более 30 кВА вагона подвижного состава на железнодорожном транспорте при его движении является подвагонный генератор трехфазного напряжения переменного тока 380 В с приводом вращения его ротора от оси колесной пары вагона.

Так, используемый сегодня для этих целей подвагонный генератор 2ГВ.13 У1 исполнения индукторного, двухпакетного, трехфазного, реверсивного (см. сайт: https://studfiles.net/preview/4021502/page:6/) обеспечивает мощность - 34 кВА и имеет массу 700 кг.

В данном генераторе формируют кинетическую энергию вращения от оси колесной пары подвижного вагона, передают данное вращение ротору генератора, установленного на подшипниках в стальном корпусе генератора, содержащего уложенный пакет листков статора, в пазы которого укладывают трехфазные многополюсные обмотки, устанавливают обмотку возбуждения между статорами, выводные провода статорных обмоток и обмотки возбуждения выводят в клеммную коробку, формируемые трехфазные напряжения генератора преобразуют в требуемый зарядный ток и подают его в аккумуляторную батарею для ее заряда, при этом формируемые трехфазные напряжения генератора и постоянное напряжение аккумулятора преобразуют в заданные постоянные и переменные напряжения и подают их потребителям электроэнергии.

Недостатком данного генератора является невысокие показатели по удельной мощности (отношение вырабатываемой генератором электрической мощности к его массе приблизительно 49 Вт/кг) и эффективности работы, обусловленной тем, что требуется высокая начальная скорость движения вагона, при которой генератор вырабатывает напряжение достаточное для начала заряда аккумуляторной батареи (начальная скорость движения вагона V_нач = 30-35 км/ч), а также невысокий коэффициент полезного действия. Подвижной вагон имеет ограниченное подвагонное объемное пространство, поэтому удельная мощность является важнейшим показателем.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами (патент РФ, №2 303 849), взятый авторами за прототип.

Прототип состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает:

• ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов;

• статор, несущий четное число подковообразных (П-образных) электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки.

Постоянные магниты закреплены на магнитопроводе таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. В зависимости от особенностей эксплуатации электрогенератора ротор может располагаться как с внешней стороны статора, так и внутри статора.

Электрогенератор может включать несколько идентичных секций. Количество таких секций зависит от мощности источника механической энергии (привода) и требуемых параметров электрогенератора. Предпочтительно, чтобы секции были сдвинуты по фазе относительно друг друга. Это может достигаться, например, начальным сдвигом ротора в соседних секциях на угол α, лежащий в диапазоне от 0° до 360°/n; или угловым сдвигом электромагнитов статора в соседних секциях относительно друг друга. Для формирования требуемых напряжений для электроснабжения потребителя к выходным клеммам электрогенератора подключается блок регулятора напряжений. Принцип действия электрогенератора аналогичен принципу действия традиционного синхронного генератора. Вал ротора механически связан с приводом (источником механической энергии). Под действием вращающего момента привода ротор генератора вращается с некоторой частотой. При этом в обмотке катушек электромагнитов в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС. Поскольку катушки отдельного электромагнита имеют разное направление обмотки и находятся в любой момент времени в зоне действия различных магнитных полюсов, то наводимая ЭДС в каждой из обмоток складывается.

В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита вращается с некоторой частотой, поэтому каждая из обмоток электромагнитов попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитного полюса. При этом смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотках электромагнитов.

В отличие от приведенного выше подвагонного генератора 2ГВ.13 У1 в прототипе отсутствует обмотка возбуждения между статорами, что позволяет обеспечить более высокие показатели по удельной мощности и коэффициенту полезного действия, а также более высокую эффективность работы.

Однако в генераторе используется ротор с круговым магнитопроводом (магнитным железом) и с радиальным намагничиванием (см. Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины. М.: «Высшая школа», 1985. Стр. 62-63), что приводит к следующим недостаткам:

• для генератора большой мощности (требуемая мощность подвагонного генератора более 30 кВА) магнитное железо имеет большую массу, что отрицательно сказывается на удельной мощности генератора;

• требуются полюсные наконечники, в виде дополнительных (успокоительных) обмоток, что приводит к дополнительному увеличению массы генератора и к усложнению его конструкции;

• обмотки статора локально сосредоточены на полюсах, что не позволяет эффективно использовать магнитный поток постоянных магнитов.

Целью предлагаемого изобретения является повышение удельной мощности и эффективности работы синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов.

Раскрытие изобретения

Устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов включает в себя корпус генератора; ротор с закрепленными на нем постоянными магнитами четного количества, установленный на подшипниках в корпусе генератора и механически связанный с приводом от оси колесной пары подвижного вагона; статор, обмотки которого выводными проводами соединены с клеммной коробкой, соединенной с блоком регулятора напряжений, при этом между ротором и статором имеется воздушный зазор.

Ротор является ротором тангенциального намагничивания с отверстиями для охлаждения и выполнен в виде набранных дисков из немагнитного материала, при этом в окнах ротора установлены постоянные магниты с встречным намагничиванием относительно каждой радом находящейся пары, между этими парами в других окнах размещены полюса из ферромагнитного железа с отверстиями для их крепления, а статорные обмотки распределены по пазам на поверхности статора с отверстиями для его охлаждения.

Сущность изобретения заключается в том, что в генераторе используется ротор с тангенциальным намагничиванием (см. Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины. М.: «Высшая школа», 1985. Стр. 63), что позволяет:

• использовать для его изготовления легкие немагнитные материалы, например титан, алюминий и т.д., и тем самым существенно уменьшить массу генератора;

• существенно увеличить рабочие индукции в воздушном зазоре (почти в два раза) от индукций постоянных магнитов.

Кроме того, распределение статорных обмоток в пазах по поверхности статора позволяет более эффективно использовать магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами ротора.

Графические иллюстрации:

• Фиг. 1 - устройство генератора с возбуждением от постоянных магнитов (вид спереди со стороны привода);

• Фиг. 2 - устройство генератора с возбуждением от постоянных магнитов (вид сбоку);

• Фиг. 3 - устройство диска ротора.

Осуществление изобретения

Устройство генератора с возбуждением от постоянных магнитов содержит составляющие, обозначенные позициями на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3:

1 - постоянные магниты;

2 - корпус генератора;

3 - обмотки (статорные);

4 - статор;

5 - ротор;

6 - воздушный зазор;

7 - полюса (ферромагнитное железо);

8 - отверстия крепления полюсов;

9 - вал;

10 - шпонка крепления ротора к валу;

11 - крышка подшипникового узла;

12 - щит подшипниковый;

13 - болты крепления крышки подшипникового узла к щиту подшипниковому;

14 - болты крепления щитов подшипниковых к корпусу генератора;

15 - крепежный болт соединения ротора с приводом;

16 - отверстия для охлаждения статора;

17 - отверстия для охлаждения ротора;

18 - подшипники;

19 - клеммная коробка;

20 - привод (от оси колесной пары подвижного вагона);

21 - блок регулятора напряжений;

22 - диск ротора;

23 - окно (для постоянных магнитов);

24 - окно (для полюсов);

25 - паз для шпонки.

Устройство синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов включает в себя корпус генератора 2, ротор 5 с закрепленными на нем четного количества постоянными магнитами 1, установленный на подшипниках 18 в корпусе генератора 2 и механически связанный с приводом 20 от оси колесной пары подвижного вагона, статор 4, обмотки 3 которого выводными проводами соединены с клеммной коробкой 19, соединенной с блоком регулятора напряжений 21, при этом между ротором 5 и статором 4 имеется воздушный зазор 6.

Ротор 5 является ротором тангенциального намагничивания с отверстиями для охлаждения 17, выполнен из набранных дисков 22 из немагнитного материала. В окнах 23 (для постоянных магнитов) ротора 5 установлены постоянные магниты 1 с встречным намагничиванием относительно каждой рядом находящейся пары. Между этими парами в окнах 24 (для полюсов) размещены полюса 7 из ферромагнитного железа с отверстиями 8 для их крепления. Статорные обмотки 3 распределены по пазам на поверхности статора 4 с отверстиями 16 для его охлаждения. Крепежный болт 15 соединяет ротор 5 с приводом 20 от оси колесной пары подвижного вагона. Ротор 5 закреплен на валу 9 с помощью шпонки 10, устанавливаемой в паз 25. Подшипники 18 установлены на щите 12, которые закрыты крышкой 11, прикрепляемой к щиту 12 болтами 13. Щит 12 прикреплен к корпусу генератора 2 с помощью болтов 14. Между ротором 5 и статором 4 присутствует рабочий воздушный зазор 6.

Описание работы устройства генератора с возбуждением от постоянных магнитов

В исходном состоянии, когда вагон стоит без движения, отсутствует кинетическая энергия вращения от оси колесной пары вагона, обеспечивающая через привод 20 вращение ротора 5. На выводных проводах статорных обмоток 3, соединенных с клеммной коробкой 19 (на выходе генератора), сигнал отсутствует. При начале движения вагона, за счет вращения оси его колесной пары, через привод 20 приходит во вращение ротор 5, полюса которого индуцируют электродвижущую силу в трехфазных многополюсных обмотках статора 4, имеющего отверстия для охлаждения 16, и соединенных звездой (см. сайт: https://forum220.ru/winding-connection-generators.php). На выходе генератора (в клеммной коробке 19) при достижении определенной начальной скорости вращения ротора 5, появляется трехфазное напряжение.

В качестве привода оси колесной пары подвижного вагона 20 можно использовать, например, привод с редуктором ВБА-32/2 (см. рис. 8.8 на сайте: http://scbist.com/wiki/13666-privody-podvagonnyh-generatorov.html), который передает вращательный момент оси колесной пары на вал 9 ротора 5, устанавливаемого на подшипниках 19.

Формируемое на выходе генератора переменное трехфазное напряжение поступает в блок регулятора напряжения 21 (см. патент, РФ, №2 334 348), который формирует заданные постоянные и переменные напряжения для потребителей электроэнергии в вагоне.

Следует отметить, что в предлагаемом устройстве генератора с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют обмотки возбуждения, стабилизирующие выходные напряжения в определенных пределах путем плавного изменения тока в обмотках возбуждения, поэтому на выходе генератора величина напряжений изменяется с изменением частоты вращения ротора 5, поскольку магнитный поток Ф создается магнитами и практически не меняется. Поэтому на входе блока регуляторов напряжения 21 изменяемые напряжения, поступающие с выхода генератора, стабилизируют в заданных пределах с помощью, например, параллельных резонансных контуров, содержащих емкость и дроссель насыщения, или устройств с полупроводниковыми преобразователями и т.д. (см. сайт: https://studbooks.net/83035/tehnika/sinhronnye_generatory_postoyannymi_magnitami).

В предлагаемом устройстве начальная скорость движения вагона, обеспечивающая работу блока регулятора напряжений 21 (прежде всего, начало заряда аккумуляторной батареи в данном блоке регулятора напряжений 21), существенно ниже (≈ 10 км/ч), чем у используемых сегодня генераторов с обмоткой возбуждения, у которых начальная скорости движения вагона Vнач = 30-35 км/ч. Данное достоинство получается благодаря тому, что в рабочем зазоре 6 между полюсами ротора 5 и статором 4 в предлагаемом изобретении всегда присутствует магнитный поток Ф, который обеспечивается за счет использования на роторе 5 высокоэнергетических постоянных магнитов 1. В качестве высокоэнергетических постоянных магнитов 1 используют, например, выпускаемые сегодня магниты на основе редкоземельных материалов типа NdFeB (см. ТУ 6391-004-59990452-2009. Спеченные NdFeB (неодим-железо-бор) магниты), которые обладают высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией по намагниченности, и слабо чувствительны к величине немагнитного зазора в магнитной цепи.

Ротор 5 с отверстиями для его охлаждения 17 выполняется в виде набранных дисков 22 из немагнитного материала определенной толщины, например 1 мм. По периметру дисков ротора 22 в прямоугольных окнах 23 устанавливают четное количество тангенциально намагниченных постоянных магнитов 5, образующих Р пар рядом находящихся постоянных магнитов 1, встречно намагниченных в каждой паре. Между каждой парой постоянных магнитов 1 в окнах 24 устанавливают полюса 7 из ферромагнитного железа с отверстиями для их крепления 8, и поэтому между парами, рядом находящихся постоянных магнитов 1, требуется Р полюсов 7.

Использование в предлагаемом устройстве ротора тангенциального намагничивания позволяет получить в воздушном зазоре 6 рабочие индукции, превышающие индукцию постоянных магнитов 1 почти в два раза. Это объясняется тем, что благодаря непрерывности линий магнитного поля, потоки через боковые торцы двух смежных постоянных магнитов 1 в воздушном зазоре 6 направлены в одну сторону и складываются (см. Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины. Москва «Высшая школа» 1985. Стр. 63).

Известно (см. Сергеев П.С. и др. Проектирование электрических машин. 1969 г. стр. 10-12), что главными размерами генератора называют внутренний диаметр D статора 4 и его расчетную длину l_δ, которые зависят от мощности Р' генератора, его частоты вращения n об/мин и его электромагнитных нагрузок. Расчетную мощность генератора определяют:

где

I - ток фазы в обмотках статора 4, увеличение которого сопровождается увеличением диаметра провода в обмотках статора 4 (увеличением размеров статора 4);

Е - электродвижущая сила статора 4, которая прямо пропорциональна числу витков ω в обмотках статора 4, увеличение которых приводит к увеличению размеров статора, и магнитному потоку Ф, определяемому по действительной кривой поля.

Формирование оптимального магнитного потока Ф обеспечивается выбором количества полюсов 7 ротора 5, формируемых постоянными магнитами 1 соответствующего типа, а также поддержанием требуемого воздушного зазора 6 между статором 4 и ротором 5.

Коэффициентом использования К_A генератора:

определяется удельная мощность генератора.

Теоретически обоснованные характеристики генератора в предлагаемом изобретении, существенно превосходящие характеристики генератора (аналога), используемого сегодня на железнодорожном транспорте (сравнение характеристик с прототипом нецелесообразно, поскольку в прототипе представлено его использование с мощностями на порядок ниже требуемых), были подтверждены практической реализацией генератора в виде макетного образца, изготовленного в АО «НИИЭМ» (является Заявителем изобретения), которые приведены в таблице 1:

Таким образом, использование предлагаемого устройства генератора с возбуждением от постоянных магнитов позволяет получить:

• высокую удельную мощность генератора;

• высокий КПД генератора;

• высокую эффективности работы генератора за счет увеличения рабочих индукций в воздушном зазоре и обеспечения низкой начальной скорости;

• высокую надежность и срок активного существования генератора более 30 лет.