Результат интеллектуальной деятельности: БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Изобретение относится к области электротехники, а именно к бесколлекторным электрическим машинам, в частности электрогенераторам постоянного тока, и может быть использована в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания.

Известна синхронная магнитоэлектрическая машина [патент US 5117142 от 26.05.1992], в которой магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, размещенными на секции ротора, пересекает витки обмоток, расположенных на П-образных магнитопроводах, в совокупности образующих электромагниты, установленные на неподвижном статоре. Количество электромагнитов соответствует количеству стержней ротора, снабженных постоянными магнитами. Секция ротора выполнена таким образом, что постоянные магниты в соседних стержнях ротора обращены к электромагнитам противоположными полюсами, тем самым обеспечивая чередующуюся полярность на роторе. Такая конструкций ротора позволяет увеличить мощность машины, кроме этого, указанная машина может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Однако, для получения напряжения на выходе генератора определенной формы и для эффективного преобразования механической энергии в электрическую требуется использовать различную геометрию ротора и статора, а также подбирать оптимальное количество постоянных магнитных полюсов и число витков обмотки статора, что делает задачу изготовления синхронной магнитоэлектрической машины сложной и требующей индивидуального подхода к решению применительно к различным условиям эксплуатации и режимам работы.

Известен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами [патент №2303849 от 27.07.2007], который 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 электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, устройство для выпрямления электрического тока. 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. Количество электромагнитов в генераторе обычно не превышает число (n-2).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами» [патент №2303849 от 27.07.2007], который состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки, устройство для выпрямления электрического тока, постоянные магниты 1 закреплены 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 равно n.

Основными недостатками известных бесколлекторных синхронных генераторов с постоянными магнитами является применение кругового магнитопровода секции ротора, что повышает массу ротора и требует повышенной мощности, подведенной к валу синхронного бесколлекторного генератора, применяемые в конструкции постоянные магниты прямоугольной формы снижают технологичность исполнения, однако, при использовании в конструкции бесколлекторного генератора постоянных магнитов, имеющих коэрцитивную силу больше 700 кАм, актуальным является поиск технологичной конструкции магнитной системы, обеспечивающей при значительных тяговых усилиях фиксацию электромагнитов на неподвижном статоре с возможностью регулирования положения электромагнитов с целью изменения межполюсного зазора между подковообразными магнитопроводами статора и закрепленными на роторе постоянными магнитами. Экспериментально было подтверждено, что возможно использовать постоянные магниты любой формы полюса, так как определяющим фактором является только площадь полюса, расположенного под электромагнитом, например, можно использовать круглую форму полюса постоянного магнита, что повышает технологичность не только исполнения постоянного магнита, но и сборки бесколлекторного синхронного генератора.

Задачей изобретения является оптимизация конструкции магнитной системы исходя из критерия минимума массы активных материалов при обеспечении максимального напряжения на выводах обмотки, а также повышение технологичности конструкции магнитной системы генератора в целом.

На фиг. 1 приведен внешний вид бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами.

На фиг. 2 приведена одна секция подвижной части бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами.

На фиг. 3 представлен фрагмент конструкции бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами с указанием распределения поля магнитной индукции.

Предложен бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами, постоянные магниты которого закреплены на роторе таким образом, что образуют два ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты ориентированы 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=6+2k, где k - целое число, принимающее значение 0, 1, 2, 3 и т.д. Количество электромагнитов в генераторе, как правило, не меньше n+2, причем с целью уменьшения момента строгания ротора относительно неподвижного статора число полюсов электромагнитов статора не должно быть кратно числу полюсов n ротора (например, при n=6 число электромагнитов не должно быть равно 12, 18, 24 и т.д.).

Бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов 1, статор 2, несущий четное число подковообразных электромагнитов 3, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки 4, устройство для выпрямления электрического тока (на фиг. 1, 2 не показано), постоянные магниты 1 закреплены 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 равно n, согласно предложенному техническому решению статор 2 выполнен из магнитопроводящего или из немагнитопроводящего материала, в котором выполнены прорези 5 для установки в них подковообразных электромагнитов 3 (например, П-образных), электромагниты выполнены шихтованными и закреплены на статоре при помощи скоб 6 и накладок 7, охватывающих каждый электромагнит, скоба крепится к накладке, причем в том случае, если скоба и накладка выполнены металлическими с целью исключения короткозамкнутого витка, между скобой и накладкой размещена не металлическая 8, накладки в свою очередь крепятся на статор 2, количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=6+2k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д., количество электромагнитов в генераторе как правило не меньше (n+2), форма полюса постоянного магнита 1 может быть круглой или прямоугольной, определяющим фактором является площадь полюса под подковообразным магнитопроводом, например, в предлагаемой конструкции форма полюса постоянного магнита выбрана круглой, постоянные магниты размещены в стаканах 9, снабженных крышками 10, которые закреплены с двух сторон стакана 9 таким образом, что они закрывают постоянный магнит 1 внутри стакана 9, стаканы установлены в пазы 11 на основании 12 из магнитопроводящего или немагнитопроводящего материала, в том случае если основание 12 выполнено из немагнитопроводящего материала, то в пазах 11 между стаканом 9 и основанием 12 размещена металлическая пластина 16, ориентированная под полюсами подковообразного электромагнита 3, стаканы 9 и основание 12 зафиксированы дисками 13, образующими вместе с установленными на основании 12 стаканами 9, постоянными магнитами 1, пластинами 16 и крышками 10 одну секцию 14, располагаемую на валу 15 бесколлекторного генератора.

Результаты моделирования подтверждают возможность размещения электромагнитов 3 внутри прорезей 5 магнитопроводящего статора 2 при отсутствии магнитного потока внутри статора, что позволяет делать магнитопроводящий статор цельным (т.е. не шихтованным), не оказывающим влияние на рабочий магнитный поток внутри шихтованных электромагнитов 3.

Рассмотрим работу предлагаемого бесколлекторного синхронного генератора с постоянными магнитами.

От внешнего приводного двигателя, например, источника механической энергии, например, ветроколеса (не показано) момент вращения передается на вал 15 синхронного бесколлекторного генератора. Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается, т.е. вал 15 вместе с закрепленными на нем секциями ротора 14 приводится во вращение. На секциях ротора 14 закреплены постоянные магниты 1, которые при вращении создают переменный магнитный поток, проходящий через подковообразные магнитопроводы, размещенные на неподвижном статоре 2, в соответствии с законом электромагнитной индукции в катушках 4 наводится ЭДС. 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. Выводы катушек 4 присоединены к устройству для выпрямления электрического тока (не показано).

Полученное на выводах устройства для выпрямления электрического тока напряжение может быть использовано, например, для зарядки аккумуляторной батареи с последующим преобразованием в переменное напряжение с заданными параметрами амплитуды и частоты.

Предложенная конструкция магнитной системы удовлетворяет выбранным критериям оптимальности, обеспечивает возможность регулирования положения электромагнитов с целью изменения межполюсного зазора между подковообразными магнитопроводами статора и закрепленными на роторе постоянными магнитами, а также улучшает технологичность сборки магнитной системы генератора в целом.