Аксиально-радиальный бесконтактный генератор переменного тока

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам переменного тока, и предназначено для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока, и может быть использовано, например, для генерирования электрической энергии.

Известен бесконтактный генератор переменного тока типа ГТ с вращающимися выпрямителями (Авиационное оборудование самолетов. Часть 1: учебное пособие для курсантов, обучающихся по специальности «Эксплуатация воздушных судов и организация воздушного движения» / Я.М. Кашин, Г.А. Кириллов, А.В. Ракло; КВВАУЛ им. А.К. Серова, под общей редакцией Я.М. Кашина. - Краснодар: изд-во КВВАУЛ, 2006 г. - С. 33-35), который представляет собой каскадную схему, состоящую из трех электрических машин, размещенных на одном валу: основного генератора с вращающимся явнополюсным индуктором классического типа, синхронного возбудителя с вращающимся якорем и с полюсами на статоре, трехфазного магнитоэлектрического подвозбудителя. Питание обмотки возбуждения основного генератора происходит от трехфазного возбудителя через вращающийся выпрямитель.

Однако технология изготовления такого генератора сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора, необходимости выполнения обмоточных работ внутри цилиндрического статора. Кроме того, стоимость такого генератора велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятый авторами за прототип является аксиальная двухвходовая бесконтактная электрическая машина-генератор (патент РФ №2450411, опубл. 10.05.2012 г.), содержащая корпус, подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу, при этом подвозбудитель состоит из постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с обмоткой якоря возбудителя, основной генератор состоит из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с обмоткой якоря основного генератора. Постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и магнитопроводы, в пазы которых уложены обмотки подвозбудителя, возбудителя и основного генератора выполнены аксиальными, при этом боковые аксиальные магнитопроводы жестко установлены в корпусе, а постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод жестко установлены на валу с возможностью вращения относительно боковых аксиальных магнитопроводов, при этом постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя установлен с торца одного бокового аксиального магнитопровода, а внутренний аксиальный магнитопровод установлен между боковыми аксиальными магнитопроводами, внутренний аксиальный магнитопровод и боковой аксиальный магнитопровод, с торца которого установлен постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя, выполнены с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами, а другой боковой аксиальный магнитопровод выполнен с одной активной торцовой поверхностью с пазами, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны постоянного многополюсного магнита подвозбудителя уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, которая подключена к обмотке якоря подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, и дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная к источнику постоянного тока, в пазы внутреннего аксиального магнитопровода со стороны обмотки возбуждения возбудителя и дополнительной обмотки возбуждения возбудителя уложена многофазная обмотка якоря возбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, которая подключена к обмотке якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью уложена многофазная обмотка якоря основного генератора.

Однако недостатком известной электрической машины является сложность конструкции, обусловленная тем, что ее ротор, представляющий собой постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и внутренний магнитопровод, в пазы которого уложены многофазная обмотка якоря возбудителя и однофазная обмотка основного генератора, жестко закрепленные на одном валу, содержит две части - постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод, между которыми находится один из боковых аксиальных магнитопроводов, закрепленный в корпусе (статоре). Это усложняет технологию изготовления и сборку электрической машины, обслуживание и ремонт, а также снижает надежность и жесткость конструкции электрической машины в целом. Кроме того, известная электрическая машина имеет большие массогабаритные показатели, обусловленные большими осевыми размерами электрической машины и нерациональным использованием свободного пространства внутри аксиального магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных показателей, упрощение способа изготовления, повышение надежности конструкции.

Технический результат заявленного изобретения - уменьшение осевых размеров ротора, повышение жесткости конструкции электрической машины, упрощение технологии ее сборки.

Технический результат достигается тем, что в аксиально-радиальном бесконтактном генераторе переменного тока, содержащем корпус, подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу, закрепленном в корпусе генератора в подшипниковых щитах, подвозбудитель которого состоит из постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из аксиального магнитопровода с однофазной обмоткой возбуждения возбудителя и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря возбудителя, основной генератор состоит из аксиального магнитопровода индуктора основного генератора, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, подключенная к многофазной обмотке якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, и аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, дополнительно в нижней части корпуса устанавливается регулятор напряжения, а постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и магнитопровод с обмоткой якоря подвозбудителя выполняются радиальными, при этом постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя жестко закрепляется на поверхности аксиального магнитопровода индуктора основного генератора по внешнему диаметру, а аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря возбудителя выполняется с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру аксиального магнитопровода индуктора основного генератора, частично размещается внутри аксиального магнитопровода индуктора основного генератора и жестко закрепляется посредством диска, имеющего двутавровое сечение, своей внутренней поверхностью на валу генератора, а своей внешней поверхностью скрепляется с внутренней поверхностью аксиального магнитопровода индуктора основного генератора.

Предлагаемое изобретение, выполняя функцию преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока, позволяет обеспечить улучшение массогабаритных показателей, повысить надежность конструкции, а также упростить способ ее изготовления.

Большие размеры прототипа при его малой массе обусловлены тем, что постоянный многополюсный магнит индуктора подвозбудителя и магнитопроводы, в которые уложены обмотки подвозбудителя и возбудителя, имеют такие же размеры, как и магнитопроводы основного генератора, хотя мощность подвозбудителя и возбудителя значительно ниже мощности основного генератора.

Улучшение массогабаритных показателей достигается путем уменьшения осевых размеров ротора, а именно уменьшения внешнего и внутреннего диаметров аксиальных магнитопроводов возбудителя в соответствии с величиной мощности преобразуемой им энергии и использования свободного пространства внутри аксиального магнитопровода индуктора основного генератора путем размещения в этом пространстве части аксиального магнитопровода якоря возбудителя. Улучшение массогабаритных показателей достигается также путем уменьшения размеров постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя в соответствии с величиной мощности преобразуемой подвозбудителем энергии. Уменьшение осевых размеров ротора и размеров постоянного многополюсного магнита индуктора подвозбудителя и магнитопровода с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя приводит к уменьшению габаритных размеров и массы всей электрической машины в целом.

Повышение надежности конструкции достигается за счет повышения ее жесткости путем механического соединения трех частей ротора (многополюсного постоянного магнита, аксиального магнитопровода индуктора основного генератора и аксиального магнитопровода якоря возбудителя) между собой.

Упрощение способа изготовления электрической машины достигается за счет упрощения технологии ее сборки. Механическое соединение трех частей ротора (многополюсного постоянного магнита, аксиального магнитопровода индуктора основного генератора и аксиального магнитопровода якоря возбудителя) между собой обеспечивает возможность жесткого закрепления всех элементов ротора на валу вне корпуса (статора). Собранный таким образом вне корпуса (статора) ротор целиком устанавливается в корпус (статор) и закрепляется в нем, при этом исключается необходимость сборки ротора (закрепления на валу электрической машины многополюсного постоянного магнита, аксиального магнитопровода индуктора основного генератора и аксиального магнитопровода якоря возбудителя) внутри корпуса (статора).

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого аксиально-радиального бесконтактного генератора переменного тока в разрезе и его сечение в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора и проходящей через ось симметрии постоянного многополюсного магнита; на фиг. 2 - электрическая схема предлагаемого аксиально-радиального бесконтактного генератора переменного тока.

Аксиально-радиальный бесконтактный генератор переменного тока содержит корпус 1, подвозбудитель, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу 15, закрепленном в корпусе 1 генератора в подшипниковых щитах 16 и 17, при этом подвозбудитель состоит из постоянного многополюсного магнита 4 индуктора подвозбудителя и магнитопровода 2 с многофазной (на фиг. 1 - трехфазной) обмоткой 3 якоря подвозбудителя, возбудитель состоит из аксиального магнитопровода 6 с однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя и аксиального магнитопровода 7 с многофазной (на фиг. 1 - трехфазной) обмоткой 8 якоря возбудителя, основной генератор состоит из аксиального магнитопровода 10 индуктора основного генератора, в пазы которого уложена однофазная обмотка 9 возбуждения основного генератора, подключенная к многофазной обмотке 8 якоря возбудителя через многофазный (на фиг. 1 - трехфазный) двухполупериодный выпрямитель 13, и аксиального магнитопровода 11 с многофазной (на фиг. 1 - трехфазной) обмоткой 12 якоря основного генератора. В нижней части корпуса 1 установлен регулятор напряжения 18. Постоянный многополюсный магнит 4 индуктора подвозбудителя и магнитопровод 2 с многофазной обмоткой 3 якоря подвозбудителя выполнены радиальными, при этом постоянный многополюсный магнит 4 индуктора подвозбудителя жестко закреплен на поверхности аксиального магнитопровода 10 индуктора основного генератора по внешнему диаметру, а аксиальный магнитопровод 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, выполненный с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру аксиального магнитопровода 10 индуктора основного генератора, частично размещен внутри аксиального магнитопровода 10 индуктора основного генератора и жестко закреплен посредством диска 14, имеющего двутавровое сечение, своей внутренней поверхностью на валу 15 генератора, а своей внешней поверхностью скреплен с внутренней поверхностью аксиального магнитопровода 10 индуктора основного генератора.

Многофазная обмотка 3 якоря подвозбудителя обеспечивает питание регулятора напряжения 18 (фиг. 2).

Однофазная обмотка 5 возбуждения возбудителя подключается к выходу регулятора напряжения 18.

Многофазная обмотка 12 якоря основного генератора является выходной обмоткой аксиального многофазного генератора переменного тока, к которой подключаются потребители.

В предлагаемом аксиально-радиальном бесконтактном генераторе переменного тока внешний диаметр аксиального магнитопровода 7 якоря возбудителя выполнен равным внутреннему диаметру аксиального магнитопровода 10 индуктора основного генератора, что позволяет частично разместить аксиальный магнитопровод 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя внутри аксиального магнитопровода 10 индуктора основного генератора. Выполнение внешнего диаметра аксиального магнитопровода 7 якоря возбудителя равным внутренннему диаметру аксиального магнитопровода 10 индуктора основного генератора приводит к уменьшению его массы и размеров, массы и размеров всей электрической машины в целом, а также экономии материалов, расходуемых на изготовление электрической машины по сравнению с известной аксиальной электрической машиной-генератором постоянного тока, а новая компоновка вышеуказанных магнитопроводов уменьшает длину предлагаемого генератора вдоль оси вращения.

Аксиально-радиальный бесконтактный генератор переменного тока работает следующим образом. Механическая энергия вращения поступает в генератор от внешнего источника через вал 15, закрепленный в корпусе 1 генератора в подшипниковых щитах 16 и 17. При вращении вала 1 с жестко закрепленным на нем посредством диска 14 аксиальным магнитопроводом 7 с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, аксиальным магнитопроводом 10 индуктора основного генератора с однофазной обмоткой 9 возбуждения основного генератора и постоянным многополюсным магнитом 4 индуктора подвозбудителя магнитный поток постоянного многополюсного магнита 4 индуктора подвозбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 3 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы радиального магнитопровода 2 якоря подвозбудителя, жестко установленного в корпусе 1 генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая подается на вход регулятора напряжения 18, установленного в нижней части корпуса 1.

К выходу регулятора напряжения 18 подключается однофазная обмотка 5 возбуждения возбудителя, при протекании тока в которой создается магнитный поток. При вращении ротора созданный однофазной обмоткой 5 возбуждения возбудителя магнитный поток взаимодействует с многофазной обмоткой 8 якоря возбудителя, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 7 якоря возбудителя, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая выпрямляется многофазным двухполупериодным выпрямителем 13 и подается на однофазную обмотку 9 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы аксиального магнитопровода 10 индуктора основного генератора. Магнитный поток однофазной обмотки 9 возбуждения основного генератора взаимодействует с многофазной обмоткой 12 якоря основного генератора, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 11 якоря основного генератора, и наводит в ней многофазную систему ЭДС, которая подается в регулятор напряжения 18 и в сеть.