Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор
Владельцы патента RU 2766875:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") (RU)
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков имени Героя Советского Союза А.К. Серова" (RU)
Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии. Технический результат заключается в стабилизации ,выходного напряжения магнитоэлектрического генератора по величине. Технический результат достигается за счет того, что в нижней части корпуса аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора устанавливают корректор напряжения, вход которого подключен на линейное напряжение двух смежных фаз многофазной обмотки якоря, сдвинутых друг относительно друга на угол
где ϕ - угол сдвига фаз, m - число фаз многофазной обмотки якоря. Со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря установлен жестко закрепленный в корпусе магнитный шунт, в пазы которого уложена тороидальная обмотка подмагничивания, подключенная к выходу корректора напряжения. Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор содержит корпус, вал, установленный в корпусе в подшипниковых узлах, жестко закрепленные на валу посредством первого диска аксиальные постоянные магниты индуктора жестко закрепленный в корпусе посредством второго диска аксиальный магнитопровод якоря с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка якоря. 4 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя кинетической энергии ветра, преобразованной ветроколесом в механическую энергию вращения, в электроэнергию переменного тока.
Известна конструкция магнитоэлектрического генератора (Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины: Учебное пособие для электромеханических и электроэнергетических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1990. - 416 с: ил., стр. 76-89.), представляющего собой обычную синхронную машину радиального исполнения с возбуждением от постоянных магнитов.
Такой генератор содержит корпус, в котором установлен радиальный магнитопровод с трехфазной обмоткой якоря, вал, установленный в подшипниковых узлах, и закрепленные на валу постоянные магниты индуктора.
Выходное напряжение такого генератора зависит от частоты вращения ротора с установленным на нем постоянными магнитами индуктора:
где С - конструктивный коэффициент, w - частота вращения, Φ - магнитный поток возбуждения.
Это ограничивает область применения такого генератора: генератор с нестабилизированным напряжением не пригоден для питания потребителей электроэнергии высокого качества напрямую.
Возможная установка привода постоянной частоты вращения ухудшает массогабаритные показатели генераторной установки, в которой используется известный генератор, а также снижает надежность ее работы.
Регулирование выходного напряжения у такого генератора может быть осуществлено путем подмагничивания ярма (спинки) магнитопровода с трехфазной обмоткой якоря или подключения к ней внешнего регулятора напряжения, соизмеримого по мощности и габаритам с самим генератором.
Регулирование напряжения путем подмагничивания ярма (спинки) магнитопровода с трехфазной обмоткой якоря ухудшает использование пазов, в которых уложена обмотка якоря. Наличие дополнительного внешнего регулятора напряжения повышает массу всей генераторной установки.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является аксиальный бесконтактный генератор постоянного тока (пат. РФ №2402858, опубл. 27.10.2010 г., авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М., Гайтова Т.Б., Кашин А.Я.), содержащий корпус; подвозбудитель, состоящий из постоянных магнитов индуктора подвозбудителя и магнитопровода с рабочей обмоткой подвозбудителя; возбудитель, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения возбудителя и магнитопровода с рабочей обмоткой возбудителя; и основной генератор, состоящий из магнитопровода с обмоткой возбуждения основного генератора и магнитопровода с рабочей обмоткой (обмоткой якоря) основного генератора, установленные на одном валу. Постоянные магниты 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 постоянные магниты индуктора подвозбудителя и внутренний аксиальный магнитопровод жестко установлены на валу с возможностью вращения относительно боковых аксиальных магнитопроводов, при этом постоянные магниты индуктора подвозбудителя установлены 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 установлены постоянные магниты 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 постоянных магнитов подвозбудителя уложена многофазная рабочая обмотка подвозбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, которая подключена к рабочей обмотке подвозбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, в пазы внутреннего аксиального магнитопровода со стороны обмотки возбуждения возбудителя уложена многофазная рабочая обмотка возбудителя, а с противоположной стороны уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, которая подключена к рабочей обмотке возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, при этом в пазы бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью уложена многофазная рабочая обмотка (обмотка якоря) основного генератора, которая подключена к многофазному выпрямителю.
Используемые в таком генераторе элементы возбудителя, а именно магнитопровод, могут быть использованы для регулирования напряжения путем укладки в его пазы дополнительной обмотки подмагничивания возбудителя, соединенной с обмоткой якоря основного генератора, дополнительным сравнивающим устройством, на вход которого поступает выходное напряжение с обмотки якоря основого генератора, а величина, пропорциональная разности фактического выходного напряжения с заданным, поступает на дополнительную обмотку подмагнитчивания. Однако это приведет к ухудшению использования пазов. Кроме того, масса дополнительных устройств (сравнивающего и др.) соизмерима с массой самого генератора.
Возможная установка привода постоянной частоты вращения также приведет к ухудшению массогабаритных показателей всей генераторной установки, а также снизит надежность ее работы.
Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование магнитоэлектрического генератора, позволяющее обеспечить расширение области его применения.
Технический результат заявленного изобретения - стабилизация выходного напряжения магнитоэлектрического генератора по величине.
Технический результат достигается тем, что в аксиальном многофазном стабилизируемом магнитоэлектрическом генераторе, содержащем корпус, вал, установленный в корпусе в подшипниковых узлах, жестко закрепленных на валу посредством первого диска аксиальных постоянных магнитов индуктора, и жестко закрепленный в корпусе посредством второго диска аксиальный магнитопровод якоря с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка якоря, в нижней части корпуса дополнительно устанавливают корректор напряжения, вход которого подключают на линейное напряжение двух фаз многофазной обмотки якоря, а со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря устанавливают жестко закрепленный в корпусе магнитный шунт, в пазы которого укладывают тороидальную обмотку подмагничивания, подключая ее к выходу корректора напряжения.
Расширение области применения магнитоэлектрического генератора достигается путем стабилизации его выходного напряжения по величине за счет установки в нижней части корпуса генератора корректора напряжения, подключением входа корректора напряжения на линейное напряжение двух фаз многофазной обмотки якоря, сдвинутых друг относительно друга на угол
где ϕ - угол сдвига фаз, m - число фаз многофазной обмотки якоря,
а также жестким закреплением в корпусе со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря магнитного шунта, в пазы которого укладывают тороидальную обмотку подмагничивания, подключая ее к выходу корректора напряжения.
Отклонение выходного напряжения от заданного измеряется установленным в нижней части корпуса корректором напряжения, вход которого подключен на линейное напряжение любых двух фаз многофазной обмотки якоря. Корректор напряжения увеличивает величину тока подмагничивания в тороидальной обмотке подмагничивания магнитного шунта. Подмагничивание магнитного шунта приводит к уменьшению магнитной проницаемости его стали и увеличению его магнитного сопротивления. В результате чего величина магнитного потока, проходящего через магнитный шунт уменьшается, а величина магнитного потока, проходящего через аксиальный магнитопровод якоря и пронизывающего витки многофазной обмотки якоря, увеличивается. Вследствие этого величина ЭДС, наводимых в фазах многофазной обмотки якоря, увеличивается, и величина напряжения на выходе предлагаемого магнитоэлектрического генератора достигает стабилизируемого уровня.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора в разрезе, на фиг. 2 - его электрическая схема, на фиг 3 - средние линии магнитного потока Φ1 в индукторе, Φ2 в аксиальном магнитопроводе якоря и Ф3 в магнитном шунте, на фиг.4 - соотношение размеров ярма аксиального магнитопровода якоря и ярма магнитного шунта.
Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор содержит (фиг. 1): корпус 9, вал 1, установленный в корпусе 9 в подшипниковых узлах 2 и 10, жестко закрепленных на валу 1 посредством первого диска 3 аксиальных постоянных магнитов 4 индуктора, и жестко закрепленный в корпусе 9 посредством второго диска 12 неподвижный аксиальный магнитопровод якоря 5 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого со стороны постоянных магнитов 4 индуктора уложена многофазная (например, девятифазная) обмотка якоря 6. В нижней части корпуса дополнительно установлен корректор напряжения 11, вход которого подключен на линейное напряжение любых двух фаз многофазной обмотки якоря 6. Со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря 5 установлен жестко закрепленный в корпусе 9 магнитный шунт 8, в пазы которого уложена тороидальная обмотка подмагничивания 7, подключенная к выходу корректора напряжения 11 (фиг. 2).
Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. Механическая энергия вращения поступает в генератор от внешнего источника (например, от модульного ветроколеса) через вал 1, закрепленный с возможностью вращения в корпусе 9 генератора в подшипниковых узлах 2 и 10. При вращении вала 1 с закрепленными на нем посредством первого диска 3 аксиальными постоянными магнитами 4 магнитный поток аксиальных постоянных магнитов 4 индуктора создает вращающееся магнитное поле. При этом одна часть магнитного потока Φ1, создаваемого аксиальными постоянными магнитами 4, замыкается через закрепленный в корпусе 9 посредством второго диска 12 неподвижный аксиальный магнитопровод якоря 5 с многофазной обмоткой 6 якоря, а другая часть магнитного потока Φ1, создаваемого аксиальными постоянными магнитами 4, замыкается через наружный магнитный шунт 8 с тороидальной обмоткой подмагничивания 7, т.е. Φ1=Ф2+Ф3 (фиг. 3). Магнитный поток Ф2, пронизывая витки многофазной обмотки якоря 6, уложенной в пазы неподвижного аксиального магнитопровода якоря 5, жестко установленного в корпусе 9 генератора, взаимодействует с ней, и наводит в ней многофазную систему ЭДС.
При подключении к многофазной обмотке якоря 6 нагрузки (активной, индуктивной или индуктивно-активной) величина напряжения U2 на выходе этой обмотки уменьшается из-за размагничивающего действия тока, протекающего по фазам многофазной обмотки якоря 6.
Отклонение напряжения U2 измеряется корректором напряжения 11, который увеличивает величину тока подмагничивания в тороидальной обмотке подмагничивания 7 магнитного шунта 8. Подмагничивание магнитного шунта 8 приводит к уменьшению магнитной проницаемости его стали и увеличению его магнитного сопротивления. В результате этого величина магнитного потока Ф3, проходящего через магнитный шунт уменьшается, а величина магнитного потока Ф2, проходящего через неподвижный аксиальный магнитопровод якоря 5 и пронизывающего витки многофазной обмотки якоря 6, увеличивается. Вследствие этого величина ЭДС, индуктируемых этим магнитным потоком в фазах многофазной обмотки 6 неподвижного аксиального магнитопровода якоря 5 увеличивается, и напряжение U2 на выходе генератора достигает заданного стабилизируемого уровня.
На холостом ходу аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора ток в тороидальной обмотке подмагничивания 7 магнитного шунта 8 отсутствует, и магнитный поток Ф3 в магнитном шунте 8 достигает максимального значения, а в неподвижном аксиальном магнитопроводе якоря 5 магнитный поток Φ2 принимает минимальное значение.
При максимальной нагрузке аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора магнитный поток Ф3 из магнитного шунта 8 вследствие большого магнитного сопротивления, обусловленного насыщением при подмагничивании, вытесняется до минимального значения, и в неподвижном аксиальном магнитопроводе якоря 5 магнитный поток Ф2 достигает максимального значения. Диапазон регулирования магнитного потока dп определяется соотношением размера ярма h2 неподвижного аксиального магнитопровода якоря 5 и размера ярма h3 магнитного шунта 8 (фиг. 4): dп=(h2+h3)/h2.
Предлагаемое изобретение, выполняет, как и прототип, преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию, в тоже время в отличие от него позволяет расширить область его применения: использовать магнитоэлектрический генератор для потребителей, требовательных к стабильности напряжения.
По сравнению с известными генераторными установками, в которых для стабилизации выходного напряжения используется внешний регулятор напряжения, внедрение предлагаемого аксиального многофазного стабилизируемого магнитоэлектрического генератора позволит улучшить массогабаритные показатели всей генераторной установки, т.к. в данном случае внешний регулятор напряжения, соизмеримый по мощности и габаритам с самим магнитоэлектрическим генератором не требуется. Наличие магнитного шунта с корректором напряжения приводит к значительно меньшему возрастанию массы и габаритов генераторной установки, чем в случае использования внешнего регулятора напряжения. При этом пазы аксиального магнитопровода якоря в этом случае полностью заполняются обмоткой якоря.
Аксиальный многофазный стабилизируемый магнитоэлектрический генератор, содержащий корпус, вал, установленный в корпусе в подшипниковых узлах, жестко закрепленных на валу посредством первого диска аксиальных постоянных магнитов индуктора, и жестко закрепленный в корпусе посредством второго диска аксиальный магнитопровод якоря с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого со стороны постоянных магнитов индуктора уложена многофазная обмотка якоря, отличающийся тем, что в нижней части корпуса дополнительно установлен корректор напряжения, вход которого подключен на линейное напряжение двух смежных фаз многофазной обмотки якоря, сдвинутых друг относительно друга на угол
где ϕ - угол сдвига фаз, m - число фаз многофазной обмотки якоря, а со стороны неактивной торцовой поверхности аксиального магнитопровода якоря установлен жестко закрепленный в корпусе магнитный шунт, в пазы которого уложена тороидальная обмотка подмагничивания, подключенная к выходу корректора напряжения.
