полисетевая генераторная установка

Формула изобретения

1. Полисетевая генераторная установка, содержащая корпус, роторный модуль, включающий установленный в подшипниковых опорах вал с ротором на нем, модуль возбуждения с обмоткой возбуждения в электроизолирующем каркасе и статор с более чем одной m-фазной якорной обмоткой, одна из которых является началом основной электрической сети с последующими элементами - регулятором напряжения и выводными клеммами, а другие - дополнительными, отличающаяся тем, что дополнительные якорные обмотки выполнены с числом полюсов, равным числу полюсов основной.

2. Полисетевая генераторная установка по п.1, отличающаяся тем, что равное число полюсов на основной и дополнительных якорных обмотках статора реализовано конструктивной схемой, предусматривающей равный шаг катушечных групп во всех обмотках.

3. Полисетевая генераторная установка по п.1, отличающаяся тем, что равное число полюсов на основной и дополнительных якорных обмотках статора реализовано конструктивной схемой, предусматривающей равный относительный шаг катушечных групп во всех обмотках.

4. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что хотя бы одна дополнительная сеть снабжена ограничителем напряжения.

5. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что основная сеть и, по крайней мере, одна дополнительная имеют фазовый сдвиг относительно друг друга.

6. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна электрическая сеть с ограничителем напряжения снабжена выпрямителем.

7. Полисетевая генераторная установка по п.6, отличающаяся тем, что диоды выпрямителя заменены стабилитронами, например диодами Зенера.

8. Полисетевая генераторная установка по п.6 или 7, отличающаяся тем, что по крайней мере половина диодов выпрямителя, соединенных с одним из выходов выпрямителя, преимущественно с отрицательным, заменена тиристорами, а ограничитель напряжения заменен блоком управления, стабилизирующим напряжение сети, и каждый тиристор подсоединен к блоку управления.

9. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что совокупность признаков каждого вышеуказанного пункта взаимосвязана конструктивно и функционально с роторным модулем, включающим вал с вращающимся магнитопроводом, на котором закреплен венец несущих когтей с расположенным в его промежутках венцом навесных когтей, имеющих фиксатор от окружных и осевых перемещений, внутри венцов несущих и навесных когтей соосно расположен закрепленный на корпусе неподвижный магнитопровод с обмоткой возбуждения на нем в электроизолирующем каркасе, размещенной так, что сердечник обмотки составляют две втулки с зазором, одна из которых является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - частью вращающегося магнитопровода.

10. Полисетевая генераторная установка по п.9, отличающаяся тем, что совокупность признаков предыдущего пункта взаимосвязана конструктивно и функционально с измененными перемычками, которые выполнены из диамагнитного материала с удельным электрическим сопротивлением ниже, чем у материала когтей и образуют сплошной замкнутый контур, охватывающий боковые поверхности навесных когтей со всех сторон, а прилежащие к каждой стороне когтей перемычки соединены между собой так, что образуют замкнутые кольца.

11. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.9 и 10, отличающаяся тем, что совокупность признаков каждого вышеуказанного пункта взаимосвязана конструктивно и функционально с изменением, заключающимся в том, что на конце втулки неподвижного магнитопровода выполнен диск из магнитопроводного материала, наружная поверхность которого образует с поверхностью подвижного магнитопровода радиальное продолжение зазора между втулками, образующими сердечник обмотки возбуждения, а каркасом обмотки возбуждения является кольцевая поверхность неподвижного магнитопровода, защищенная электроизоляционным покрытием.

12. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.9-11, отличающаяся тем, что совокупность признаков каждого вышеуказанного пункта взаимосвязана конструктивно и функционально с роторным модулем, имеющим симметрично себе второй тождественный роторный модуль, и статором, выполненным общим для обеих половин ротора.

13. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.1-12, отличающаяся тем, что совокупность признаков каждого вышеуказанного пункта взаимосвязана конструктивно и функционально с измененным статором, выполненным с числом пазов Z= 2рm, где 2р - количество полюсов ротора, m - число фаз, при этом фазные обмотки хотя бы одной якорной обмотки уложены со сдвигом на один паз, а ближайшие друг к другу выводы попарно соединены.

14. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.1-13, отличающаяся тем, что вся якорная обмотка является началом одной сети с наибольшим напряжением, а, по крайней мере, одна часть этой же обмотки служит началом второй электрической цепи с меньшим напряжением.

15. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.1-13, отличающаяся тем, что минимум одна пара якорных обмоток соединена друг с другом так, что первая обмотка соединена m-фазной "звездой", а фазные обмотки второй являются продолжением их лучей.

16. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.1-13, отличающаяся тем, что минимум одна пара якорных обмоток соединены друг с другом так, что первая обмотка соединена m-фазным "треугольником", а фазные обмотки второй являются продолжением их сторон.

17. Полисетевая генераторная установка по любому из пп.1-13, отличающаяся тем, что, по крайней мере, две электрические сети снабжены выпрямителями и со стороны выпрямленного тока соединены последовательно.

18. Полисетевая генераторная установка по п.17, отличающаяся тем, что якорная обмотка одной из электрических сетей, снабженных выпрямителями и соединенных последовательно со стороны выпрямленного тока, соединена в треугольник, а вторая - в звезду.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к полисетевым (обслуживающим несколько различных сетей) электрическим синхронным генераторам и найдет применение преимущественно в тех объектах техники и при выполнении тех работ, где одновременно требуется несколько источников электрического тока различного вида и напряжения, при высокой мобильности, компактности, надежности и долговечности.

Эта давняя проблема пока не имеет оптимального решения. Ее обычно решают тремя не лучшими способами.

1. С помощью трансформатора, подключенного к электрической сети и имеющего на выходных клеммах набор нужных напряжений. Этим создается полисетевая установка, но она не обладает мобильностью.

2. С помощью нескольких дизель-генераторов с требуемым напряжением. Такая полисетевая установка теряет компактность.

3. С помощью монтирования на одном приводном валу нескольких электрогенераторов, например, как это выполнено у аналога. Таковым взята двухсетевая генераторная установка. Она содержит два генератора, которые на двух парах подшипниковых опор установлены на общем валу, и два статора, закрепленных на корпусе. Между статорами выполнен в виде отдельного кожуха неподвижный узел с обмоткой возбуждения - общей для двух генераторов, питающих две независимые электрические сети /1/. Удвоение числа обслуживаемых сетей здесь достигнуто путем удвоения главных частей и деталей установки. Это снижает надежность и увеличивает габаритные размеры.

Указанные недостатки в значительной мере устранены в двухсетевой генераторной установке, взятой в качестве прототипа.

Установка содержит корпус, роторный модуль, включающий установленный в подшипниковых опорах вал с ротором на нем, модуль возбуждения с обмоткой возбуждения в электроизолирующем каркасе и статор с двумя m-фазными якорными обмотками, одна из которых является началом основной электрической сети с последующими элементами - регулятором напряжения и выводными клеммами, а вторая обмотка - начало дополнительной сети. На полюсах ротора установлена дополнительная обмотка возбуждения, подключенная к контактным кольцам /2/.

Такая генераторная установка имеет ряд технических решений, которые не способствуют достижению максимальной компактности, надежности и долговечности. Наличие двух обмоток возбуждения, каждая из которых регулирует напряжение своей сети, значительно увеличивает общие габаритные размеры. Принципиально необходимое для данной конструкции требование, чтобы якорные обмотки статора имели различное число полюсов, приводит к неполному использованию магнитного потока ротора для создания электродвижущей силы (ЭДС), что снижает ее мощность. Так, наличие на полюсах ротора дополнительной обмотки возбуждения, подключенной к контактным кольцам, снижает надежность и долговечность генераторной установки.

Единой целью заявляемого изобретения является получение общего технического результата - достижение наивысшей компактности при высокой надежности и долговечности полисетевой генераторной установки. Компактность конструкции достигается либо снижением габаритных размеров при сохранении мощности, либо повышением мощности при неизменных габаритных размерах. Повышение компактности конструкции приводит также к снижению ее удельной массы, а следовательно, к улучшению массогабаритных показателей.

Первый шаг в достижении единой цели изложен в п.1 формулы изобретения. В нем предлагается усовершенствовать полисетевую генераторную установку, имеющую корпус, роторный модуль, включающий установленный в подшипниковых опорах вал с ротором на нем, модуль возбуждения с обмоткой возбуждения в электроизолирующем каркасе и статор с более чем одной m-фазной якорной обмоткой, одна из которых является началом основной электрической сети с последующими элементами - регулятором напряжения и выводными клеммами, а другие дополнительными.

Усовершенствование заключается в том, что дополнительные якорные обмотки выполнены с числом полюсов, равным числу полюсов основной. Такое техническое решение позволяет размещать на едином статоре любое количество якорных обмоток для обслуживания своих собственных сетей и регулировать их единой обмоткой возбуждения. Это позволяет значительно повысить компактность полисетевой генераторной установки.

Следующие два пункта формулы являются вариантами исполнения по п.1 с тем же техническим эффектом. Первый из них, изложенный в п.2, заключается в том, что равное число полюсов на основной и дополнительных якорных обмотках статора реализовано конструктивной схемой, предусматривающей равный шаг катушечных групп во всех обмотках. Второй, изложенный в п.3, заключается в том, что равное число полюсов на основной и дополнительных якорных обмотках статора реализовано конструктивной схемой, предусматривающей равный относительный шаг катушечных групп во всех обмотках. Первый вариант предпочтительнее применять на однослойных обмотках, а второй - на обмотках с двумя и более слоями.

Следующее усовершенствование заключается в том, что в генераторной установке по п.п.1-3 хотя бы одна дополнительная сеть снабжена ограничителем напряжения. Это обеспечивает точность регулирования независимых сетей при перекосах нагрузки по сетям. Ограничитель напряжения компенсирует разницу в ЭДС, вызванную падением напряжения на внутреннем сопротивлении якорной обмотки. Наличие ограничителя напряжения позволяет уменьшить сечения проводов якорных обмоток, за счет этого снизить размеры статора и повысить компактность генераторной установки.

Усовершенствование по п.5 заключается в том, что основная обмотка и по крайней мере одна дополнительная имеют фазовый сдвиг относительно друг друга. Благодаря этому уменьшается суммарная размагничивающая сила статора и увеличивается магнитная индукция в зазоре на режимах отбора мощности. За счет этого повышается мощность генераторной установки, а следовательно, и компактность.

Следующий шаг в достижении единой цели, повышение компактности, отражен в п. 6 формулы. Он заключается в том, что по крайней мере одна электрическая сеть с ограничителем напряжения снабжена выпрямителем. Это упрощает конструкцию ограничителя напряжения и уменьшает его габаритные размеры.

Следующее усовершенствование заключается в том, что в генераторной установке по п.6 диоды выпрямителя заменены стабилитронами, например диодами Зенера. При таком техническом решении функции ограничителя напряжения выполнят стабилитроны или диоды Зенера, и потребность в отдельном его устройстве отпадает. Соответственно уменьшаются общие габаритные размеры и повышается компактность.

Дополнительный шаг в достижении единой цели отражен в п.8 формулы изобретения. Он заключается в том, что в генераторной установке по п.п. 6 и 7 по крайней мере половина диодов выпрямителя, соединенных с одним из выходов выпрямителя, преимущественно с отрицательным, заменена тиристорами, а ограничитель напряжения заменен блоком управления, стабилизирующим напряжение сети, и каждый тиристор подсоединен к блоку управления. Такое техническое решение позволяет реализовывать в дополнительной сети значительно большую электрическую мощность и за счет этого повышать компактность. Замена тиристорами той половины диодов, что соединена с отрицательным выходом выпрямителя, позволяет монтировать их на едином радиаторе, а это дополнительно снижает габаритные размеры. Следует отметить, что тиристорами могут быть заменены все диоды выпрямителя, но по экономическим и конструктивным соображениям это не целесообразно.

Следующий шаг в достижении единой цели отражен в п.9 формулы. Он заключается в том, что совокупность признаков с 1 по 8 п.п. формулы изобретения взаимосвязана конструктивно и функционально с роторным модулем, включающим вал с вращающимся магнитопроводом, на котором закреплен венец несущих когтей с расположенным в его промежутках венцом навесных когтей, имеющих фиксатор от окружных и осевых перемещений, внутри венцов несущих и навесных когтей соосно расположен, закрепленный на корпусе неподвижный магнитопровод с обмоткой возбуждения на нем в электроизолирующем каркасе, размещенной так, что сердечник обмотки составляют две втулки с зазором, одна из которых является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - частью вращающегося магнитопровода.

При такой совокупности признаков возникает сверхсуммарный эффект, позволяющий питать обмотку возбуждения сетью с наиболее высоким напряжением. Это, в свою очередь, дает возможность снижения величины силы тока коммутируемого регулятором напряжения, что снижает мощность тепловыделения на нем. А это позволяет уменьшить его габаритные размеры, в том числе и за счет уменьшения его радиатора. Компактность при этом повышается. Увеличение напряжения требует снижения диаметра провода обмотки возбуждения, что при ее размещении на роторе приводило бы к снижению надежности из-за понижения механической прочности провода. За счет неподвижного размещения обмотки возбуждения в предлагаемом техническом решении снижения надежности не происходит. Отсутствие контактных колец освобождает пространство в центральной части за задней крышкой и позволяет размещать несколько диодных мостов для обслуживания двух и более сетей.

Усовершенствование по п.10 заключается в том, что в конструкцию вносится дополнительный признак конструктивно и функционально связанный с п.9 формулы. Оно заключается в том, что перемычки выполнены из диамагнитного материала с удельным электрическим сопротивлением ниже, чем у материала когтей, и образуют сплошной замкнутый контур, охватывающий боковые поверхности навесных когтей со всех сторон, а прилежащие к каждой торцевой стороне когтей перемычки соединены между собой так, что образуют замкнутые кольца.

При такой совокупности признаков перемычки образуют демпфирующую асинхронную обмотку ротора, которая, взаимодействуя с высшими гармониками от различных сетей, перераспределяет электрическую мощность по сетям в зависимости от их загруженности. Что увеличивает фактическую мощность каждой из сетей и генераторной установки в целом.

Следующее усовершенствование заключается в том, что в генераторной установке по п.п.9 и 10 на конце втулки неподвижного магнитопровода выполнен диск из магнитопроводного материала, наружная поверхность которого образует с поверхностью подвижного магнитопровода радиальное продолжение зазора между втулками, образующими сердечник обмотки возбуждения, а каркасом обмотки возбуждения является кольцевая поверхность неподвижного магнитопровода, защищенная электроизоляционным покрытием.

Такое техническое решение позволяет отказаться от отдельного электроизолирующего каркаса, перенеся его функцию на неподвижный магнитопровод. Его материал позволяет повысить интенсивность теплоотвода от обмотки возбуждения и за счет этого повысить в ней плотность тока. Что в свою очередь при сохранении намагничивающей силы позволяет снизить диаметр провода и для этого используется сеть с наиболее высоким напряжением. Это приводит к снижению габаритных размеров обмотки возбуждения и электрической машины в целом.

Следующий шаг в достижении единой цели отражен в п.12 формулы Он заключается в том, что совокупность признаков п.п.9, 10 и 11 взаимосвязана конструктивно и функционально с роторным модулем, имеющим симметрично себе второй тождественный роторный модуль, и статором, выполненным общим для обеих половин ротора. Такое удвоение значительно повышает компактность. Мощность генератора удваивается, а длина машины возрастает в среднем на 25%. При этом часть длины обмоточного провода, приходящаяся на лобовые вылеты, уменьшается по отношению к активной части длины провода, находящегося в пазах статора. По этой причине внутреннее сопротивление всех якорных обмоток на единицу мощности снижается. В заявляемой полисетевой генераторной установке это приводит к появлению сверхсуммарного эффекта, заключающегося в повышении точности регулирования дополнительных сетей. Это приводит к уменьшению мощности ограничителей напряжений и за счет этого к дополнительному повышению компактности.

Усовершенствование по п.13 заключается в том, что совокупность признаков п. п.1-12 взаимосвязана конструктивно и функционально с измененным статором, выполненным с числом пазов Z = 2 p m, где 2 р - количество полюсов ротора, m - число фаз, при этом фазные обмотки хотя бы одной якорной обмотки уложены со сдвигом на один паз, а ближайшие друг к другу выводы попарно соединены.

Такое техническое решение связано с принципиально большим количеством выводов у якорной обмотки полисетевого генератора, что затрудняет их размещение и присоединение к выводным клеммам. Предлагаемая конструкция формирует выводы якорной обмотки для одной сети максимально приближенными друг к другу, что позволяет разместить выводы всей якорной обмотки равномерно по окружности. При этом фазные обмотки соединяются в "треугольник" и не имеют концевого спая, наличие которого у соединения типа "звезда" увеличивает габариты и особенно в полисетевой генераторной установке. Все это позволяет уменьшить пространство, резервируемое для размещения и соединения выводов, а следовательно, повысить компактность.

Следующий шаг в достижении единой цели отражен в п.14 формулы. Он заключается в том, что вся якорная обмотка является началом одной сети с наибольшим напряжением, а, по крайней мере, одна часть этой же обмотки служит началом второй электрической цепи с меньшим напряжением.

При таком решении одна и та же часть якорной обмотки обслуживает две и более независимые сети за счет совмещения функций. Размеры статора уменьшаются, а компактность установки, соответственно, повышается.

Следующее усовершенствование заключается в том, что в генераторной установке по п. п. 1-13 минимум одна пара якорных обмоток соединена друг с другом так, что первая обмотка соединена m-фазной "звездой", а фазные обмотки второй являются продолжениями их лучей. При таком решении одна и та же часть якорной обмотки обслуживает две и более независимые сети за счет совмещения функций, также как и в п.14 формулы изобретения. Принципиальным отличием является то, что каждая часть такой обмотки размещена по всей окружности статора и взаимодействует со всем магнитным потоком ротора. При этом точность регулирования по сетям повышается и мощность ограничителя напряжения снижается. Размеры статора уменьшаются за счет совмещения функций проводами обмоток, а также за счет уменьшения размеров ограничителей напряжения. Компактность генераторной установки соответственно повышается.

Следующий шаг в достижении единой цели отражен в п.16 формулы. Он заключается в том, что минимум одна пара якорных обмоток соединены друг с другом так, что первая обмотка соединена m-фазным "треугольником", а фазные обмотки второй являются продолжениями их сторон. При этом достигаемый эффект аналогичен решению по 15 п. формулы изобретения.

Усовершенствование по п. 17 заключается в том, что по крайней мере две электрические сети снабжены выпрямителями и со стороны выпрямленного тока соединены последовательно. При этом достигаемый эффект аналогичен решению по 15 п. формулы изобретения.

Следующее усовершенствование заключается в том, что в полисетевой генераторной установке по п.17 якорная обмотка одной из двух электрических сетей, снабженных выпрямителями и соединенных последовательно со стороны выпрямленного тока, соединена в треугольник, а вторая - в звезду. При таком техническом решении переменный ток в обмотках сдвинут по фазе на 30^o. Это приводит к тому, что уменьшается амплитуда пульсаций со стороны выпрямленного тока в сети, объединяющей обе обмотки. По этой причине снижается мощность сглаживающих фильтров и упрощается конструкция ограничителей напряжения, что приводит к уменьшению занимаемых ими габаритных размеров, а значит к повышению компактности всей генераторной установки.

Существо изобретения поясняют прилагаемые эскизные чертежи и схемы.

На фиг.1 изображена конструкция, в которой реализован 1-ый вариант заявляемой полисетевой генераторной установки.

На фиг.2 изображена схема электрическая принципиальная, общая для обоих вариантов заявляемой полисетевой генераторной установки.

На фиг.3 изображена схема электрическая принципиальная, реализующая 8 п. формулы изобретения, общая для обоих вариантов заявляемой полисетевой генераторной установки.

На фиг.4 изображен поперечный разрез полисетевой бесконтактной (бесщеточной) автомобильной генераторной установки, в которой реализован 2-ой вариант заявляемой конструкции.

На фиг.5 изображен вариант схемы электрической принципиальной ограничителя напряжения последовательного типа.

На фиг.6 изображен вариант схемы электрической принципиальной ограничителя напряжения последовательного типа.

На фиг. 7 изображена развертка наружной поверхности ротора генераторной установки по фиг.4.

На фиг.8 изображена электрическая схема соединения обмоток по пункту 14.

На фиг.9 изображена электрическая схема соединения обмоток по пункту 13.

На фиг. 10 изображена электрическая схема соединения обмоток по пункту 15.

На фиг. 11 изображена электрическая схема соединения обмоток по пункту 16.

Заявляемые усовершенствования полисетевой генераторной установки достаточно легко, без принципиальных конструктивных изменений реализуются во всех видах синхронных генераторов. Первый пример реализации изобретения в классической конструкции синхронного генератора показан на фиг.1, а принципиальная схема на фиг.2 и 3.

Полисетевая генераторная установка содержит корпус, имеющий переднюю 1 и заднюю 2 крышки, в котором установлен статор 3 и роторный модуль. Роторный модуль включает установленный в подшипниковых опорах 4 вал 5 и ротор 6. На роторе смонтирован модуль возбуждения с обмоткой возбуждения 7, размещенной на полюсах ротора в электроизолирующем каркасе 8.

Статор 3 имеет сердечник с продольными пазами на внутренней поверхности. В пазах уложены n трехфазных обмоток (фиг.2). Одна обмотка 9 - основная и является началом основной электрической сети 10. На ней последовательно подключены регулятор напряжения 11 и выводные клеммы 12. Последующие электрические сети 13 являются дополнительными. Якорные обмотки 14, служащие началом дополнительных сетей 13, выполнены с числом полюсов, равным числу полюсов основной обмотки. Только в этом случае появляется возможность размещать на едином статоре две якорные обмотки и более. Равное число полюсов на основной и дополнительных обмотках обеспечивается, например, такими конструктивными путями:

- равным шагом катушечных групп во всех обмотках;

- равным относительным шагом обмоток.

Второй путь возможен для обмоток с двумя и более слоями.

Для уменьшения сечения проводов якорных обмоток дополнительная сеть 13 снабжена ограничителем напряжения 15. Реализация ограничителя напряжения 15 может быть двух типов - последовательного (фиг.5) и параллельного (фиг.6). Он включает систему управления 16, силовой ключ 17 и регулирующую нагрузку 18, в качестве которой может быть, например, резистор. Функции силового ключа может исполнять транзистор, например полевой, как показано на фиг.5 и 6.

При размещении обмоток на статоре 3 дополнительная обмотка 14 имеет фазовый сдвиг относительно основной обмотки 9. Тем самым уменьшается суммарная размагничивающая сила статора 3 и увеличивается магнитная индукция в зазоре в нагруженных режимах.

В целях упрощения конструкции ограничителя напряжения дополнительная сеть 13 с ограничителем напряжения 15 снабжена выпрямителем 19.

Диоды выпрямителя могут быть выполнены стабилитронами 20, например диодами Зенера. В этом случае сам выпрямитель 21 выполняет функции ограничителя напряжения и отдельная его конструкция не требуется. Это применено в конструкции, схема которой показана на фиг.2.

Другим вариантом регулирования напряжения дополнительной сети 13 является техническое решение, показанное на фиг.3. Оно предусматривает, что по крайней мере половина диодов выпрямителя 19, соединенных с обозначенным на схеме как ХР3 отрицательным выходом выпрямителя, заменена тиристорами 22. Ограничитель напряжения заменен блоком управления 23, стабилизирующим напряжение сети, и каждый тиристор 22 подсоединен к блоку управления 23.

Второй пример реализации изобретения в наиболее усовершенствованной конструкции синхронного генератора показан на фиг.4, а принципиальная схема на фиг.2 и 3.

Полисетевая генераторная установка содержит корпус, включающий переднюю 1 и заднюю 2 крышки, в котором установлен статор 3 и роторный модуль.

Статор 3 имеет сердечник с продольными пазами на внутренней поверхности. В пазах уложены n 3-фазных обмоток (фиг.2). Одна обмотка 9 - основная и является началом основной электрической сети 10. На ней последовательно подключены регулятор напряжения 11 и выводные клеммы 12. Последующие электрические сети 13 являются дополнительными. Якорные обмотки 14, служащие началом дополнительных сетей 13, выполнены с числом полюсов, равным числу полюсов основной обмотки. Для уменьшения сечения проводов якорных обмоток дополнительная сеть 13 снабжена ограничителем напряжения 15.

При размещении обмоток на статоре 3 дополнительная обмотка 14 имеет фазовый сдвиг относительно основной обмотки 9. Тем самым уменьшается суммарная размагничивающая сила статора 3 и увеличивается магнитная индукция в зазоре в нагруженных режимах.

В целях упрощения конструкции ограничителя напряжения дополнительная сеть 13 с ограничителем 15 снабжена выпрямителем 19. Реализация ограничителя напряжения 15 может быть двух типов - последовательного (фиг.5) и параллельного (фиг.6).

Диоды выпрямителя могут быть выполнены стабилитронами 20, например диодами Зенера. В этом случае сам выпрямитель 21 выполняет функции ограничителя напряжения и отдельная его конструкция не требуется. Это применено в конструкции, схема которой показана на фиг.2.

Другим вариантом регулирования напряжения дополнительной сети 13 является техническое решение, показанное на фиг.3. Оно предусматривает, что по крайней мере половина диодов выпрямителя 19, соединенных с отрицательным выходом выпрямителя, заменена тиристорами 22. Ограничитель напряжения заменен блоком управления 23, стабилизирующим напряжение сети, и каждый тиристор 22 подсоединен к блоку управления 23.

Роторный модуль включает установленный в подшипниковых опорах 4 вал 5 с вращающимся магнитопроводом 24. На магнитопроводе закреплен или выполнен за одно целое венец 25 несущих когтей 26. В промежутках между когтями 26 расположены навесные когти 27, объединенные в венец 28. Навесные когти 27 имеют фиксатор 29 от окружных и осевых перемещений. Фиксатор 29 выполнен минимум у двух когтей хотя бы одного венца. Оптимальный вариант - у двух диаметрально противоположных когтей. При этом фиксатор 29 представляет собой созданную из магнитопроводного материала перемычку между торцевой частью когтя 26 и прилежащей к ней поверхностью выемки между соседними когтями 27. На фиг.4 и 7 показано другое исполнение фиксатора 29 с измененными перемычками. Они выполнены из диамагнитного материала с удельным электрическим сопротивлением ниже, чем у материала когтей, и образуют сплошной замкнутый контур, охватывающий боковые поверхности навесных когтей со всех сторон, а прилежащие к каждой торцевой стороне когтей перемычки, соединены между собой так, что образуют замкнутые кольца 30. При этом фиксатор 29 образует демпфирующую асинхронную обмотку ротора, которая, взаимодействуя с высшими гармониками от различных сетей, перераспределяет электрическую мощность по сетям в зависимости от их загруженности.

Внутри венцов 25 и 28 несущих и навесных когтей соосно расположен закрепленный на корпусе модуль возбуждения с неподвижным магнитопроводом 31 и обмоткой возбуждения 7, расположенной внутри электроизолирующего каркаса (фиг.4).

Обмотка возбуждения выполнена так, что сердечник обмотки составляет две втулки с зазором 32. Одна из втулок 33 является частью неподвижного магнитопровода 31, а вторая втулка 34 - частью вращающегося 24.

Повышает компактность машины и то, что поверхности втулок 33 и 34, образующие зазор 32, выполнены в форме соосных конусов (фиг.4). На конце втулки 33 неподвижного магнитопровода 31 выполнен диск 35 из магнитопроводного материала, например, за одно целое с неподвижным магнитопроводом 31. Его наружная поверхность образует с поверхностью вращающегося магнитопровода 24 зазор 36, являющийся радиальным продолжением зазора 32. При этом площадь воздушного зазора между вращающимся 24 и неподвижным 31 магнитопроводами увеличивается, а следовательно, снижается его сопротивление магнитному потоку.

На фиг.4 показано следующее усовершенствование патентуемой генераторной установки. Каркасом обмотки возбуждения 7 является кольцевая поверхность 37 неподвижного магнитопровода 31, защищенная электроизоляционным покрытием, например лаком или грунтовкой. Это позволяет отказаться от отдельного электроизолирующего каркаса, перенеся его функции на неподвижный магнитопровод.

На фиг 4 показан в разрезе вариант компоновки заявляемой генераторной установки с удвоением роторного модуля и удвоением длины статора 3. В этом варианте роторныймодуль имеет симметрично себе второй тождественный роторный модуль, в результате чего ротор состоит из двух половин, расположенных по обе стороны плоскости симметрии, показанной линией А. Количество модулей возбуждения также удваивается. Статор 3 выполнен общим для обеих половин ротора. Такое удвоение значительно повышает компактность. Мощность генератора удваивается, а длина машины возрастает в среднем только на 25%. Дополнительным эффектом является снижение размеров ограничителя напряжения.

Статор 3 выполнен с числом пазов Z=2рm, где 2р - количество полюсов ротора, m - число фаз. При этом фазные обмотки хотя бы одной якорной обмотки уложены со сдвигом на один паз, а ближайшие друг к другу выводы попарно соединены. При этом повышается компактность размещения выводов якорных обмоток за счет их равномерного распределения по окружности. Схема выполнения одной такой якорной обмотки в 36-пазовом статоре в трехфазном варианте с равным шагом катушечных групп показана на фиг.9.

Следующими усовершенствованиями, направленными на повышение компактности полисетевой генераторной установки, являются варианты исполнения и соединения якорных обмоток статора.

По первому варианту (фиг.8) вся якорная обмотка 9 является началом одной сети, например основной 10, с наибольшим напряжением, а по крайней мере одна часть этой же обмотки служит началом второй электрической цепи 13 с меньшим напряжением.

По второму варианту (фиг.10) минимум одна пара якорных обмоток соединена друг с другом так, что первая обмотка соединена m-фазной "звездой", а фазные обмотки второй являются продолжениями их лучей.

По третьему варианту (фиг.11) минимум одна пара якорных обмоток соединены друг с другом так, что первая обмотка соединена m-фазным "треугольником", а фазные обмотки второй являются продолжениями их сторон.

По четвертому варианту (фиг.2 и 3) по крайней мере две электрические сети снабжены выпрямителями 19 или 21 и со стороны выпрямленного тока соединены последовательно.

По пятому варианту (фиг.2 и 3) якорная обмотка одной из электрических сетей, снабженных выпрямителями 19 или 21 и соединенных последовательно со стороны выпрямленного тока, соединена в треугольник, а вторая - в звезду.

Во всех этих вариантах происходит совмещение функций - один проводник обслуживает две и более сетей. Начиная со второго варианта у генераторной установки проявляется дополнительный эффект, позволяющий уменьшить мощность ограничителей напряжения 15 и снизить их габариты. Начиная с четвертого варианта, конструкция ограничителей напряжения 15 упрощается, что приводит к дополнительному снижению их размеров.

Вышеописанный второй пример реализации заявляемого изобретения осуществлен в виде действующих опытных образцов предельно компактных полисетевых генераторных установок (фиг.4). Она работает в следующем порядке. На вал 5 подают механическую энергию вращения от внешнего источника. Вращение передают на вал, например, через шкив 38, через муфту или любое иное кинематическое средство. Вал 5 приводит в движение вращающийся магнитопровод 24 и выполненные на нем венец 25 несущих когтей и венец 28 навесных когтей.

За счет остаточной намагниченности магнитопровода и когтей или в результате подачи пускового импульса тока на обмотку возбуждения 7 в когтях возникает начальный магнитный поток, который, "сцепляясь" с якорными обмотками 9 и 14 статора 3, наводит в них ЭДС. Этот начальный ток через регулятор напряжения 11 и в некоторых вариантах выпрямитель 19 (фиг.2) подводится к выводным клеммам 12. От них часть тока идет потребителю, а другая часть через регулятор напряжения 11 подается на выводы 39 обмотки возбуждения 7. Регулятор напряжения 11 управляет силой тока в параллельной обмотке возбуждения для стабилизации напряжения электрического тока, направляемого потребителю основной сетью.

Электрический ток в обмотке возбуждения 7 индуцирует в ее сердечнике однонаправленный магнитный поток. При выходе из сердечника магнитный поток раздваивается. Одно направление идет по магнитопроводу 24 к периферии и к несущим когтям 26, а другое через воздушный зазор 32 в сердечнике по неподвижному магнитопроводу 31 через зазор 40 в венец навесных когтей 28 и непосредственно в навесные когти 27. При этом на несущих когтях 26 образуется один магнитный полюс, а на навесных когтях 27 - другой полюс.

При вращении ротора сквозь все якорные обмотки 9 и 14 протекает один и тот же магнитный поток чередующейся полярности. Во всех якорных обмотках наводится ЭДС. Нагрузка генератора может быть различной и по мощности нагружения сетей и по распределению нагрузки между сетями. Во всех случаях регулятор напряжения 11 обеспечивает стабильность напряжения основной сети 10. При равномерном нагружении сетей, т. е. при равном отношении нагрузок к располагаемой мощности сети, обеспечивается стабилизация напряжения по всем сетям. Однако при значительных перекосах загруженности сетей напряжение на дополнительных сетях 13, не оборудованных ограничителем напряжения 15, может повышаться до значения на 30% большего номинального. Такие сети могут использоваться для нагрузок, не боящихся скачков напряжения. Для более ответственных нагрузок сети снабжают ограничителями напряжения 15, например такими, схемы которых приведены на фиг.5 и 6. Они работают следующим образом. Система управления 16 отслеживает напряжение дополнительной сети 13 и при превышении номинала она подает управляющий сигнал на силовой ключ 17, который замыкает сеть на регулирующее сопротивление 18. Оно нагружает сеть и компенсирует перекос нагрузок. При наличии выпрямителя 21 функции ограничителя напряжения могут выполнять стабилитроны 20. При этом ограничение напряжения осуществляется автоматически. Применение стабилитронов 20 исключает появление дополнительных пульсаций напряжения. Примером реализации таких стабилитронов 20 являются диоды Зенера. Наличие ограничителя напряжения, в самом худшем случае, уменьшает КПД генераторной установки на 1-2% процента.

Другим вариантом регулирования напряжения дополнительной сети 13, позволяющим реализовывать большие электрические мощности, является техническое решение, показанное на фиг.3. Оно работает следующим образом. Блок управления 23 отслеживает напряжение сети 13 и при меньшем напряжении формирует сигналы на управляющие электроды тиристоров 22 на их открытие. При этом тиристоры 22 работают как обычные диоды и их сопротивление электрическому току низкое. При превышении напряжения над номиналом блок управления 23 не подает управляющего сигнала на тиристоры 22, и они остаются закрытыми. При этом электрический ток течет в цепи через закрытые тиристоры 22, которые в этом режиме имеют значительно высокое сопротивление. Соответственно напряжение на выходе выпрямителя снижается.

Охлаждение генераторной установки осуществляется, например, вентилятором 41, который может быть расположен на валу 5, как показано на фиг.1, или на роторе 6, как показано на фиг.4.

Электроток для питания обмотки возбуждения 7 подается в первом варианте конструкции, например, через щетки 42 на кольцевые контакты 43 на валу 5 (фиг.1), а во втором варианте непосредственно по проводам (фиг.4).

В полисетевой генераторной установке существует специфика определения мощности, Мощность, определяемая при одновременной и равномерной загрузке сетей, называется полная мощность, а общая сумма мощностей, получаемая при поочередном нагружении каждой сети в отдельности, называется суммарной мощностью. Как правило, суммарная мощность превышает полную в 2 и более раза. Этот эффект осуществляется из-за способности к глубокому перераспределению энергии между сетями в заявляемой полисетевой генераторной установке. В прототипе и аналоге вышеуказанный эффект не реализуется.

Настоящей заявкой патентуется полисетевая генераторная установка в двух вариантах. По первому варианту на основе синхронной машины с контактными кольцами, а по второму на основе бесщеточной синхронной электрической машине. Из патентуемых 18 п.п. все реализованы в работающих опытных образцах.

Испытания опытных образцов заявляемой электрической машины доказали не только работоспособность всех патентуемых существенных отличий, но и явную технико-экономическую эффективность объекта в целом.

Объект заявки изготавливался в опытных образцах как выполняющий функции автомобильного генератора, трехфазного генератора общепромышленного назначения и генератора сварочного тока. Опытные образцы охватывают диапазон мощностей от 0,5 кВт до 14 кВт.

Источники информации

1. А.с. СССР N 1385199, Н 02 К 19/34 - аналог.

2. А.с. СССР N 974516, Н 02 К 19/34, 47/24 - прототип.