электрогенератор

Формула изобретения

1. Электрогенератор, содержащий ротор и статор, ротор состоит из обода с закрепленными на нем отдельными сердечниками с полюсными наконечниками и катушками обмотки возбуждения, подключенными к источнику постоянного тока, статор состоит из корпуса с закрепленными на нем отдельными сердечниками с полюсными наконечниками и катушками рабочей обмотки, подключенными через последовательно соединенные выпрямитель, буферный накопитель, инвентор и согласующий трансформатор к выходным клеммам, число сердечников ротора и статора одинаковое, рабочие поверхности полюсных наконечников статора и ротора, выполненные соответственно по дугам двух радиусов, проведенных из центра ротора, обращены друг к другу и установлены с зазором друг относительно друга, катушки обмотки возбуждения и рабочей обмотки соединены между собой соответственно с образованием чередующихся магнитных полюсов, а сердечники выполнены из ферромагнитного материала с индукцией насыщения более 1 тесла при напряженности магнитного поля, меньшей 250 А/м.

2. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что источник постоянного тока выполнен в виде трансформатора, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке согласующего трансформатора, вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель подключена к последовательно соединенным обмотке подмагничивания и обмотке возбуждения, а трансформатор выполнен из броневого сердечника, одна половина которого содержит первичную обмотку и закреплена на корпусе статора, а вторая половина броневого сердечника закреплена на ободе ротора и содержит вторичную обмотку и обмотку подмагничивания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрогенераторах.

Известен синхронный генератор, содержащий ротор и статор, ротор состоит из обода с закрепленными на нем отдельными сердечниками с полюсными наконечниками и катушками обмотки возбуждения, подключенными к источнику постоянного тока, статор состоит из корпуса с закрепленным в нем сердечником и катушками рабочей обмотки, а все сердечники выполнены из магнитного материала (Пиотровский Л.М. “Электрические машины”, Ленинград, Энергия, 1972, с.383-384).

Известен синхронный генератор, содержащий ротор и статор, ротор состоит из обода с закрепленными на нем отдельными сердечниками с полюсными наконечниками и катушками обмотки возбуждения, подключенными к источнику постоянного тока, статор состоит из корпуса с закрепленным в нем сердечником и катушками рабочей обмотки, а все сердечники выполнены из магнитного материала (М.М. Кацман. “Электрические машины”, М., “Высшая школа”, 1983 г., с.223, 224, 226, 227, ближайший аналог).

Недостатком обоих известных синхронных генераторов является их большая масса и габариты вследствие того, что не обеспечивается постоянный зазор между полюсными наконечниками ротора и статора, что приводит к потерям магнитной индукции от ротора к статору.

Кроме того, вследствие того, что электрогенератор не предназначен для работы при индукции насыщения, используемая магнитная индукция меньше максимально возможной, что приводит к увеличению массово-габаритных характеристик.

Также в электрогенераторе отсутствует подавление вторичной индукции от статора нагруженного электрогенератора на ротор, что приводит к увеличению массово-габаритных характеристик.

В основу изобретения поставлена задача создания электрогенератора, имеющего уменьшенные массово-габаритные характеристики вследствие уменьшения энергетических потерь.

Задача создания электрогенератора решается тем, что электрогенератор содержит ротор и статор, ротор состоит из обода с закрепленными на нем отдельными сердечниками с полюсными наконечниками и катушками обмотки возбуждения, подключенными к источнику постоянного тока, статор состоит из корпуса с закрепленным на нем сердечником и катушками рабочей обмотки, а все сердечники выполнены из магнитного материала, согласно изобретению он дополнительно содержит подключенные к катушкам рабочей обмотки через последовательно соединенные выпрямитель, буферный накопитель, инвертор и согласующий трансформатор выходные клеммы, число сердечников ротора и статора одинаковое, рабочие поверхности полюсных наконечников статора и ротора, выполненные соответственно по дугам двух радиусов, проведенных из центра ротора, обращены друг к другу и установлены с зазором друг относительно друга, катушки обмотки возбуждения и рабочей обмотки соединены между собой соответственно с образованием чередующихся магнитных полюсов, а сердечники выполнены из ферромагнитного материала с индукцией насыщения более 1 тесла при напряженности магнитного поля, меньшей 250 а/м.

Дополнительное подключение к катушкам рабочей обмотки через последовательно соединенные выпрямитель, буферный накопитель, инвертор и согласующий трансформатор выходных клемм позволяет получить переменный синусоидальный ток промышленной частоты из возбуждаемого в рабочих обмотках статора переменного тока прямоугольной формы.

Одинаковое число сердечников ротора и статора и соединение катушек обмотки возбуждения и рабочей обмотки между собой соответственно с образованием чередующихся магнитных полюсов обеспечивает функционирование устройства и реализацию его назначения.

Выполнение рабочих поверхностей полюсных наконечников статора и ротора соответственно по дугам двух радиусов, проведенных из центра ротора, обращенных друг к другу и установленных с зазором друг относительно друга, обеспечивает уменьшение потерь магнитной индукции от ротора к статору, поскольку магнитное сопротивление постоянного зазора меньше, чем переменного зазора, а уменьшение величины зазора приводит к увеличению в статоре магнитного потока и, следовательно, создаваемой энергии. Кроме того, создание постоянного зазора между полюсными наконечниками ротора и статора обеспечивает создание линейной зависимости магнитного потока от угла поворота ротора, что приводит к созданию прямоугольной кривой изменения переменного тока, приводящей в свою очередь к уменьшению реактивного тока в статоре, снижающего потери и обеспечивающего меньшую массу и габариты статора.

Выполнение сердечников ротора и статора из ферромагнитного материала с индукцией насыщения более 1 тесла при напряженности магнитного поля менее 250 а/м обеспечивает достижение магнитной индукции насыщения катушками с небольшим количеством ампер-витков, приводящее к уменьшению массово-габаритных характеристик электрогенератора.

Другой задачей изобретения может быть создание электрогенератора с самовозбуждением, в котором также обеспечивается снижение массово-габаритных характеристик вследствие уменьшения энергетических потерь.

Выполнение источника постоянного тока в виде трансформатора, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке согласующего трансформатора, подключение вторичной обмотки трансформатора через выпрямитель к последовательно соединенным обмотке подмагничивания и обмотке возбуждения, выполнение трансформатора из броневого сердечника, одна половина которого содержит первичную обмотку и закреплена на корпусе статора, а вторая половина броневого сердечника закреплена на ободе ротора и содержит вторичную обмотку и обмотку подмагничивания, позволяет при прохождении тока возбуждения через обмотку подмагничивания стабилизировать ток возбуждения, поступающий через выпрямитель, подавляя вторичную индукцию, возникающую в катушках обмотки возбуждения вращающегося ротора от влияния магнитной индукции статора, и возникающие от этого потери магнитной индукции. Подавление вторичной индукции приводит к сохранению магнитной индукции ротора при нагруженном статоре и уменьшает магнитное сопротивление его вращению, что обеспечивает при создании одной и той же мощности уменьшение количества ампер-витков катушек и, следовательно, уменьшение массово-габаритных характеристик.

На фиг.1 изображен поперечный разрез электрогенератора; на фиг.2 - продольный разрез электрогенератора с самовозбуждением; на фиг.3 - сердечники ротора и статора с полюсными наконечниками; на фиг.4 - электрическая схема электрогенератора с источником постоянного тока; на фиг.5 - электрическая схема электрогенератора с самовозбуждением.

Электрогенератор содержит ротор 1 и статор 2. Ротор 1 состоит из обода 3 с закрепленными на нем отдельными сердечниками 4 с полюсными наконечниками 5 и катушками 6 обмотки возбуждения 7, подключенными к источнику постоянного тока 8. В ободе 3 выполнены продольные прорези 9.

Статор 2 состоит из корпуса 10 с закрепленными на нем отдельными сердечниками 11 с полюсными наконечниками 12 и катушками 13 рабочей обмотки 14, подключенными через последовательно соединенные выпрямитель 15, буферный накопитель 16, инвертор 17 и согласующий трансформатор 18 к выходным клеммам 19.

В корпусе 10 выполнены продольные прорези 20. Число сердечников 4 и 11 ротора 1 и статора 2 одинаковое и четное. Рабочие поверхности 21 и 22 полюсных наконечников 5 и 12 выполнены соответственно по дугам двух радиусов, проведенных из центра ротора 1 и совпадающего с ним центра статора 2, обращены друг к другу и установлены с зазором 23 друг относительно друга. Катушки 6 и 13 обмотки возбуждения 7 и рабочей обмотки 14 соединены между собой соответственно с образованием чередующихся магнитных полюсов. Сердечники 4 и 11 могут иметь прямоугольное поперечное сечение. Вал 32 жестко связан с ротором 1 и предназначен для вращения ротора 1 от двигателя.

Между полюсными наконечниками 5 и 12 ротора 1 и статора 2 соседних катушек 6 и 13 имеется постоянный зазор 23, достаточный для прохождения охлажденного воздуха. Продольные прорези 9 и 20 предназначены для прохождения охлаждающего воздуха. Роль вентилятора охлаждения выполняют катушки 6 ротора 1, при вращении которого они работают как лопатки, засасывая воздух снаружи через прорези 20 корпуса 10 и прогоняя его через зазоры между катушками 6 и 13 к прорезям корпуса 10 и через них наружу.

Сердечники 4 и 11 ротора 1 и статора 2 изготовлены из ферромагнитного материала с индукцией насыщения более 1 тесла при напряженности магнитного поля менее 250 а/м, например из пермаллоя марки 50 Н.

Обод 3 ротора 1 и корпус 10 статора 2 выполняют функцию замыкателей магнитопроводов и поэтому выполняются из конструкционной стали.

В электрогенераторе с самовозбуждением источник постоянного тока 8 может быть выполнен в виде трансформатора 24, первичная обмотка 25 которого подключена к вторичной обмотке согласующего трансформатора 18. Вторичная обмотка 26 трансформатора 24 через выпрямитель 27 подключена к последовательно соединенным обмотке подмагничивания 28 и обмотке возбуждения 7, а трансформатор 24 выполнен из броневого сердечника, первая половина броневого сердечника выполнена в виде кольцевой чашки 29, содержит первичную обмотку 25 и закреплена на корпусе 10 статора 2, а вторая половина броневого сердечника также выполнена в виде кольцевой чашки 30, размещенной полостью к полости к первой кольцевой чашке 29 с зазором 31 между ними, и закреплена на ободе 3 ротора 1 и вале 32 и содержит вторичную обмотку 26 и обмотку подмагничивания 28.

Электрогенератор работает следующим образом.

При вращении ротора 1 от вала 32 постоянный ток поступает от источника постоянного тока 8 в катушки 6 обмотки возбуждения 7. Магнитное поле создается магнитодвижущими силами катушек 6 обмотки возбуждения 7. Магнитный поток проходит через равномерный зазор 23 между полюсными наконечниками 5 и 12, сцепляется с катушками 13 рабочей обмотки 14 статора 2 и создает магнитодвижущую силу статора 2, наводя в статоре ЭДС.

На рабочей обмотке 14 статора 2 обеспечивается прямоугольная кривая изменения тока. Далее ток поступает на выпрямитель 15, буферный накопитель 16, инвертор 17, согласующий трансформатор 18, создающие переменный синусоидальный ток промышленной частоты необходимого напряжения, и на выходные клеммы 19 к потребителю.

Выполнение рабочих поверхностей 21 и 22 полюсных наконечников 4 и 10 соответственно по дугам двух радиусов, проведенных из центра ротора 1, обращение рабочих поверхностей 21 и 22 друг к другу и установка с зазором 23 друг относительно друга обеспечивает создание постоянного минимального зазора, который в свою очередь обеспечивает уменьшение потерь магнитной индукции от ротора 1 к статору 2 и увеличение магнитного потока на статоре 2 и требует для создания определенной величины напряжения меньших массы и габаритов.

Прямоугольная кривая изменения тока обеспечивается путем создания линейной зависимости магнитного потока от угла поворота ротора 1, которая в свою очередь достигается путем обеспечения постоянства зазора 23 между полюсными наконечниками 5 и 12 ротора 1 и статора 2.

Выполнение сердечников 4 и 10 ротора 1 и статора 2 из ферромагнитного материала с индукцией насыщения более 1 тесла при напряженности магнитного поля менее 250 а/м обеспечивает достижение магнитной индукции насыщения катушками с небольшим количеством ампер-витков, приводящее к уменьшению массово-габаритных характеристик электрогенератора.

В варианте выполнения электрогенератора с самовозбуждением энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от выходных клемм 19 статора 2 через трансформатор 24 и посредством выпрямителя 27 преобразуется в энергию постоянного тока. Ротор 1 питается стабилизированным по величине постоянным током, поступающим через выпрямитель 27 с вторичной обмотки 26 трансформатора 24. Для стабилизации ток возбуждения пропускается через обмотку возбуждения 7 трансформатора 24. Трансформатор 24 должен быть рассчитан для работы на падающем участке зависимости магнитной проницаемости от магнитного поля.

Вследствие закрепления первой половины броневого сердечника трансформатора 24 с первичной обмоткой 25 на корпусе 10 статора 2 первичная обмотка 25 остается неподвижной, а вторая половина броневого сердечника, закрепленная на ободе 3 ротора 1 и вале 32, вращается вместе с ними.

Выполнение источника постоянного тока в виде трансформатора 24, первичная обмотка 25 которого подключена к вторичной обмотке согласующего трансформатора 18, подключение вторичной обмотки 26 трансформатора 24 через выпрямитель 27 к последовательно соединенным обмотке подмагничивания 28 и обмотке возбуждения 7, и выполнение трансформатора 24 из броневого сердечника, одна половина которого содержит первичную обмотку 25 и закреплена на корпусе 10 статора 2, а вторая половина броневого сердечника закреплена на ободе 3 ротора 1 и содержит вторичную обмотку 26 и обмотку подмагничивания 24 позволяет отбирать энергию переменного тока от вторичной обмотки согласующего трансформатора 30 на статоре 2, подавая ее через вращающуюся вместе с ротором 1 вторичную обмотку 26 трансформатора 24, выпрямитель 27 и обмотку подмагничивания 28 на обмотку возбуждения 7 ротора 1. Обмотка подмагничивания 28 стабилизирует ток возбуждения, поступающий через выпрямитель 27, подавляя вторичную индукцию, возникающую в катушках 6 обмотки возбуждения 7 вращающегося ротора 1 от влияния магнитной индукции статора 2 и возникающие от этого потери магнитной индукции. Подавление вторичной индукции приводит к сохранению магнитной индукции ротора 1 при нагруженном статоре 2 и уменьшает магнитное сопротивление его вращению, что обеспечивает при создании одной и той же мощности уменьшение количества ампер-витков катушек и, следовательно, уменьшение массово-габаритных характеристик.

Проведены успешные испытания электрогенератора, построенного по описанным принципам.