узел электрического генератора, состоящий из генератора и поршневого двигателя внутреннего сгорания в качестве привода

Формула изобретения

1. Узел электрического генератора, состоящий из генератора и поршневого двигателя внутреннего сгорания в качестве привода, в частности из синхронного генератора и дизельного двигателя, содержащий постоянные магниты для возбуждения генератора, расположенные в роторе генератора в полюсной области, и якорную обмотку (28) в статоре, причем в полюсных областях ротора (29) образованы в осевом направлении приемные карманы (34), открытые по меньшей мере с одной стороны и граничащие цилиндрической окружной стенкой (50) с воздушным зазором (33), образованным со статором (11), а постоянные магниты полюсных областей образованы каждый множеством магнитных элементов (35), расположенных рядом друг с другом в окружном направлении внутри приемных карманов (34), отличающийся тем, что приемные карманы (34) удлинены в окружном направлении в обе стороны наружу за соответствующий последний магнитный элемент (35) с образованием свободного пространства (48).

2. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что магнитные элементы (35) расположены в приемных карманах (34) по меньшей мере в два ряда друг за другом в осевом направлении.

3. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что ротор (29) выполнен в виде наружного ротора.

4. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что приемные карманы (34) выполнены открытыми насквозь в осевом направлении, а толщина окружной стенки (50) соответствует примерно половине радиальной толщины магнитных элементов (35).

5. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что окружная стенка (50) продолжается в области свободного пространства (48), а ее толщина выбрана с учетом размеров свободного пространства (48) таким образом, что при внезапном коротком замыкании размагничивание крайних магнитных элементов (35) не происходит.

6. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что приемные карманы (34) граничат радиальной перемычкой (51) с межполюсным сегментом (52) ротора (29).

7. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что радиальные внутренние поверхности приемных карманов (34) выполнены в виде многогранника в соответствии с формой магнитных элементов (35).

8. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере на внутренней поверхности приемных карманов (34), расположенной напротив окружной стенки (50), предусмотрены ребра (53), проходящие в осевом направлении и определяющие расстояния между соседними магнитными элементами (35).

9. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что осевая ширина ротора (29) соответствует примерно удвоенной длине магнитного элемента (35).

10. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что магнитные элементы (35) закреплены на внутренней поверхности приемных карманов (34) с помощью клея.

11. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что приемные карманы (34) на своих расположенных противоположно в осевом направлении торцевых сторонах закрыты крышками.

12. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что приемные карманы (34) разделены разделительными стенками, проходящими в осевом направлении, на отдельные вдвижные секции, примерно соответствующие каждая поперечному сечению магнитного элемента (35).

13. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что магнитные элементы (35) в поперечном сечении имеют прямоугольную форму.

14. Узел электрического генератора по п.1, отличающийся тем, что магнитные элементы (35) выполнены в поперечном сечении в виде кольцевых сегментов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к узлу электрического генератора, состоящему из генератора и поршневого двигателя внутреннего сгорания в качестве привода, в частности из синхронного генератора и дизельного двигателя, содержащему постоянные магниты для возбуждения генератора, расположенные в роторе генератора в полюсной области, и якорную обмотку в статоре.

Узел электрического генератора такого типа в сочетании с насосным агрегатом описан в DE 19721527.

Электрические машины с постоянным возбуждением имеют, как правило, постоянные магниты, которые для каждого полюса состоят из одной детали. В известном генераторе каждый постоянный магнит имеет форму сегмента цилиндрической оболочки, который в полюсной области граничит с воздушным зазором, образованным со статором.

Такие постоянные магниты в виде оболочки вряд ли можно изготовить экономично, во всяком случае с размерами, которые требуются для генераторов мощностью свыше 5 кВт. Монтаж такого выполненного в виде одной детали постоянного магнита возможен только в его ненамагниченном состоянии из-за больших магнитных сип, не допускающих выполнения обычных манипуляций. Намагничивание нужно производить после, на полностью смонтированном роторе, что связано с большими затратами времени. Кроме того, при транспортировке больших постоянных магнитов существует опасность их повреждения из-за хрупкости их материала.

Известен узел электрического генератора, состоящий из генератора и поршневого двигателя внутреннего сгорания в качестве привода, в частности из синхронного генератора и дизельного двигателя, содержащий постоянные магниты для возбуждения генератора, расположенные в роторе генератора в полюсной области, и якорную обмотку в статоре, причем в полюсных областях ротора образованы в осевом направлении приемные карманы, открытые по меньшей мере с одной стороны и граничащие цилиндрической окружной стенкой с воздушным зазором, образованным со статором, а постоянные магниты полюсных областей образованы каждый множеством магнитных элементов, расположенных рядом друг с другом в окружном направлении внутри приемных карманов (см. US 4742258 А, Н 02 K 1/24, 03.05.88).

Недостаток этого известного узла электрического генератора состоит в том, что в случае так называемого внезапного короткого замыкания очень высокая плотность тока в области крайних магнитных элементов может привести к их размагничиванию и тем самым выходу их из строя.

В основу изобретения положена задача узел электрического генератора указанного типа, в котором предотвращается размагничивание крайних магнитных элементов в результате короткого замыкания.

Поставленная задача решается тем, что в узле электрического генератора, состоящем из генератора и поршневого двигателя внутреннего сгорания в качестве привода, в частности из синхронного генератора и дизельного двигателя, содержащем постоянные магниты для возбуждения генератора, расположенные в роторе генератора в полюсной области, и якорную обмотку в статоре, причем в полюсных областях ротора образованы в осевом направлении приемные карманы, открытые по меньшей мере с одной стороны и граничащие цилиндрической окружной стенкой с воздушным зазором, образованным со статором, а постоянные магниты полюсных областей образованы каждый множеством магнитных элементов, расположенных рядом друг с другом в окружном направлении внутри приемных карманов, согласно изобретению приемные карманы удлинены в окружном направлении в обе стороны наружу за соответствующий последний магнитный элемент с образованием свободного пространства.

Благодаря удлинению приемных карманов в окружном направлении в обе стороны наружу за соответствующий последний магнитный элемент достигается изменение направления магнитного потока, что позволяет в случае внезапного короткого замыкания избежать размагничивания крайних магнитных элементов и выхода их из строя.

Магнитные элементы могут быть расположены в приемных карманах по меньшей мере в два ряда друг за другом в осевом направлении.

Ротор может быть выполнен в виде наружного ротора. Однако ротор с магнитными элементами может быть выполнен и в виде внутреннего ротора, и в этом случае якорная обмотка находится в статоре, расположенном снаружи.

Приемные карманы предпочтительно выполнены открытыми насквозь в осевом направлении, а толщина окружной стенки соответствует примерно половине радиальной толщины магнитных элементов.

В этом случае установку магнитных элементов в приемные карманы можно производить с одной или обеих торцевых сторон ротора. Выполнение приемных карманов открытыми насквозь в осевом направлении позволяет расположить в них магнитные элементы в осевом направлении по меньшей мере в два ряда. Путем выбора размеров магнитных элементов, их количества и расположения можно получить любые параметры магнитного потока. С этой целью магнитные элементы могут быть расположены с большей или меньшей плотностью рядом друг с другом или они могут быть расположены в один или два или даже в несколько рядов в осевом направлении. При выборе их размеров следует в особенности обратить внимание на радиальную толщину, которая в значительной степени определяет плотность магнитного потока. Напротив, длина и ширина магнитных элементов менее критичны для магнитного сопротивления, которое сильно зависит не только от радиальных размеров магнитных элементов, но и от их количества, т.е. от длины дуги оснащенных магнитными элементами приемных карманов. Можно также легко изменять величину напряжения возбуждения, помещая меньшее количество магнитных элементов с одинаковыми размерами, так что между соседними магнитными элементами образуются более или менее большие промежутки. Эти промежутки могут быть при необходимости заполнены деталями из пластмассы, которые играют роль распорок.

Что касается формы магнитных элементов, то может оказаться целесообразным определять их длину по осевому размеру ротора, например, осевая ширина ротора может быть в несколько раз, например в два раза, больше длины одного магнитного элемента.

Окружная стенка предпочтительно продолжается в области свободного пространства, а ее толщина выбрана с учетом размеров свободного пространства таким образом, что при внезапном коротком замыкании размагничивания крайних магнитных элементов не происходит.

Целесообразно, чтобы приемные карманы граничили радиальной перемычкой с межполюсным сегментом ротора.

Радиальные внутренние поверхности приемных карманов могут быть выполнены в виде многогранника в соответствии с формой магнитных элементов.

Для облегчения монтажа магнитных элементов предпочтительно, чтобы по меньшей мере на внутренней поверхности приемных карманов, расположенной напротив окружной стенки, были предусмотрены ребра, проходящие в осевом направлении и определяющие расстояния между соседними магнитными элементами.

Осевая ширина ротора может соответствовать примерно удвоенной длине магнитного элемента.

Магнитные элементы удерживаются в своих монтажных положениях большими магнитными силами. Может оказаться целесообразным дополнительно закреплять их на внутренней поверхности приемных карманов с помощью клея или закрывать приемные карманы с их противоположных в осевом направлении торцевых сторон соответствующими крышками из металла или пластмассы.

Для упрощения монтажа или из соображений, связанных со статикой, целесообразно, чтобы приемные карманы были разделены разделительными стенками, проходящими в осевом направлении, на отдельные вдвижные секции, примерно соответствующие каждая поперечному сечению магнитного элемента.

Магнитные элементы в поперечном сечении могут иметь прямоугольную форму или могут быть выполнены в виде кольцевых сегментов. В случае прямоугольного поперечного сечения магнитных элементов предпочтительно, чтобы радиальные внутренние поверхности приемных карманов были выполнены в виде многогранников, так что магнитные элементы в форме прямоугольных параллелепипедов будут прилегать своими большими гранями к поверхностям многогранника.

Далее описан вариант выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых

фиг.1 изображает узел "двигатель-генератор" в осевом разрезе по линии I-I на фиг.2,

фиг.2 - статор и ротор указанного узла в разрезе по линии II-II на фиг.1,

фиг.3 - частичный вид статора в осевом направлении согласно фиг.2 в увеличенном масштабе,

фиг.4 - ротор с постоянными магнитами в аксонометрии и

фиг.5 - регулятор напряжения в разрезе по линии V-V на фиг.1.

Показанная на фиг.1-3 электрическая машина, образующая электрический генератор, представляет собой узел, состоящий из приводного двигателя и синхронного генератора. В качестве приводного двигателя предпочтительно используется дизельный двигатель, у которого показан штриховыми линиями только выходной конец его коленчатого вала 1. с торцевой стороны на коленчатом валу 1 при помощи винтов 3 установлено колесо 2 вентилятора, имеющее набор 4 лопаток для создания воздушного потока по стрелке S1 для охлаждения двигателя. Охлаждающий воздух выходит по стрелке S2 из корпуса 8 генератора после его охлаждения. Как видно на фиг.1, предусмотренная на стороне отвода тока крышка 9 корпуса генератора имеет всасывающие отверстия для охлаждающего воздуха, поступающего по стрелкам L. Для того чтобы этот поток охлаждающего воздуха обеспечивал в корпусе 8 генератора эффективное охлаждение, защитный кожух 14 имеет одно или несколько входных отверстий (не показаны) соответствующих размеров для охлаждающего воздуха.

Соединительный корпус 5, находящийся со стороны двигателя, окружает снаружи в радиальном направлении пространство, в котором размещено колесо 2 вентилятора. Соединительный корпус 5 открыт с обеих сторон и имеет на стороне, расположенной противоположно двигателю, кольцевой фланец 6 с резьбовыми отверстиями под крепежные винты 7 для присоединения выполненного предпочтительно из листового металла цилиндрического корпуса 8 генератора, так что этот корпус зажат по обеим торцевым сторонам по плоскости. Крепежные винты 7 установлены вблизи внутренней стороны корпуса 8 генератора, распределены по окружности и зажимают корпус, проходя по всей его длине. На конце корпуса 8 генератора, находящейся со стороны отвода тока (на чертеже - левой конце), предусмотрена крышка 9 корпуса генератора, имеющая внутреннее кольцо 10 на выступающих радиально внутрь спицах, на котором закреплен статор 11 генератора. Концы стержней крепежных винтов 7, находящиеся со стороны отвода, проходят через отверстия в крышке 9 корпуса генератора и на их свободные резьбовые концы 12 навинчены резьбовые пальцы 13, служащие для крепления корпуса 8 генератора на крышке 9 корпуса генератора, а также для крепления защитного кожуха 14 при помощи коротких винтов 15. Винты 15 ввинчены снаружи через соответствующие отверстия в защитном кожухе 14 в резьбовые отверстия обращенных к ним концов резьбовых пальцев 13. Защитный кожух 14 охватывает снаружи своим краевым участком 16, образующим открытый конец, соответствующий свободный конец крышки 9 корпуса генератора.

В то время как в рассмотренном примере имеется восемь распределенных по окружности крепежных винтов 7, для крепления статора на внутреннем кольце 10 крышки достаточно шести статорных винтов 17, которые пропущены через отверстия в пакете листов наружной части 19 статора и привинчены к внутреннему кольцу 10 крышки через промежуточные втулки 20, расположенные между внутренним кольцом 10 крышки и обращенной к нему стороной наружной части 19 статора. Таким образом, наружная часть 19 статора жестко зафиксирована относительно корпуса, а образующий ее пакет листов стянут статорными винтами 17.

Пакет листов, образующий внутреннюю часть 21 статора, установлен на полом валу 24 с фиксацией от проворачивания. Полый вал 24 соединен через свой концевой колпачок 60 с расположенным по оси вала и установленным с предварительным напряжением торсионным стержнем 46. Концевой колпачок 60 установлен с возможностью поворота на опорных втулках 47 в опорных фланцах 26 щитков 22, которые расположены на противоположных торцевых сторонах пакета листов. Конец торсионного стержня 46, расположенный противоположно концевому колпачку 60, зафиксирован относительно корпуса через жесткую стержневую опору 44, крепежная проушина 61 которой насажена на винт 62, стягивающий пакет листов ярма 42. Щитки 22 закрывают управляющий воздушный зазор 23 между внутренней частью 21 статора и его наружной частью 19. Поскольку пакет листов, образующий внутреннюю часть 21 статора, закреплен на полом валу 24 с фиксацией от проворачивания, его поворот используется для требуемой стабилизации напряжения генератора. Смещение внутренней части 21 статора относительно его наружной части 19 с целью регулирования напряжения генератора будет подробно описано ниже.

На фиг.2, где для лучшей наглядности показанная на фиг.1 изолирующая пластина 25 удалена, изображен не только контур пакета листов, образующего ротор 29, но и такие же пакеты листов, образующие статор, которые в области наружной части 19 статора имеют вырезы 38 для размещения трехфазной токовой обмотки 28 генератора. Наружная часть 19 статора закреплена на показанном на фиг.1 внутреннем кольце 10 крышки при помощи статорных винтов 17, пропущенных через отверстия 39 в ее пакете листов. В соответствии с выбранным направлением разреза видны также промежуточные втулки 20, установленные между пакетом листов наружной части 19 статора и внутренним кольцом 10 крышки.

Три фиксирующих винта 27 служат для центрирования внутренней части 21 статора внутри его наружной части 19 при помощи боковых щитков 22, в опорных фланцах 26 которых установлен полый вал 24 с пакетом листов внутренней части 21 статора.

Снаружи, в области управляющего воздушного зазора 23, щитки 22 закрыты изолирующей пластиной 25, служащей для электрической изоляции трехфазной токовой обмотки 28 генератора и трех расположенных по окружности фиксирующих винтов 27 от щитка 22. Фиксирующие винты 27 проходят через отверстия в пакете листов, образующей наружную часть 19 статора. Они изолированы от пакета листов при помощи изоляционных втулок и центрируют через щитки 22 внутреннюю часть 21 статора относительно его наружной части 19.

Статор 11 окружен ротором 29, который тоже выполнен из пакета листов, стянутого стяжными винтами 30, которые ввинчены резьбовыми концами 31, находящимися со стороны двигателя, в соответствующие резьбовые отверстия колеса 2 вентилятора. Между колесом вентилятора и ротором 29 зажаты опорные втулки 32, надетые на стяжные винты 30. Тем самым ротор 29 соединен с колесом 2 вентилятора с фиксацией от проворачивания. Своей внутренней окружной поверхностью ротор образует со статором 11 узкий воздушный зазор 33 шириной примерно 2 мм. Ротор 29 имеет карманы 34, проходящие в осевом направлении примерно в форме цилиндра внутри двух полюсных сегментов. В эти карманы 34 с обеих сторон вставлены магнитные элементы 35 в виде узких брусообразных стержней. В данном примере, как видно на фиг.2, на полюс приходится по два ряда из десяти расположенных рядом друг с другом магнитных элементов 35, которые требуются для магнитного возбуждения генератора. В области карманов 34 внутренний контур 36 окружной стенки 50 ротора 29, ограничивающей карманы 34 в радиальном направлении внутрь, вместе с наружным контуром 37 статора 11 ограничивают узкий воздушный зазор 33. Отверстия 40 в пакете листов ротора служат для установки пускового устройства (не показано).

Согласно фиг.2 и 4 магнитные элементы 35 вставляются в карманы 34 в осевом направлении, где они, плотно прилегая друг к другу, располагаются в виде многогранника, образуя два полюса. Разделение постоянных магнитов полюсов на маленькие магнитные элементы 35 делает возможным экономичное изготовление постоянных магнитов. Монтаж постоянных магнитов существенно облегчается благодаря соответствующему магнитному обратному замыканию 49, которое практически исключает взаимное отталкивание соседних магнитных элементов 35. Отдельные магнитные элементы 35 могут вдвигаться в карманы 34 практически без усилий. При этом нет необходимости в специальном креплении магнитных элементов 35, так как при работе они удерживаются в осевом направлении своими магнитными силами и удерживаются в карманах в радиальном направлении, так что они легко могут выдерживать центробежные силы, возникающие при работе.

Как видно на фиг.4, изображающей в аксонометрии расположение магнитов, в конце выреза, в котором находятся магнитные элементы 35, предусмотрено свободное пространство 48. Если бы этого свободного пространства 48 не было, то при внезапном коротком замыкании генератора чрезвычайно высокая плотность потока в этой области могла бы привести к размагничиванию и тем самым к разрушению наружных магнитных элементов 35. Благодаря образованию свободного пространства 48 с определенным магнитным обратным замыканием 49 этого размагничивания можно избежать. Свободное пространство 48 образовано удлинением внутренней окружной стенки 50 карманов 34 и перемычкой 51, граничащей с соседним межполюсным зазором 52, через которую проходит обратный магнитный поток 49. Проходящие в осевом направлении ребра 53 на внутренних сторонах карманов 34 определяют расстояния между магнитными элементами 35.

На фиг.3 показан фрагмент фиг.2 в увеличенном масштабе, причем одинаковые элементы обозначены теми же цифровыми позициями. Изолирующая пластина 25 и щиток 22, которые служат для позиционирования внутренней части 21 статора, представлены на фиг.3 соответствующими базовыми линиями по наружному и внутреннему контуру. Опорная втулка 47 видна с торцевой стороны. В вырезе 38 наружной части 19 статора показаны в разрезе провода токовой трехфазной обмотки 28.

Изменяемый управляющий воздушный зазор 23 между наружной 19 частью статора и его внутренней 21 частью играет существенную роль в регулировании напряжения генератора. Окружные поверхности внутренней 19 и наружной 21 частей статора, граничащие с управляющим воздушным зазором 23, образованы тремя сегментами, имеющими выступающие окружные участки, которые проходят примерно по винтовой линии и форма которых отличается от окружности. Например, управляющий воздушный зазор 23 уменьшается, если внутреннюю часть 21 статора из ее положения, показанного штриховыми линиями, поворачивают относительно наружной части 19 статора по часовой стрелке, т.е. по стрелке U (фиг.2), причем конечное положение достигается при повороте, примерно соответствующем углу w. В этом конечном положении управляющий воздушный зазор 23 будет минимальным.

Путем поворота внутренней части 21 статора относительно его наружной части 19 изменяется геометрия управляющего воздушного зазора 23 и тем самым магнитное сопротивление статора 11. Это используется в существующих синхронных машинах с постоянным возбуждением для регулирования напряжения. Путем описанного изменения магнитного потока можно регулировать индуцированное напряжение, которое прямо пропорционально магнитному потоку. Благодаря тому что внутренняя часть 21 статора установлена на полом валу 24 с предварительно напряженным торсионным стержнем 46, силовое действие магнитного поля на внутреннюю часть 21 статора вызывает противоположно действующие силы кручения, так что используемый для регулирования напряжения поворот внутренней части 21 статора относительно его наружной части 19 при помощи поворотного магнита 41 выполняется практически без усилий. Правда, при этом предполагается, что предварительное напряжение кручения согласовано с магнитной силой противодействия.

Показанный на фиг.1 и 5 поворотный магнит 41 расположен внутри ярма 42, несущего обмотку 43, управляемую напряжением на зажимах генератора. Отклонение напряжения на обмотке генератора приводит к повороту поворотного магнита 41 и таким образом, благодаря относительному повороту двух частей статора, достигается требуемая стабилизация напряжения. Согласно фиг.1 поворотный магнит 41 консольно установлен на соответствующем конце полого вала 24, который в свою очередь соединен с внутренней частью 21 статора с фиксацией от проворачивания. Поворотный магнит 41 концентрично посажен на концевом участке 45 полого вала 24 и впрессован до упора в его буртик. Поворотный магнит 41 с относящимся к нему ярмом 42 предпочтительно выполнены из листового металла.

На фиг.5 показана электрическая схема для приведения в действие поворотного магнита 41. Обмотка 43, размещенная на одном из полюсов ярма 42, находится под напряжением U1, U2 на зажимах обмотки 28 генератора. Магнитный поток прямо пропорционален индуцированному напряжению и управляет поворотом поворотного магнита 41 и, через полый вал 24, поворотом внутренней части 21 статора, вследствие чего изменяется геометрия управляющего воздушного зазора 23 и тем самым магнитное сопротивление статора 11. В результате достигается простое, не зависящее от коэффициента мощности cos, регулирование напряжения на зажимах генератора.