Badania eksperymentalne efektywności energetycznej generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi typu over-unit. Generatory synchroniczne z magnesami trwałymi. Generatory prądu wzbudzenia z magnesami trwałymi

Właściciele patentu RU 2548662:

Wynalazek dotyczy dziedziny elektrotechniki i elektrotechniki, w szczególności generatorów synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi. Wynik techniczny: stabilizacja napięcia wyjściowego i mocy czynnej. Generator synchroniczny ze wzbudzeniem z magnesów trwałych zawiera zespół stojana wsporczego z łożyskami wsporczymi, na którym zamontowany jest pierścieniowy obwód magnetyczny z występami biegunów na obwodzie. Rdzeń magnetyczny wyposażony jest w cewki elektryczne umieszczone na występach biegunów z wielofazowym uzwojeniem twornika stojana. Wirnik pierścieniowy osadzony jest na wale nośnym z możliwością obrotu w łożyskach nośnych wokół pierścieniowego obwodu magnetycznego stojana. Na wewnętrznej ściance bocznej wirnika zamontowana jest pierścieniowa wkładka magnetyczna z biegunami magnetycznymi par p naprzemiennymi w kierunku obwodowym. Wkładka magnetyczna wykonana jest w postaci dwóch identycznych pierścieni, które mogą poruszać się w kierunku osiowym. Pomiędzy pierścieniami znajduje się element elastyczny. 2 chory.

Wynalazek dotyczy dziedziny elektrotechniki i elektrotechniki, w szczególności generatorów synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi i może być stosowany w autonomicznych zasilaczach zarówno o standardowej częstotliwości przemysłowej, jak i wysokiej częstotliwości, w maszynach elektrycznych i elektrowniach. W szczególności generator synchroniczny według wynalazku może być stosowany jako autonomiczne źródło energii w samochodach, łodziach i innych pojazdach.

Znany jest generator synchroniczny zawierający stojan z układem przewodników i wirnik posiadający układ wzbudzenia z magnesami trwałymi, a pomiędzy stojanem a wirnikiem znajduje się powierzchnia czynna - szczelina powietrzna, wirnik wykonany jest w postaci wirnik zewnętrzny z powierzchnią aktywną z wewnątrz, wirnik posiada, patrząc w kierunku ruchu obrotowego, namagnesowane magnesy trwałe oraz odcinki materiału przewodzącego magnetycznie naprzemiennie w kierunku obrotu, magnesy trwałe są wykonane z materiału o przenikalności magnetycznej zbliżonej do przenikalności powietrze, magnesy trwałe, mierzone w kierunku obrotu, mają szerokość rosnącą wraz ze wzrostem odległości od powierzchni czynnej, a sekcje przewodzące magnetycznie mają szerokość zmniejszającą się wraz ze wzrostem odległości od powierzchni czynnej; z którego wychodzi strumień magnetyczny i który jest zwrócony w stronę powierzchni czynnej, i jest mniejszy od sumy powierzchni przekrojów strumienia magnetycznego obu sąsiadujących z nim magnesów trwałych, w wyniku czego strumień magnetyczny magnesów trwałych koncentruje się w kierunku powierzchni czynnej bieguna stojana, mierząc w kierunku obrotu, ma prawie taką samą szerokość jak powierzchnia sekcji przewodzących magnetycznie, przez które wypływa strumień magnetyczny (patent RF nr 2141716, IPC N02K 21/12 , opublikowano 20.11.1991).

Znany jest generator synchroniczny, który zawiera wielobiegunowy twornik mający n biegunów (n jest liczbą całkowitą) z uzwojeniami oraz układ wzbudzenia utworzony przez wiele magnesów trwałych. W tym przypadku magnesy trwałe mają (n-1) bieguny, które wytwarzają pole wzbudzenia magnetycznego podczas obrotu względem twornika, a magnesy trwałe są namagnesowane wzdłuż kierunku obrotu, a bieguny są ukośne względem obrotu twornika układ wzbudzenia (patent RF nr 2069441, IPC N02K 21/22, opublikowany 20.11.1996).

Wspólną wadą tych generatorów synchronicznych jest ograniczona funkcjonalność stabilizacji napięcia wyjściowego i mocy czynnej przy wzroście obciążenia, w zależności od wartości całkowitego strumienia magnetycznego. Jednocześnie w projekt Generatory te nie posiadają elementów pozwalających na szybką zmianę wartości całkowitego strumienia magnetycznego wytwarzanego przez poszczególne magnesy trwałe pierścieniowej wkładki magnetycznej.

Najbliższym analogiem (prototypem) wynalazku jest generator synchroniczny ze wzbudzeniem z magnesów trwałych, zawierający zespół nośny stojana z łożyskami nośnymi, na którym zamontowany jest pierścieniowy obwód magnetyczny z występami biegunowymi na obwodzie, wyposażony w cewki elektryczne umieszczone na występy biegunowe z wielofazowym uzwojeniem twornika stojana, zamontowane na wale nośnym z możliwością obrotu w łożyskach nośnych wokół pierścieniowego obwodu magnetycznego stojana, pierścieniowy wirnik z pierścieniową wkładką magnetyczną zamontowany na wewnętrznej ściance bocznej z naprzemiennymi biegunami magnetycznymi kierunek obwodowy z par p, pokrywających występy biegunów cewkami elektrycznymi uzwojenia twornika pierścieniowego obwodu magnetycznego stojana. Zespół wspornika stojana składa się z grupy identycznych modułów z pierścieniowym rdzeniem magnetycznym i wirnikiem pierścieniowym zamontowanych na jednym wale nośnym, przy czym moduły zespołu wspornika stojana są instalowane z możliwością ich obrotu względem siebie wokół osi współosiowe z wałem nośnym i są wyposażone w połączony z nimi kinematycznie napęd, ich obrót kątowy względem siebie oraz te same fazy uzwojeń twornika w modułach zespołu nośnego stojana są ze sobą połączone, tworząc wspólne fazy uzwojenie twornika stojana (patent RF nr 2273942, IPC N02K 21/22, N02K 21/12, opublikowany 27.07.2006).

Wadą znanego generatora synchronicznego ze wzbudzeniem z magnesów trwałych jest konieczność zastosowania grupy modułów, co prowadzi do bardziej złożonej konstrukcji, zwiększenia masy i wymiarów generatora. To z kolei prowadzi do pogorszenia charakterystyki pracy generatora.

Ponadto, podobnie jak we wspomnianych analogach, znany generator nie posiada elementów pozwalających na szybką zmianę wartości całkowitego strumienia magnetycznego poszczególnych magnesów trwałych tworzących pierścieniową wykładzinę magnetyczną.

Celem niniejszego wynalazku jest uproszczenie konstrukcji i rozszerzenie funkcjonalność generator synchroniczny, dzięki dostarczaniu energii elektrycznej do szerokiej gamy wielofazowych odbiorników prądu przemiennego prąd elektryczny o różnych parametrach napięcia zasilania.

Efektem technicznym jest stabilizacja napięcia wyjściowego i mocy czynnej dzięki wprowadzeniu elementów sprężystych do konstrukcji generatora synchronicznego.

Wynik techniczny uzyskano w ten sposób, że w generatorze synchronicznym ze wzbudzeniem z magnesów trwałych, zawierającym nośny zespół stojana z łożyskami, na którym osadzony jest pierścieniowy rdzeń magnetyczny z występami biegunowymi na obwodzie, wyposażony w cewki elektryczne umieszczone na występach biegunów z wielofazowe uzwojenie twornika stojana, zamontowane na wale nośnym z możliwością obrotu w łożyskach nośnych wokół pierścieniowego rdzenia magnetycznego stojana, pierścieniowy wirnik z pierścieniową wkładką magnetyczną osadzony na wewnętrznej ściance bocznej z biegunami magnetycznymi naprzemiennymi w kierunku obwodowym z par p, pokrywających występy biegunów cewkami elektrycznymi uzwojenia twornika pierścieniowego rdzenia magnetycznego stojana, według wynalazku, pierścieniowa magnetyczna wykładzina jest wykonana w postaci dwóch identycznych pierścieni, które mogą poruszać się w kierunku osiowym, z elastycznym elementem umieszczonym pomiędzy pierścieniami.

Kiedy zmienia się obciążenie generatora, zmienia się prąd przepływający przez uzwojenie twornika stojana i zmienia się siła przyciągania działająca na wykładziny magnetyczne. Te ostatnie są w różnym stopniu wciągane do szczeliny powietrznej, ściskając element elastyczny, zwiększając lub zmniejszając w ten sposób całkowity strumień magnetyczny. Dzięki temu napięcie i moc czynna na zaciskach uzwojenia stojana generatora są stabilizowane.

Element elastyczny może być pełny w postaci falistej podkładki sprężystej lub kompozytowy w postaci oddzielnych sprężyn.

Podany przykładowo element sprężysty wykonany jest w postaci sprężyn.

Istotę wynalazku ilustruje rysunek.

Na ryc. 1 na zdjęciu widok ogólny proponowanego generatora synchronicznego ze wzbudzeniem z magnesów trwałych w przekroju podłużnym, z wkładkami magnetycznymi w położeniu spoczynkowym.

Na ryc. 2 przedstawia widok, gdy wkładki magnetyczne znajdują się w pozycji roboczej.

Na obu figurach element elastyczny jest wykonany w postaci sprężyn.

Generator synchroniczny ze wzbudzeniem z magnesów trwałych zawiera wewnętrzną obudowę stojana 1, na której zamontowany jest pierścieniowy obwód magnetyczny 2 (na przykład w postaci monolitycznego dysku wykonanego z proszkowego kompozytu twardego materiału magnetycznego) z występami biegunów na obwodzie, wyposażone w umieszczone na nich cewki elektryczne (sekcje) 3, z wielofazowymi (na przykład trójfazowymi, a w ogólnym przypadku n-fazowymi) uzwojeniami twornika stojana. Na wale 4, z możliwością obrotu na łożyskach 5, 6 wokół zespołu nośnego stojana, znajduje się wirnik pierścieniowy 7, z pierścieniowymi wkładkami magnetycznymi 8 zamontowanymi na wewnętrznej ściance bocznej (na przykład w postaci monolitycznych pierścieni magnetycznych wykonane z magnetycznie anizotropowego materiału proszkowego) z biegunami magnetycznymi naprzemiennymi w kierunku obwodowym z par p i wykonane w postaci pierścieni o jednakowej konstrukcji z możliwością poruszania się w rowkach 9 w kierunku osi obrotu, oraz z wyłączeniem ich obrotu względem pierścieniowego wirnika 7, oddzielonych elastycznym elementem 10, na przykład sprężynami naciskowymi. I pokrycie występów biegunów uzwojeniem twornika obwodu magnetycznego pierścienia stojana. Pierścieniowy wirnik 7 zawiera pierścieniowe wkładki magnetyczne 8, element elastyczny 10 i pierścień oporowy 11. Stojan zawiera pierścieniowy obwód magnetyczny 2, cewki uzwojenia twornika 3, obudowę wewnętrzną 1 i obudowę zewnętrzną 12 z centralnymi otworami 13 na końcu . Obudowa wewnętrzna 1 zespołu nośnego stojana połączona jest z jej wewnętrzną cylindryczną ścianą boczną z łożyskiem 5, a obudowa zewnętrzna 12 z łożyskiem 6. Wirnik pierścieniowy 7 jest połączony z wałem 4. Pierścieniowy obwód magnetyczny 2 (z uzwojenia 3) stojana są zamontowane na określonej obudowie wewnętrznej 1, która jest sztywno przymocowana do obudowy zewnętrznej 12 i razem z nią tworzą pierścieniową wnękę 14. Wentylator 15 do chłodzenia uzwojeń twornika stojana jest umieszczony na końcu wału 4. Na obudowie zewnętrznej zamontowana jest obudowa 16. Fazy (A, B, C) uzwojenia twornika 3 na pierścieniowym obwodzie magnetycznym 2. Stojany są połączone ze sobą w obwodzie elektrycznym.

Generator synchroniczny ze wzbudzeniem magnesem trwałym działa w następujący sposób.

Z napędu, na przykład z silnika spalinowy, poprzez koło pasowe paska klinowego (niepokazane na rysunku), ruch obrotowy przenoszony jest na wał 4 z pierścieniowym wirnikiem 7. Kiedy pierścieniowy wirnik 7 z pierścieniowymi tulejami magnetycznymi 8 obraca się, wytwarza się wirujący strumień magnetyczny, przenikający przez powietrzna szczelina pierścieniowa pomiędzy pierścieniowymi wkładkami magnetycznymi 8 a pierścieniowym rdzeniem magnetycznym 2 stojanów, a także przenikające promieniowe występy biegunów (niepokazane na rysunku) pierścieniowego obwodu magnetycznego 2 stojana. Kiedy pierścieniowy wirnik 7 obraca się, „północny” i „południowy” naprzemienne bieguny magnetyczne pierścieniowych wkładek magnetycznych 8 również naprzemiennie przechodzą przez promieniowe występy biegunów pierścieniowego rdzenia magnetycznego 2 stojana, powodując obrót strumienia magnetycznego zarówno w wielkość i kierunek promieniowych występów biegunów pierścieniowego rdzenia magnetycznego 2. W tym przypadku w uzwojeniu twornika 3 stojanów indukowana jest fala sinusoidalna siła elektromotoryczna(EMF) z przesunięciem fazowym między sobą o kąt 120 stopni i z częstotliwością równą iloczynowi liczby par (p) biegunów magnetycznych w pierścieniowej wkładce magnetycznej 8 przez częstotliwość obrotu wirnika pierścieniowego 7 Prąd przemienny (na przykład trójfazowy) przepływający przez stojan 3 uzwojenia twornika, dostarczany do wyjściowych złączy mocy elektrycznej (niepokazanych na rysunku) do podłączenia odbiorników. energia elektryczna AC.

Wraz ze wzrostem obciążenia generatora wzrasta prąd przepływający przez uzwojenie twornika stojana 3, a także wzrasta siła przyciągania działająca na pierścieniowe wkładki magnetyczne 8, które są wciągane do szczeliny powietrznej, ściskając element elastyczny 10, zwiększenie strumienia magnetycznego pierścieniowych wkładek magnetycznych 8. Dzięki temu stabilizowane jest napięcie na zaciskach uzwojenia 3 stojana generatora. Wyposażenie stojana we wskazany pierścieniowy obwód magnetyczny 2 i pierścieniowy wirnik 7 osadzony na jednym wale 4, a także pierścieniowy wirnik z możliwością wciągania pierścieniowych wkładek magnetycznych 8 w szczelinę powietrzną, pozwala na stabilizację napięcia wyjściowego i moc czynna generatora synchronicznego w określonych granicach.

Zatem zaproponowane rozwiązanie techniczne pozwala na stabilizację zarówno napięcia wyjściowego, jak i mocy czynnej przy zmianie obciążenia elektrycznego generatora.

Proponowany generator synchroniczny ze wzbudzeniem z magnesów trwałych może być wykorzystany przy odpowiedniej komutacji uzwojeń twornika stojana do zasilania energią elektryczną szerokiej gamy wielofazowych odbiorników prądu przemiennego o różnych parametrach napięcia zasilania.

Generator synchroniczny o wzbudzeniu z magnesów trwałych, zawierający zespół nośny stojana z łożyskami nośnymi, na którym osadzony jest pierścieniowy obwód magnetyczny z występami biegunowymi na obwodzie, wyposażony w cewki elektryczne umieszczone na występach biegunów, z wielofazowym uzwojeniem twornika stojana, osadzony na wale nośnym z możliwością obrotu w łożyskach nośnych wokół pierścieniowego rdzenia magnetycznego stojana, wirnik pierścieniowy z pierścieniową wkładką magnetyczną osadzony na wewnętrznej bocznej ściance z biegunami magnetycznymi naprzemiennymi w kierunku obwodowym z par p, pokrycie występów biegunów cewkami elektrycznymi uzwojenia twornika pierścieniowego rdzenia magnetycznego stojana, znamienne tym, że wkładka magnetyczna wykonana jest w postaci dwóch identycznych pierścieni, które mogą poruszać się w kierunku osiowym, z elementem sprężystym umieszczonym pomiędzy pierścieniami .

Podobne patenty:

Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna (1) do pojazdów hybrydowych lub elektrycznych. Maszyna zawiera wirnik zewnętrzny, stojan (2) umieszczony wewnątrz wirnika (3), wirnik zawiera element łożyskowy wirnika (4), płytki wirnika (5) i magnesy trwałe (6), element podtrzymujący wirnik (4) zawiera pierwszą, rozciągającą się promieniowo część (7) elementu nośnego i drugą, rozciągającą się osiowo część (8) elementu nośnego, która jest z nią połączona, druga część (8) elementu nośnego podtrzymuje płyty wirnika (5) i magnesy trwałe (6), a stojan (2) ma płytki stojana (9) i uzwojenia (10), przy czym uzwojenia tworzą głowice uzwojenia (11, 12), które wystają osiowo z obu stron ponad płytki stojana (9), posiada także koło wirnikowe (14), które jest połączone z elementem nośnym (4) wirnika.

Bezkontaktowe generatory synchroniczne z magnesami trwałymi (SGPM) mają prosty obwód elektryczny, nie zużywają energii na wzbudzenie i mają zwiększoną wydajność, są wysoce niezawodne, są mniej wrażliwe na działanie reakcji twornika niż maszyny konwencjonalne, ich wady są związane o niskich właściwościach regulacyjnych ze względu na to, że strumień roboczy magnesów trwałych nie może zmieniać się w szerokich granicach. Jednak w wielu przypadkach cecha ta nie jest decydująca i nie przeszkadza w ich powszechnym stosowaniu.

Większość obecnie używanych CVPM ma system magnetyczny z obracającymi się magnesami trwałymi. Dlatego układy magnetyczne różnią się od siebie głównie konstrukcją wirnika (cewki indukcyjnej). Stojan SGPM ma prawie taką samą konstrukcję jak w klasycznych maszynach prądu przemiennego; zwykle zawiera cylindryczny obwód magnetyczny złożony z arkuszy stali elektrotechnicznej, na którego wewnętrznej powierzchni znajdują się rowki do umieszczenia uzwojenia twornika. W przeciwieństwie do konwencjonalnych maszyn synchronicznych, szczelina robocza pomiędzy stojanem a wirnikiem w SGPM została wybrana jako minimalna, w oparciu o możliwości technologiczne. Konstrukcja wirnika w dużej mierze zależy od właściwości magnetycznych i technologicznych twardego materiału magnetycznego.

Wirnik z magnesem cylindrycznym

Najprostszy jest wirnik z monolitycznym cylindrycznym magnesem pierścieniowym (ryc. 5.9, A). Magnes 1 jest wykonany z odlewu i jest przymocowany do wału za pomocą tulei 2, na przykład wykonanej ze stopu aluminium. Namagnesowanie magnesu odbywa się w kierunku promieniowym na wielobiegunowej instalacji magnesującej. Ponieważ wytrzymałość mechaniczna magnesów jest niska, przy dużych prędkościach liniowych magnes umieszcza się w osłonie (bandażu) wykonanej z materiału niemagnetycznego.

Rodzaj wirnika z magnesem cylindrycznym to wirnik prefabrykowany wykonany z poszczególnych segmentów 1 wykonanych z niemagnetycznej stalowej powłoki 3 (ryc. 5.9, b). Namagnesowane magnesy segmentowe promieniowo 1 umieszczone są na tulei 2 wykonanej ze stali magnetycznej i zabezpieczone w dowolny sposób, np. za pomocą kleju. Generatory z wirnikiem tej konstrukcji, gdy magnes jest ustabilizowany w stanie swobodnym, mają kształt krzywej pola elektromagnetycznego zbliżony do sinusoidalnego. Zaletą wirników z magnesem cylindrycznym jest prostota i wykonalność konstrukcji. Wada - małe wykorzystanie objętości magnesu ze względu na krótką długość środka linia energetyczna słupy H I. Wraz ze wzrostem liczby biegunów wartość H a wykorzystanie objętości magnesu zmniejsza się i pogarsza.

Rysunek 5.9 - Wirniki Z magnes cylindryczny: a - monolityczny, b - prefabrykowany

Wirniki z magnesami gwiazdowymi

W SGPM o mocy do 5 kVA powszechnie stosuje się wirniki w kształcie gwiazdy z wyraźnymi biegunami bez nabiegunników (ryc. 5.10, A). W tej konstrukcji magnes gwiazdowy jest często mocowany do wału poprzez wypełnienie niemagnetycznym stopem 2. Magnes można również przymocować bezpośrednio do wału. Aby zmniejszyć efekt rozmagnesowania pola reakcji twornika podczas prądu udarowego zwarcia na wirniku, w niektórych przypadkach zakłada się układ tłumiący 3, który z reguły odbywa się poprzez wypełnienie wirnika aluminium. Przy dużych prędkościach obrotowych na magnes dociskany jest bandaż niemagnetyczny.

Jednakże, gdy generator jest przeciążony, reakcja poprzeczna twornika może spowodować asymetryczne odwrócenie magnesowania krawędzi biegunów. Takie odwrócenie namagnesowania zniekształca kształt pola w szczelinie roboczej i kształt krzywej SEM.

Jednym ze sposobów ograniczenia wpływu pola twornika na pole magnetyczne jest zastosowanie nabiegunników wykonanych z miękkiej stali magnetycznej. Zmieniając szerokość nabiegunników (regulując strumień rozproszenia słupów), można to osiągnąć optymalne wykorzystanie magnes. Dodatkowo zmieniając konfigurację nabiegunników można uzyskać wymagany kształt pola w szczelinie roboczej generatora.

Na ryc. 5.10, b pokazuje konstrukcję zmontowanego wirnika typu gwiazdowego z pryzmatycznymi magnesami trwałymi ze stopami biegunowymi. Promieniowo namagnesowane magnesy 1 są zamontowane na tulei 2 wykonanej z miękkiego materiału magnetycznego. Na biegunie magnesów znajdują się 3 nałożone na siebie nabiegunniki wykonane ze stali magnetycznej. Aby zapewnić wytrzymałość mechaniczną ba

Rysunek 5.10 - Wirniki gwiazdowe: a - bez nabiegunników; b - prefabrykowane z nabiegunnikami

Czopki są przyspawane do niemagnetycznych wkładek 4, tworząc bandaż. Szczeliny pomiędzy magnesami można wypełnić stopem aluminium lub mieszanką.

Wady wirników w kształcie gwiazdy z nabiegunnikami obejmują złożoność konstrukcji i zmniejszone wypełnienie objętości wirnika magnesami.

Wirniki z biegunami w kształcie pazurów.

W generatorach z dużą liczbą biegunów powszechnie stosuje się konstrukcję wirnika z biegunami w kształcie pazurów. Wirnik w kształcie gwoździa (ryc. 5.11) zawiera cylindryczny magnes 1, namagnesowany w kierunku osiowym, umieszczony na niemagnetycznej tulei 2. Końce magnesu przylegają do kołnierzy 3 i 4 ze stali magnetycznie miękkich i mają pazur -w kształcie występów tworzących słupy. Wszystkie występy lewego kołnierza to bieguny północne, a wszystkie występy prawego kołnierza to bieguny południowe. Występy kołnierzy zmieniają się na obwodzie wirnika, tworząc wielobiegunowy układ wzbudzenia. Używając, moc generatora można znacznie zwiększyć zasada modułowa, umieszczając na wale kilka magnesów z biegunami w kształcie pazurów.

Wadami wirników kłowych są: względna złożoność konstrukcji, trudność namagnesowania magnesu w zmontowanym wirniku, duże strumienie upływu, końce występów można wygiąć podczas wysokie częstotliwości obrót, miał miarę wypełnienia objętości wirnika magnesem.

Istnieją konstrukcje wirników z różnymi kombinacjami PM: z szeregowym i równoległym połączeniem magnesów MRS, z regulacją napięcia w wyniku osiowego ruchu wirnika względem stojana, układami wspólnej kontroli wzbudzenia PMSG z PM i uzwojenie elektromagnetyczne o działaniu równoległym itp. Do bezprzekładniowych instalacji elektrycznych najlepsze rozwiązanie jest użycie wielu SGPM

Rysunek 5.11 - Wirnik kłowy

konstrukcja słupa. W Niemczech, Ukrainie i innych krajach istnieją doświadczenia w opracowywaniu i stosowaniu generatorów wolnoobrotowych do bezprzekładniowych turbin wiatrowych o prędkości obrotowej 125-375 obr./min.

Ze względu na główny wymóg dotyczący bezprzekładniowej turbiny wiatrowej - posiadać niska częstotliwość obrót generatora - gabaryty i masa SGPM okazują się zawyżone w porównaniu do szybkich generatorów o mniej więcej tej samej mocy. Obudowa 1 (rys. 5.12) zawiera konwencjonalny stojan 2 z uzwojeniem 3. Wirnik (cewka indukcyjna) 4 z przyklejonymi do zewnętrznej powierzchni płytami neodymowo-żelazowo-borowymi 5 jest osadzony na wale 6 z łożyskami 7. Obudowa 1 jest przymocowana do podstawa 8, ta „jest połączona ze wspornikiem turbiny wiatrowej, a wirnik 4 jest połączony z wałem turbiny wiatrowej (niepokazany na rys. 5.12).

Przy małych prędkościach wiatru turbiny wiatrowe muszą korzystać z generatorów niskie prędkości obrót. W tym przypadku układ często nie posiada przekładni, a oś jest bezpośrednio połączona z osią generatora elektrycznego. Rodzi to problem uzyskania odpowiednio wysokiego napięcia wyjściowego i mocy elektrycznej. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest zastosowanie wielobiegunowego generatora elektrycznego z wystarczającym wirnikiem duża średnica. Wirnik generatora elektrycznego można wykonać przy użyciu magnesów trwałych. Generator elektryczny z wirnikiem z magnesami trwałymi nie posiada komutatora i szczotek, które

Rysunek 5.12 - Schemat strukturalny SGPM dla bezprzekładniowej turbiny wiatrowej: 1- obudowa; 2 - stojan; 3 - uzwojenie; 4 - wirnik; 5 - płytki z magnesami trwałymi z Nd-Fe-B; 6 - wał; 7 - łożyska; 8 - podstawa

znacznie zwiększa jego niezawodność i czas pracy bez konserwacji i napraw.

Można zbudować generator elektryczny z wirnikiem z magnesami trwałymi wg różne schematy, różniące się od siebie ogólnym rozmieszczeniem uzwojeń i magnesów. Magnesy o zmiennej polaryzacji znajdują się na wirniku generatora. Uzwojenia o zmiennym kierunku uzwojenia znajdują się na stojanie generatora. Jeśli wirnik i stojan są dyskami współosiowymi, wówczas ten typ generatora nazywa się osiowym lub dyskiem (ryc. 5.13).

Jeśli wirnik i stojan są współosiowymi cylindrami współosiowymi, wówczas ten typ generatora nazywa się promieniowym lub cylindrycznym (ryc. 5.14). W generatorze promieniowym wirnik może być umieszczony wewnątrz lub na zewnątrz stojana.

Rysunek 5.13 - Uproszczony schemat generatora elektrycznego z wirnikiem z magnesami trwałymi typu osiowego (tarczowego).

Rysunek 5.14 - Uproszczony schemat generatora elektrycznego z promieniowym (cylindrycznym) wirnikiem z magnesami trwałymi

Ważną cechą generatorów synchronicznych z PM w porównaniu do konwencjonalnych generatorów synchronicznych jest trudność w regulacji napięcia wyjściowego i jego stabilizacji. O ile w konwencjonalnych maszynach synchronicznych można płynnie regulować przepływ i napięcie robocze poprzez zmianę prądu wzbudzenia, to w maszynach z magnesami trwałymi nie jest to możliwe, gdyż przepływ F mieści się w danym przewodzie powrotnym i zmienia się nieznacznie. Aby regulować i stabilizować napięcie generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi, należy zastosować specjalne metody.

Jednym z możliwych sposobów stabilizacji napięcia generatorów synchronicznych jest wprowadzenie do zewnętrznego źródła obwód elektryczny generator elementów pojemnościowych, które przyczyniają się do pojawienia się podłużnej reakcji magnesowania twornika. Charakterystyka zewnętrzna generatora o pojemnościowym charakterze obciążenia zmienia się niewiele i może nawet zawierać sekcje rosnące. Kondensatory zapewniające pojemnościowy charakter obciążenia są połączone szeregowo bezpośrednio z obwodem obciążenia (ryc. 5.15, A) lub poprzez transformator niskiego napięcia, który pozwala zmniejszyć masę kondensatorów poprzez zwiększenie ich napięcia roboczego i zmniejszenie prądu (ryc. S.1S, b). Możliwe jest również podłączenie kondensatora równolegle do obwodu generatora (ryc. 5.15, mi).

Rysunek 5.15 - włączenie kondensatorów stabilizujących w obwód generatora synchronicznego z magnesami trwałymi

Dobrą stabilizację napięcia wyjściowego generatora z PM można osiągnąć stosując obwód rezonansowy zawierający pojemność C i dławik nasycenia L. Obwód jest podłączony równolegle do obciążenia, jak pokazano na ryc. 5.16, A w obrazie jednofazowym. Z powodu nasycenia cewki indukcyjnej jego indukcyjność maleje wraz ze wzrostem prądu, a zależność napięcia na cewce od prądu cewki jest nieliniowa (ryc. 5.16, b). Jednocześnie zależność napięcia od pojemności od prądu jest liniowa. W punkcie przecięcia krzywych i , co odpowiada napięciu znamionowemu generatora

Rysunek 5.16 - Stabilizacja napięcia generatora synchronicznego z magnesami trwałymi za pomocą obwodu rezonansowego: a - schemat podłączenia obwodu; B - charakterystyka prądowo-napięciowa(B)

torusa, w obwodzie występuje rezonans prądu, to znaczy prąd bierny nie wpływa do obwodu z zewnątrz.

Jeśli napięcie spadnie, to, jak widać na ryc. 4.15, B, kiedy mamy , to znaczy obwód pobiera prąd pojemnościowy z generatora. Podłużna reakcja magnesowania twornika, która zachodzi w tym przypadku, przyczynia się do wzrostu U . Jeśli, to obwód pobiera również prąd indukcyjny z generatora. Podłużna reakcja rozmagnesowania twornika prowadzi do zmniejszenia U.

W niektórych przypadkach do stabilizacji napięcia generatorów stosuje się dławiki nasycające (SC), które magnesowane są przez prąd stały pochodzący z układu regulacji napięcia. Wraz ze spadkiem napięcia regulator zwiększa prąd magnesowania w cewce indukcyjnej, jego indukcyjność maleje z powodu nasycenia rdzenia, maleje efekt podłużnej reakcji rozmagnesowania twornika, a także spadek napięcia na DP, co pomaga przywrócić napięcie wyjściowe generatora.

Regulację i stabilizację napięcia generatorów z PM można skutecznie przeprowadzić za pomocą przetwornicy półprzewodnikowej, w której w każdej fazie znajdują się dwa tyrystory ustawione tyłem do siebie. Każda półfala krzywej napięcia przed przetwornicą odpowiada napięciu przewodzenia na jednym z tyrystorów. Jeżeli układ sterowania wysyła sygnały o włączeniu tyrystorów z pewnym opóźnieniem, które odpowiada kątowi sterowania. Gdy napięcie za przetwornicą wzrasta, maleje; gdy napięcie na zaciskach generatora maleje, kąt maleje tak, że napięcie na generatorze wynosi . Za pomocą takiego konwertera można nie tylko stabilizować, ale także regulować napięcie wyjściowe w szerokim zakresie, zmieniając kąt. Wadą opisywanego obwodu jest to, że jakość napięcia pogarsza się wraz ze wzrostem ze względu na pojawienie się wyższych harmonicznych.

Opisane sposoby regulacji i stabilizacji napięcia wiążą się ze stosowaniem ciężkich i nieporęcznych urządzeń dodatkowych znajdujących się na zewnątrz generatora. Cel ten można osiągnąć poprzez zastosowanie w generatorze dodatkowego uzwojenia pola magnetycznego (WW). DC, zmienia stopień nasycenia stalowych drutów magnetycznych, a tym samym zmienia zewnętrzne przewodnictwo magnetyczne w stosunku do magnesu.

W tego typu maszynach synchronicznych za pomocą magnesów trwałych generowane jest stale skierowane pole wzbudzenia. Maszyny synchroniczne z magnesami trwałymi nie wymagają wzbudnicy, a ze względu na brak wzbudzenia i strat styków ślizgowych mają wysoka wydajność, ich niezawodność jest znacznie wyższa niż w przypadku konwencjonalnych maszyn synchronicznych, w których często ulegają uszkodzeniu uzwojenie pola wirującego i urządzenie szczotkowe; Ponadto nie wymagają praktycznie żadnej konserwacji przez cały okres użytkowania.
Magnesy trwałe mogą zastąpić uzwojenie wzbudzenia zarówno w konwencjonalnych wielofazowych maszynach synchronicznych, jak i we wszystkich opisanych powyżej konstrukcjach specjalnych (jednofazowe maszyny synchroniczne, maszyny synchroniczne z biegunem dziobowym i maszyny indukcyjne).
Maszyny synchroniczne z magnesami trwałymi różnią się od swoich odpowiedników ze wzbudzeniem elektromagnetycznym konstrukcją induktorowych układów magnetycznych. Analogiem wirnika konwencjonalnej maszyny synchronicznej z niezasuniętym biegunem jest cylindryczny magnes w kształcie pierścienia namagnesowany w kierunku promieniowym (ryc. 6).

Induktorowe układy magnetyczne z magnesami cylindrycznymi i gwiazdowymi;
a - magnes w kształcie gwiazdy bez nabiegunników; b - czterobiegunowy magnes cylindryczny

Ryż. 2. Wirnik z biegunami kłowymi, wzbudzany magnesem trwałym:
1 - magnes trwały pierścieniowy; 2 - dysk z układem bieguna południowego; 3 - dysk z układem bieguna północnego

Wirnik z wydatnym biegunem konwencjonalnej maszyny ze wzbudzeniem elektromagnetycznym jest podobny do wirnika z magnesem w kształcie gwiazdy na ryc. 1, a, w którym magnes 1 jest zamontowany na wale 3 poprzez odlanie stopu aluminium 2.

W wirniku z biegunami pazurowymi (rys. 2) magnes pierścieniowy, namagnesowany w kierunku osiowym, zastępuje uzwojenie pola pierścieniowego. W maszynie indukcyjnej o przeciwnych biegunach zgodnie z rys. Wzbudzenie elektromagnetyczne można zastąpić wzbudzeniem magnetycznym, jak pokazano na ryc. 3 (zamiast trzech małych zębów w każdej ze stref I-IV, tutaj w każdej ze stref znajduje się jeden ząb). Maszyna o podobnym biegunie ma również odpowiedni analog ze wzbudzeniem magnetycznym. Magnes trwały może w tym przypadku być wykonany w postaci pierścienia namagnesowanego w kierunku osiowym, który jest wkładany pomiędzy ramę a tarczę łożyska.

Ryż. 3. Generator indukcyjny o przeciwnych biegunach ze wzbudzeniem magnetoelektrycznym:
OYA - uzwojenie twornika; PM - magnes trwały
Do opisu procesów elektromagnetycznych w maszynach synchronicznych z magnesami trwałymi całkiem odpowiednia jest teoria maszyn synchronicznych ze wzbudzeniem elektromagnetycznym, której podstawy przedstawiono w poprzednich rozdziałach tego rozdziału. Aby jednak skorzystać z tej teorii i zastosować ją do obliczeń charakterystyki maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi w trybie generatora lub silnika, należy najpierw wyznaczyć EMF bez obciążenia, czyli współczynnik wzbudzenia r = Ef / U, z krzywej rozmagnesowania magnesu trwałego i obliczyć reaktancje indukcyjne Xad i X biorąc pod uwagę wpływ oporu magnetycznego magnesu, który może być tak duży, że Xa(1< Xaq.
Maszyny z magnesami trwałymi zostały wynalezione u zarania rozwoju elektromechaniki. Jednakże szerokie zastosowanie otrzymywały w ciągu ostatnich dziesięcioleci w związku z rozwojem nowych materiałów na magnesy trwałe o wysokiej właściwej energii magnetycznej (na przykład typu Magnico lub stopy na bazie samaru i kobaltu). Maszyny synchroniczne z takimi magnesami pod względem masy, wielkości i charakterystyki pracy w pewnym zakresie mocy i prędkości obrotowych mogą z powodzeniem konkurować z maszynami synchronicznymi ze wzbudzeniem elektromagnetycznym.

Moc szybkich generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi do zasilania sieci pokładowej samolotów sięga kilkudziesięciu kilowatów. Generatory i silniki z magnesami trwałymi małej mocy stosowane są w samolotach, samochodach i ciągnikach, gdzie najważniejsza jest ich wysoka niezawodność. Jako silniki niska moc są one szeroko stosowane w wielu innych obszarach technologii. W porównaniu do silników odrzutowych mają wyższą stabilność prędkości i lepszą wydajność energetyczną, a jednocześnie są gorsze pod względem kosztów i właściwości rozruchowych.
Ze względu na metody rozruchu silniki synchroniczne małej mocy z magnesami trwałymi dzielą się na silniki samorozruchowe i silniki z rozruchem asynchronicznym.
Samorozruchowe silniki małej mocy z magnesami trwałymi służą do napędzania mechanizmów zegarowych i różnych przekaźników, różnych urządzeń programowych itp. Moc znamionowa tych silników nie przekracza kilku watów (zwykle ułamka wata). Aby ułatwić rozruch, silniki są wielobiegunowe (p > 8) i zasilane są z jednofazowej sieci energetycznej.
W naszym kraju takie silniki produkowane są w serii DSM, w której do wytworzenia pola wielobiegunowego wykorzystuje się dziobową konstrukcję obwodu magnetycznego stojana i jednofazowe uzwojenie twornika.
Silniki te uruchamiane są dzięki synchronicznemu momentowi obrotowemu powstałemu w wyniku oddziaływania pola pulsującego z magnesami trwałymi wirnika. Aby wystrzelenie przebiegło pomyślnie i w pożądanym kierunku, stosuje się specjalne urządzenia mechaniczne, które umożliwiają obrót wirnika tylko w jednym kierunku i odłączenie go od wału podczas synchronizacji
Silniki synchroniczne małej mocy z magnesami trwałymi z rozruchem asynchronicznym dostępne są z promieniowym układem magnesu trwałego i rozruchowym uzwojeniem zwarciowym oraz z osiowym układem magnesu trwałego i rozruchowym uzwojeniem zwarciowym. Silniki te pod względem konstrukcji stojana nie różnią się od maszyn ze wzbudzeniem elektromagnetycznym. Uzwojenie stojana w obu przypadkach jest dwu- lub trójfazowe. Różnią się jedynie konstrukcją wirnika.
W silniku z promieniowym układem magnesów i zwartym uzwojeniem, ten ostatni umieszcza się w rowkach laminowanych nabiegunników magnesów trwałych, aby uzyskać akceptowalne strumienie rozproszenia, pomiędzy końcami sąsiednich biegunów występują niemagnetyczne szczeliny. Czasami, w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej wirnika, końcówki łączone są za pomocą nasycanych mostków w cały pierścieniowy rdzeń.
W silniku z osiowym układem magnesu i zwartym uzwojeniem część długości czynnej zajmuje magnes trwały, a na drugiej części obok magnesu znajduje się laminowany obwód magnetyczny ze zwarciem uzwojenie z obwodem, przy czym zarówno magnes trwały, jak i laminowany obwód magnetyczny są zamontowane na wspólnym wale. Ze względu na to, że podczas rozruchu silniki z magnesami trwałymi pozostają wzbudzone, ich rozruch przebiega mniej korzystnie niż w konwencjonalnych silnikach synchronicznych, których wzbudzenie jest wyłączone. Wyjaśnia to fakt, że podczas rozruchu, wraz z dodatnim momentem asynchronicznym wynikającym z oddziaływania pola wirującego z prądami indukowanymi w zwartym uzwojeniu, na wirnik oddziałuje ujemny moment asynchroniczny wynikający z oddziaływania magnesów trwałych z prądami indukowane przez pole magnesów trwałych w uzwojeniu stojana.

Wzbudzenie maszyny synchronicznej i jej pola magnetyczne. Wzbudzenie generatora synchronicznego.

Uzwojenie wzbudzenia generatora synchronicznego (SG) znajduje się na wirniku i pobiera energię prądu stałego z zewnętrznego źródła. Tworzy główne pole magnetyczne maszyny, które obraca się wraz z wirnikiem i zamyka się wzdłuż całego obwodu magnetycznego. Podczas obrotu pole to przecina przewody uzwojenia stojana i indukuje w nich pole elektromagnetyczne E10.
Aby zasilić uzwojenie wzbudzenia potężnego S.G. stosowane są specjalne generatory - wzbudnice. Jeśli są zainstalowane osobno, moc jest dostarczana do uzwojenia pola przez pierścienie ślizgowe i urządzenie szczotkowe. W przypadku turbogeneratorów o dużej mocy na wale generatora zawieszane są wzbudnice (generatory synchroniczne „typu odwróconego”), a następnie uzwojenie wzbudzenia odbiera energię poprzez prostowniki półprzewodnikowe zamontowane na wale.
Moc zużywana na wzbudzenie wynosi około 0,2–5% mocy nominalnej S.G., przy mniejszej wartości dla dużych S.G.
Generatory średniej mocy często wykorzystują układ samowzbudzenia – od sieci uzwojeń stojana poprzez transformatory, prostowniki półprzewodnikowe i pierścienie. W bardzo małym S.G. Czasami stosuje się magnesy trwałe, ale nie pozwala to na regulację wielkości strumienia magnetycznego.

Uzwojenie wzbudzenia może być skoncentrowane (w przypadku generatorów synchronicznych z biegunem jawnym) lub rozproszone (w przypadku generatorów synchronicznych z biegunem jawnym).

Obwód magnetyczny S.G.

System magnetyczny S.G. jest rozgałęzionym obwodem magnetycznym z 2 równoległymi gałęziami. W tym przypadku strumień magnetyczny wytworzony przez uzwojenie wzbudzenia jest zamykany wzdłuż następujących odcinków obwodu magnetycznego: szczelina powietrzna „?” - dwa razy; strefa zębów stojana hZ1 – dwukrotnie; tył stojana L1; warstwa zębata wirnika „hZ2” - dwukrotnie; tył wirnika – „LOB”. W generatorach z biegunem jawnym wirnik ma bieguny wirnika „hm” - podwójne (zamiast warstwy zębów) i krzyżowy LOB (zamiast tyłu wirnika).

Rysunek 1 pokazuje, że równoległe gałęzie obwodu magnetycznego są symetryczne. Można również zauważyć, że główna część strumienia magnetycznego F jest zamknięta w całym obwodzie magnetycznym i jest sprzężona zarówno z uzwojeniem wirnika, jak i uzwojeniem stojana. Mniejsza część strumienia magnetycznego Fsigma (przepraszam, nie ma symbolu) zamyka się tylko wokół uzwojenia wzbudzenia, a następnie wzdłuż szczeliny powietrznej, nie zazębiając się z uzwojeniem stojana. Jest to strumień rozproszenia magnetycznego wirnika.

Rysunek 1. Obwody magnetyczne S.G.
Typ bieguna wystającego (a) i bieguna niewysuniętego (b).

W tym przypadku całkowity strumień magnetyczny Фm jest równy:

gdzie SIGMAm jest współczynnikiem rozproszenia strumienia magnetycznego.
Wartość MMF uzwojenia wzbudzenia na parę biegunów w stanie bez obciążenia można wyznaczyć jako sumę składowych MMF wymaganych do pokonania oporu magnetycznego w odpowiednich sekcjach obwodu.

Obszar szczeliny powietrznej, w którym penetracja magnetyczna µ0 = const jest stała, ma największy opór magnetyczny. W przedstawionym wzorze wB to liczba połączonych szeregowo zwojów uzwojenia wzbudzenia na parę biegunów, a IBO to prąd wzbudzenia w stanie jałowym.

Wraz ze wzrostem strumienia magnetycznego stal obwodu magnetycznego ma właściwość nasycenia, dlatego charakterystyka magnetyczna generatora synchronicznego jest nieliniowa. Tę charakterystykę jako zależność strumienia magnetycznego od prądu wzbudzenia Ф = f(IВ) lub Ф = f(ФВ) można skonstruować obliczeniowo lub wyznaczyć eksperymentalnie. Wygląda to jak pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Charakterystyka magnetyczna S.G.

Zwykle S.G. zaprojektowane tak, aby przy nominalnej wartości strumienia magnetycznego F obwód magnetyczny był nasycony. W tym przypadku sekcja „ab” charakterystyki magnetycznej odpowiada MMF podczas pokonywania szczeliny powietrznej 2Fsigma, a sekcja „vc” odpowiada pokonywaniu oporu magnetycznego stali rdzenia magnetycznego. Następnie postawa można nazwać współczynnikiem nasycenia obwodu magnetycznego jako całości.

Prędkość biegu jałowego generatora synchronicznego

Jeśli obwód uzwojenia stojana jest otwarty, to w S.G. Istnieje tylko jedno pole magnetyczne - wytwarzane przez MMF uzwojenia wzbudzenia.
Sinusoidalny rozkład indukcji pola magnetycznego niezbędny do uzyskania sinusoidalnego pola elektromagnetycznego uzwojenia stojana zapewnia:
- w biegunie wydatnym S.G. kształt nabiegunników wirnika (pod środkiem bieguna szczelina jest mniejsza niż pod jego krawędziami) oraz skos żłobków stojana.
- w niewysuniętym biegunie S.G. – poprzez rozłożenie uzwojenia wzbudzenia wzdłuż żłobków wirnika pod środkiem bieguna, szczelina jest mniejsza niż pod jego krawędziami i skosem żłobków stojana.
W maszynach wielobiegunowych stosuje się uzwojenia stojana z ułamkową liczbą żłobków na biegun i fazę.

Rysunek 3. Zapewnienie sinusoidalności pola magnetycznego
pola wzbudzenia

Ponieważ pole elektromagnetyczne uzwojenia stojana E10 jest proporcjonalne do strumienia magnetycznego ФО, a prąd w uzwojeniu wzbudzenia IVO jest proporcjonalny do MMF uzwojenia wzbudzenia FVO, nie jest trudno skonstruować zależność: E0 = f(IВО) identyczna z charakterystyką magnetyczną: Ф = f(FВО). Zależność ta nazywana jest charakterystyką prędkości biegu jałowego (H.H.H.) S.G. Pozwala określić parametry S.G i zbudować jego diagramy wektorowe.
Zwykle H.H.H. konstruowane są w jednostkach względnych e0 i iBO, tj. wartość bieżąca wielkości odnoszona jest do ich wartości nominalnych

W tym przypadku H.H.H. nazywana cechą normalną. Ciekawostką jest to, że normalny X.H.H. dla prawie wszystkich S.G. są takie same. W rzeczywistych warunkach H.H.H. zaczyna się nie od początku współrzędnych, ale od pewnego punktu na osi rzędnych, który odpowiada szczątkowemu EMF e RES., spowodowanemu resztkowym strumieniem magnetycznym stali rdzenia magnetycznego.

Rysunek 4. Charakterystyka biegu jałowego w jednostkach względnych

Schematy schematyczne podniecenie S.G. ze wzbudzeniem a) i samowzbudzeniem b) pokazano na rysunku 4.

Rysunek 5. Schematy ideowe wzbudzenia S.G.

Pole magnetyczne S.G. pod obciążeniem.

Aby załadować S.G. lub zwiększyć jego obciążenie, konieczne jest zmniejszenie rezystancji elektrycznej między zaciskami fazowymi uzwojenia stojana. Następnie prądy będą przepływać przez zamknięte obwody uzwojeń fazowych pod wpływem pola elektromagnetycznego uzwojenia stojana. Jeśli założymy, że to obciążenie jest symetryczne, wówczas prądy fazowe tworzą MMF uzwojenia trójfazowego, które ma amplitudę

i obraca się wzdłuż stojana z prędkością obrotową n1 równą prędkości wirnika. Oznacza to, że MMF uzwojenia stojana F3Ф i MMF uzwojenia wzbudzenia FB, nieruchome względem wirnika, obracają się z tymi samymi prędkościami, tj. synchronicznie. Innymi słowy, są one nieruchome względem siebie i mogą wchodzić w interakcje.
Jednocześnie w zależności od charakteru obciążenia te MMF mogą być różnie zorientowane względem siebie, co zmienia charakter ich wzajemnego oddziaływania, a w konsekwencji właściwości eksploatacyjne generatora.
Zauważmy jeszcze raz, że wpływ MMF uzwojenia stojana F3Ф = Fa na MMF uzwojenia wirnika FВ nazywa się „reakcją twornika”.
W generatorach z biegunami niezasuniętymi szczelina powietrzna pomiędzy wirnikiem a stojanem jest jednolita, dlatego indukcja B1, wytworzona przez MMF uzwojenia stojana, rozkłada się w przestrzeni jak MMF F3Ф = Fa sinusoidalnie, niezależnie od położenia wirnik i uzwojenie wzbudzenia.
W generatorach z wystającym biegunem szczelina powietrzna jest nierówna ze względu na kształt nabiegunników oraz przestrzeń międzybiegunową wypełnioną miedzią w uzwojeniu wzbudzenia i materiały izolacyjne. Dlatego opór magnetyczny szczeliny powietrznej pod nabiegunnikami jest znacznie mniejszy niż w obszarze przestrzeni międzybiegunowej. Oś bieguna wirnika S.G. nazywają to osią podłużną d - d, a oś przestrzeni międzybiegunowej nazywa się osią poprzeczną S.G. q - q.
Oznacza to, że indukcja pola magnetycznego stojana i wykres jego rozkładu w przestrzeni zależą od położenia fali MMF F3F uzwojenia stojana względem wirnika.
Załóżmy, że amplituda MMF uzwojenia stojana F3Ф = Fa pokrywa się z osią wzdłużną maszyny d - d, a rozkład przestrzenny tego MMF jest sinusoidalny. Załóżmy również, że prąd wzbudzenia wynosi zero Ivo = 0.
Dla jasności zobrazujmy na rysunku przekrój liniowy tego MMF, z którego widać, że indukcja pola magnetycznego stojana w obszarze nabiegunnika jest dość duża, a w obszarze w przestrzeni międzybiegunowej gwałtownie maleje do prawie zera ze względu na duży opór powietrza.

Rysunek 6. Skan liniowy MMF uzwojenia stojana wzdłuż osi podłużnej.

Taki nierównomierny rozkład indukcji o amplitudzie B1dmax można zastąpić rozkładem sinusoidalnym, ale o mniejszej amplitudzie B1d1max.
Jeżeli maksymalna wartość stojana MMF F3Ф = Fa pokrywa się z osią poprzeczną maszyny, wówczas układ pola magnetycznego będzie inny, jak widać na skanie liniowym maszyny MMF.

Rysunek 7. Skan liniowy MMF uzwojenia stojana wzdłuż osi poprzecznej.

Tutaj również wielkość indukcji w obszarze wierzchołków biegunów jest większa niż w obszarze przestrzeni międzybiegunowej. I jest całkiem oczywiste, że amplituda głównej harmonicznej indukcji pola stojana B1d1 wzdłuż osi podłużnej jest większa niż amplituda indukcji pola B1q1 wzdłuż osi poprzecznej. Stopień redukcji indukcji B1d1 i B1q1 wywołany nierównością szczeliny powietrznej uwzględnia się za pomocą współczynników:

Zależą one od wielu czynników, a w szczególności od stosunku sigma/tau (przepraszam, że nie ma symbolu) (względna wielkość szczeliny powietrznej), od stosunku

(współczynnik nakładania się biegunów), gdzie VP to szerokość nabiegunnika i inne czynniki.

Niniejszy wynalazek dotyczy dziedziny elektrotechniki, a mianowicie bezszczotkowych maszyn elektrycznych, w szczególności generatorów prądu stałego, i może być stosowany w dowolnej dziedzinie nauki i technologii, która wymaga autonomicznych źródeł zasilania. Rezultatem technicznym jest stworzenie kompaktowego, wysokowydajnego generatora elektrycznego, który przy zachowaniu stosunkowo prostej i niezawodnej konstrukcji pozwala na szerokie zróżnicowanie parametrów wyjściowych prądu elektrycznego w zależności od warunków pracy. Istota wynalazku polega na tym, że bezszczotkowy generator synchroniczny z magnesami trwałymi składa się z jednej lub większej liczby sekcji, z których każda zawiera wirnik z okrągłym rdzeniem magnetycznym, na którym przymocowana jest parzysta liczba magnesów trwałych o tym samym skoku, stojan niosący parzystą liczbę elektromagnesów w kształcie podkowy, ułożonych parami naprzeciw siebie i posiadający dwie cewki o kolejno przeciwnych kierunkach uzwojenia, urządzenie do prostowania prądu elektrycznego. Magnesy trwałe są przymocowane do rdzenia magnetycznego w taki sposób, że tworzą dwa równoległe rzędy biegunów o naprzemiennej polaryzacji wzdłużnej i poprzecznej. Elektromagnesy są rozmieszczone w poprzek tych rzędów biegunów, tak że każda z cewek elektromagnesu znajduje się nad jednym z równoległych rzędów biegunów wirnika. Liczba biegunów w jednym rzędzie równa n spełnia zależność: n=10+4k, gdzie k jest liczbą całkowitą przyjmującą wartości 0, 1, 2, 3 itd. Liczba elektromagnesów w generatorze zwykle nie przekracza liczby (n-2). 12 pensji f-ly, 9 chorych.

Rysunki do patentu RF 2303849

Niniejszy wynalazek dotyczy bezszczotkowych maszyn elektrycznych, w szczególności generatorów prądu stałego, i może być stosowany w każdej dziedzinie nauki i technologii, która wymaga autonomicznych źródeł zasilania.

Synchroniczne maszyny prądu przemiennego są szeroko stosowane zarówno w produkcji, jak i zużyciu energii elektrycznej. Wszystkie maszyny synchroniczne mają właściwość odwracalności, to znaczy każda z nich może pracować zarówno w trybie generatora, jak i w trybie silnika.

Generator synchroniczny składa się ze stojana, zwykle pustego w środku laminowanego cylindra z podłużnymi rowkami na wewnętrznej powierzchni, w którym znajduje się uzwojenie stojana, oraz wirnika, czyli magnesów trwałych o zmiennej polaryzacji, umieszczonych na wale, które mogą być napędzane w jedną lub drugą stronę inny. W generatorach przemysłowych dużej mocy uzwojenie wzbudzenia umieszczone na wirniku służy do wytwarzania ekscytującego pola magnetycznego. Generatory synchroniczne o stosunkowo małej mocy wykorzystują magnesy trwałe umieszczone na wirniku.

Przy stałej prędkości obrotowej o kształcie krzywej pola elektromagnetycznego generowanej przez generator decyduje jedynie prawo rozkładu indukcji magnetycznej w szczelinie pomiędzy wirnikiem a stojanem. Dlatego też, aby uzyskać napięcie na wyjściu generatora o określonym kształcie i efektywnie przekształcić energię mechaniczną w energię elektryczną, stosuje się różne geometrie wirnika i stojana oraz optymalną liczbę trwałych biegunów magnetycznych i liczbę zwojów uzwojenia. wybrano uzwojenie stojana (US 5117142, US 5537025, DE 19802784, EP 0926806, WO 02/003527, US 2002153793, US 2004021390, US 2004212273, US 2004155537). Wymienione parametry nie są uniwersalne, ale dobierane są w zależności od warunków pracy, co często prowadzi do pogorszenia innych właściwości generatora elektrycznego. Ponadto złożony kształt wirnika lub stojana komplikuje produkcję i montaż generatora, a w rezultacie zwiększa koszt produktu. Wirnik synchronicznego generatora magnetoelektrycznego może mieć inny kształt Na przykład przy małej mocy wirnik jest zwykle wykonany w formie „gwiazdy”, przy średniej mocy - z biegunami w kształcie pazurów i cylindrycznymi magnesami trwałymi. Wirnik z biegunami pazurowymi umożliwia uzyskanie generatora z błądzeniem biegunów, co ogranicza prąd udarowy w przypadku nagłego zwarcia generatora.

W generatorze z magnesami trwałymi trudno jest ustabilizować napięcie przy zmianie obciążenia (ponieważ nie ma sprzężenia magnetycznego ze sprzężeniem zwrotnym, jak na przykład w generatorach z uzwojeniem wzbudzenia). Aby ustabilizować napięcie wyjściowe i wyprostować prąd, stosuje się różne obwody elektryczne (GB 1146033).

Celem niniejszego wynalazku jest stworzenie kompaktowego, wysokosprawnego generatora elektrycznego, który przy zachowaniu stosunkowo prostej i niezawodnej konstrukcji pozwala na szerokie zróżnicowanie parametrów wyjściowych prądu elektrycznego w zależności od warunków pracy.

Generator elektryczny wykonany według niniejszego wynalazku jest bezszczotkowym generatorem synchronicznym z magnesami trwałymi. Składa się z jednej lub więcej sekcji, z których każda zawiera:

Wirnik z okrągłym rdzeniem magnetycznym, na którym zamocowana jest parzysta liczba magnesów trwałych o tym samym skoku,

Stojan zawierający parzystą liczbę elektromagnesów w kształcie podkowy (w kształcie litery U), umieszczonych parami naprzeciw siebie i posiadający dwie cewki o kolejno przeciwnych kierunkach uzwojenia,

Urządzenie do prostowania prądu elektrycznego.

Magnesy trwałe są przymocowane do rdzenia magnetycznego w taki sposób, że tworzą dwa równoległe rzędy biegunów o naprzemiennej polaryzacji wzdłużnej i poprzecznej. Elektromagnesy są rozmieszczone w poprzek tych rzędów biegunów, tak że każda z cewek elektromagnesu znajduje się nad jednym z równoległych rzędów biegunów wirnika. Liczba biegunów w jednym rzędzie równa n spełnia zależność: n=10+4k, gdzie k jest liczbą całkowitą przyjmującą wartości 0, 1, 2, 3 itd. Liczba elektromagnesów w generatorze zwykle nie przekracza liczby n-2.

Urządzeniem do prostowania prądu jest zwykle jeden ze standardowych obwodów prostowniczych wykonanych z diod: pełnookresowy z punktem środkowym lub mostek podłączony do uzwojeń każdego elektromagnesu. W razie potrzeby można zastosować także inny obwód prostujący prąd.

W zależności od charakterystyki pracy generatora elektrycznego, wirnik może być umieszczony na zewnątrz stojana lub wewnątrz stojana.

Generator elektryczny wykonany według niniejszego wynalazku może składać się z kilku identycznych sekcji. Liczba takich sekcji uzależniona jest od mocy mechanicznego źródła energii (silnika napędowego) oraz wymaganych parametrów generatora elektrycznego. Zaleca się, aby sekcje były względem siebie przesunięte w fazie. Można to osiągnąć np. poprzez wstępne przesunięcie wirnika w sąsiednich odcinkach o kąt mieszczący się w zakresie od 0° do 360°/n; lub przesunięcie kątowe elektromagnesów stojana w sąsiednich sekcjach względem siebie. Korzystnie, generator elektryczny zawiera także moduł regulatora napięcia.

Istotę wynalazku ilustrują poniższe rysunki:

Figura 1(a) i (b) przedstawia schemat generatora elektrycznego wykonanego według niniejszego wynalazku, w którym wirnik jest umieszczony wewnątrz stojana;

Rysunek 2 przedstawia obraz jednej sekcji generatora elektrycznego;

Rysunek 3 przedstawia zasadę schemat elektryczny generator elektryczny z pełnookresowym obwodem prostowniczym prądu środkowego;

Rysunek 4 przedstawia schemat ideowy generatora elektrycznego z jednym z obwodów prostowniczych prądu mostkowego;

Rysunek 5 przedstawia schemat ideowy generatora elektrycznego z innym obwodem prostowania prądu mostkowego;

Rysunek 6 przedstawia schemat ideowy generatora elektrycznego z innym obwodem prostowania prądu mostkowego;

Rysunek 7 przedstawia schemat ideowy generatora elektrycznego z innym obwodem prostowniczym prądu mostkowego;

Ryc. 8 przedstawia schemat generatora elektrycznego z konstrukcją wirnika zewnętrznego;

Fig. 9 przedstawia widok wielosekcyjnego generatora skonstruowanego zgodnie z niniejszym wynalazkiem.

Figura 1(a) i (b) przedstawia generator elektryczny wykonany według niniejszego wynalazku, który zawiera obudowę 1; wirnik 2 z okrągłym rdzeniem magnetycznym 3, na którym zamocowana jest parzysta liczba magnesów trwałych 4 o tym samym skoku; stojan 5 zawierający parzystą liczbę elektromagnesów 6 w kształcie podkowy, umieszczonych parami naprzeciw siebie, oraz środek do prostowania prądu (niepokazany).

Obudowa 1 generatora elektrycznego jest zwykle odlewana ze stopu aluminium lub żeliwa lub spawana. Montaż generatora elektrycznego w miejscu jego instalacji odbywa się za pomocą łap 7 lub kołnierza. Stojan 5 ma kształt cylindryczny powierzchnia wewnętrzna, na którym przymocowane są identyczne elektromagnesy 6 o tym samym skoku, w tym przypadku dziesięć. Każdy z tych elektromagnesów ma dwie cewki 8 o kolejno przeciwnych kierunkach uzwojenia, umieszczone na rdzeniu 9 w kształcie litery U. Pakiet rdzenia 9 jest złożony z ciętych płyt ze stali elektrotechnicznej za pomocą kleju lub nitów. Zaciski uzwojeń elektromagnesu są połączone poprzez jeden z obwodów prostownika (niepokazany) z wyjściem generatora elektrycznego.

Wirnik 3 jest oddzielony od stojana szczeliną powietrzną i zawiera parzystą liczbę magnesów trwałych 4, rozmieszczonych w taki sposób, że powstają dwa równoległe rzędy biegunów, jednakowo oddalone od osi generatora i o naprzemiennej polaryzacji wzdłużnej i poprzecznej kierunkach (Rysunek 2). Liczba biegunów w jednym rzędzie spełnia zależność: n=10+4k, gdzie k jest liczbą całkowitą przyjmującą wartości 0, 1, 2, 3 itd. W tym przypadku (rysunek 1) n=14 (k=1) i odpowiednio całkowita liczba stałych biegunów magnetycznych wynosi 28. Kiedy generator elektryczny się obraca, każda z cewek elektromagnesu przechodzi przez odpowiedni rząd naprzemiennych biegunów. Magnesy trwałe i rdzenie elektromagnesów są kształtowane w taki sposób, aby zminimalizować straty i uzyskać (w miarę możliwości) równomierność pola magnetycznego w szczelinie powietrznej podczas pracy generatora prądu.

Zasada działania generatora elektrycznego wykonanego według niniejszego wynalazku jest podobna do zasady działania tradycyjnego generatora synchronicznego. Wał wirnika jest mechanicznie połączony z silnikiem napędowym (źródłem energii mechanicznej). Pod wpływem momentu obrotowego silnika napędowego wirnik generatora obraca się z określoną częstotliwością. W tym przypadku, zgodnie ze zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej, w uzwojeniu cewek elektromagnesu indukuje się pole elektromagnetyczne. Ponieważ cewki pojedynczego elektromagnesu mają inny kierunek uzwojeń i znajdują się w dowolnym momencie w strefie działania różnych biegunów magnetycznych, wówczas indukowane pole elektromagnetyczne w każdym z uzwojeń sumuje się.

Gdy wirnik się obraca, pole magnetyczne magnesu trwałego obraca się z określoną częstotliwością, więc każde z uzwojeń elektromagnesu przełącza się między północnym (N) a południowym (S) biegunem magnetycznym. W tym przypadku zmianie biegunów towarzyszy zmiana kierunku pola elektromagnetycznego w uzwojeniach elektromagnesów.

Uzwojenia każdego elektromagnesu połączone są z urządzeniem do prostowania prądu, którym jest zwykle jeden ze standardowych obwodów prostownika diodowego: pełnookresowy z punktem środkowym lub jeden z obwodów mostkowych.

Rysunek 3 przedstawia schemat prostownika pełnookresowego z punktem środkowym dla generatora elektrycznego z trzema parami elektromagnesów 10. Na rysunku 3 elektromagnesy są ponumerowane od I do VI. Jeden z zacisków uzwojenia każdego elektromagnesu i przeciwny zacisk uzwojenia przeciwnego elektromagnesu są podłączone do jednego wyjścia 12 generatora; pozostałe zaciski uzwojeń wymienionych elektromagnesów są połączone poprzez diody 11 z innym wyjściem 13 generatora (z to włączenie wyjście diody 12 będzie ujemne, a wyjście 13 będzie dodatnie). Oznacza to, że jeśli dla elektromagnesu I początek uzwojenia (B) jest podłączony do szyny ujemnej, to dla przeciwnego elektromagnesu IV koniec uzwojenia (E) jest podłączony do szyny ujemnej. To samo dotyczy innych elektromagnesów.

Rysunki 4-7 przedstawiają różne obwody prostowania prądu mostkowego. Połączenie mostków prostujących prąd z każdego z elektromagnesów może być równoległe, szeregowe lub mieszane. W ogóle różne schematy służy do redystrybucji prądu wyjściowego i potencjalnych charakterystyk generatora elektrycznego. Ten sam generator elektryczny, w zależności od trybów pracy, może mieć jeden lub drugi obwód prostowniczy. Zaleca się, aby generator elektryczny zawierał dodatkowy przełącznik umożliwiający wybór wymaganego trybu pracy (schemat podłączenia mostka).

Rysunek 4 przedstawia schemat ideowy generatora elektrycznego z jednym z obwodów prostowniczych prądu mostkowego. Każdy z elektromagnesów I-VI jest podłączony do osobnego mostka 15, które z kolei są połączone równolegle. Wspólne szyny są podłączone odpowiednio do ujemnego wyjścia 12 generatora elektrycznego lub do dodatniego 13.

Rysunek 5 pokazuje schemat elektryczny z szeregowym połączeniem wszystkich mostków.

Rysunek 6 przedstawia obwód elektryczny z połączeniem mieszanym. Mostki prostujące prąd z elektromagnesów: I i II; III i IV; V i VI są połączone parami szeregowo. Z kolei pary są połączone równolegle wspólnymi magistralami.

Rysunek 7 przedstawia schematyczny schemat elektryczny generatora elektrycznego, w którym oddzielny mostek prostuje prąd z pary diametralnie przeciwległych elektromagnesów. Dla każdej pary diametralnie przeciwnych elektromagnesów te same zaciski (w tym przypadku „B”) są ze sobą połączone elektrycznie, a pozostałe zaciski są podłączone do mostka prostowniczego 15. Całkowita liczba mostków wynosi m/2. Mostki można łączyć ze sobą równolegle i/lub szeregowo. Rysunek 7 pokazuje połączenie równoległe mosty.

W zależności od charakterystyki pracy generatora elektrycznego, wirnik może być umieszczony na zewnątrz stojana lub wewnątrz stojana. Rysunek 8 przedstawia schemat generatora elektrycznego o konstrukcji wirnika zewnętrznego (10 elektromagnesów; 36=18+18 magnesów trwałych (k=2)). Konstrukcja i zasada działania takiego generatora elektrycznego są podobne do opisanych powyżej.

Generator elektryczny wykonany według niniejszego wynalazku może składać się z kilku sekcji A, B i C (rys. 9). Liczba takich sekcji uzależniona jest od mocy mechanicznego źródła energii (silnika napędowego) oraz wymaganych parametrów generatora elektrycznego. Każda sekcja odpowiada jednemu z projektów opisanych powyżej. Generator elektryczny może składać się zarówno z sekcji identycznych, jak i sekcji różniących się między sobą liczbą magnesów trwałych i/lub elektromagnesów lub obwodem prostowniczym.

Zaleca się, aby identyczne sekcje były względem siebie przesunięte w fazie. Można to osiągnąć na przykład poprzez wstępne przesunięcie wirnika w sąsiednich sekcjach oraz kątowe przesunięcie elektromagnesów stojana w sąsiednich sekcjach względem siebie.

Przykłady realizacji:

Przykład 1. Zgodnie z niniejszym wynalazkiem wyprodukowano generator elektryczny przeznaczony do zasilania urządzeń elektrycznych napięciem do 36 V. Generator elektryczny wykonany jest z obracającego się wirnika zewnętrznego, na którym umieszczono 36 magnesów trwałych (po 18 w każdym rzędzie, k = 2), wykonane ze stopu Fe-Nd -IN. W stojanie znajduje się 8 par elektromagnesów, z których każdy ma dwie cewki zawierające 100 zwojów drutu PETV o średnicy 0,9 mm. Obwód przyłączeniowy ma charakter mostkowy, z połączeniem tych samych zacisków diametralnie przeciwnych elektromagnesów (rys. 7).

średnica zewnętrzna - 167 mm;

napięcie wyjściowe - 36 V;

maksymalny prąd - 43 A;

moc - 1,5 kW.

Przykład 2. Zgodnie z niniejszym wynalazkiem wyprodukowano generator elektryczny przeznaczony do ładowania zasilaczy (pary akumulatorów 24 V) miejskich pojazdów elektrycznych. Generator elektryczny zbudowany jest z obracającego się wirnika wewnętrznego, na którym umieszczono 28 magnesów trwałych (po 14 w każdym rzędzie, k=1), wykonanych ze stopu Fe-Nd-B. W stojanie znajduje się 6 par elektromagnesów, z których każdy ma dwie cewki zawierające 150 zwojów, nawinięte drutem PETV o średnicy 1,0 mm. Obwód przełączający jest pełnookresowy z punktem środkowym (ryc. 3).

Generator elektryczny ma następujące parametry:

średnica zewnętrzna - 177 mm;

napięcie wyjściowe - 31 V (do ładowania pakietu akumulatorów 24 V);

maksymalny prąd - 35A,

maksymalna moc - 1,1 kW.

Dodatkowo agregat prądotwórczy zawiera automatyczny regulator napięcia 29,2 V.

FORMUŁA WYNALAZKU

1. Generator elektryczny posiadający co najmniej jeden przekrój kołowy, w tym wirnik z okrągłym rdzeniem magnetycznym, na którym jest przymocowana parzysta liczba magnesów trwałych o tym samym skoku, tworzących dwa równoległe rzędy biegunów o polaryzacji naprzemiennej wzdłużnie i poprzecznie, a stojan przenoszący parzystą liczbę elektromagnesów w kształcie podkowy, umieszczonych parami naprzeciw siebie, urządzenie do prostowania prądu elektrycznego, w którym każdy z elektromagnesów ma dwie cewki o kolejno przeciwnych kierunkach uzwojenia, przy czym każda z cewek elektromagnesu znajduje się nad jedną z równoległe rzędy biegunów wirnika i liczba biegunów w jednym rzędzie równa n spełnia stosunek

n=10+4k, gdzie k jest liczbą całkowitą przyjmującą wartości 0, 1, 2, 3 itd.

2. Generator elektryczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że liczba elektromagnesów stojana m spełnia zależność m n-2.

3. Generator elektryczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że urządzenie do prostowania prądu elektrycznego zawiera diody podłączone do co najmniej jednego z zacisków uzwojenia elektromagnesu.

4. Generator elektryczny według zastrzeżenia 3, znamienny tym, że diody są połączone w obwód pełnookresowy z punktem środkowym.

5. Generator elektryczny według zastrzeżenia 3, znamienny tym, że diody są połączone w obwód mostkowy.

6. Generator elektryczny według zastrzeżenia 5, znamienny tym, że liczba mostków jest równa m i są one połączone ze sobą szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle.

7. Generator elektryczny według zastrzeżenia 5, znamienny tym, że liczba mostków jest równa m/2 i niektóre z tych samych wyjść każdej pary diametralnie przeciwległych elektromagnesów są połączone ze sobą, a pozostałe są połączone z jednym mostkiem .

8. Generator elektryczny według któregokolwiek z zastrzeżeń 1-7, znamienny tym, że wirnik jest umieszczony na zewnątrz stojana.

9. Generator elektryczny według któregokolwiek z zastrzeżeń 1-7, znamienny tym, że wirnik jest umieszczony wewnątrz stojana.

10. Generator elektryczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera co najmniej dwie identyczne sekcje.

11. Generator elektryczny według zastrzeżenia 10, znamienny tym, że co najmniej dwie sekcje są względem siebie przesunięte w fazie.

12. Generator elektryczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera co najmniej dwie sekcje różniące się liczbą elektromagnesów.

13. Generator elektryczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera dodatkowo zespół regulatora napięcia.