Синхронний безконтактний електрогенератор

Изобретение относится к электротехнической промышленности, властности к бесконтактным генераторам и может использоваться, например, в ветряных и гидроэлектростанциях, в транспортных средствах и электротранспортере. Известно, что в ряде случаев (в пожаро- и взрывоопасных условиях, абразивной и химически активной среде), единственным вариантом средств выработки электроэнергии являются бесконтактные синхронные генераторы, которые не содержат скользящих электрических контактов и имеют простую и надежную конструкцию. В настоящее время в научно-технической литературе описано большое количество конструкций бесконтактных синхронных генераторов в одно- и трехфазном исполнении [Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М., Высшая школа, 1985]. Обычно эти электрические машины содержат неподвижный статор с якорной обмоткой и обмоткой возбуждения, а также ротор. Якорные обмотки и обмотки возбуждения охватывают неподвижно закрепленный магнитопровод, ротор снабжен магнитопроводом, взаимодействующим с магнитопроводом статора. Ротор обеспечивает переменное размыкание и замыкание через себя магнитного потока в якоре, что вызывает возникновение ЭДС в обмотках якоря. Питание обмоток возбуждения, чаще всего, обеспечивается подключением их к обмоткам якоря (через выпрямитель) [Авт.св. СССР № 463199, кл. Η 02 К 19/22; № 1117785. кл. Η 02 К 19/28]. В этих и подобных им конструкциях генераторов роторы имеют большие массы и габариты, поскольку магнитный поток пронизывает все их "тело" и для снижения потерь магнитопроводящие элементы ротора выполняются с большими габаритами. Известен индукторный генератор (Авт.св. СССР №674160, кл. Η 02 К 19/22). Такой генератор способен развивать большие мощности благодаря тому, что зазор между магнитопроводом ротора и статора имеет большую площадь и обеспечивает эффективное их магнитное взаимодействие. Для этого статор снабжен коническим наконечником, в котором установлен соосный ему соответствующий наконечник ротора. Однако наличие таких наконечников заметно усложняет изготовление, сборку и регулировку генератора, Наличие наконечников увеличивает величину вращающи хся масс, требующи х балансировки и создающих нагрузку на подшипники. Наиболее совершенным среди известных и ближайшим к предложенному устройству по техническому существу является индукторный генератор, защищенный авт.св. СССР №970576, кл. Η 02 К 10/20. Данный генератор содержит статор, закрепленный в неподвижном корпусе. Статор включает магнитопровод в виде торцевого ярма снабженного парами выступов, на каждом из которых установлена якорная катушка. Магнитопровод статора снабжен ступицей, которая с радиальным зазором охватывает вращающийся вал ротора. На ступице расположена тороидальная обмотка возбуждения. Ротор данного генератора выполнен в виде диска (звездочка с числом зубцов р= 10) из магнитопроводящего материала, который закреплен на валу. Диск снабжен окнами. Он установлен в пространстве ограниченном выступами магнитопровода. В процессе работы ротор взаимодействует своими зубцами, с боковыми поверхностями концов выступов магнитопровода. Описанный генератор не может развивать большой мощности и поэтому (по мнению заявителя данного изобретения) наиболее целесообразно использовать его в качестве тахогенератора. Это обусловлено тем, что для обеспечения большой электрической мощности необходимы якорные катушки больших размеров. Однако, для их размещения в данной конструкции нет необходимого места. Упомянутые катушки размещаются на выступах магнитопровода. Их радиальный размер ограничен тем, что значительная часть пространства ограничена выступами, заполнена валом, ступицей магнитопровода и катушкой возбуждения, Кроме этого в пространстве, ограниченном выступами магнитопровода размещается и диск ротора. Увеличить размеры катушки в осевом направлении также не представляется возможным, поскольку выступы якорных катушек представляют собой длинные консоли, нагруженные поперечными усилиями, приложенными к их концам (т.е. усилиями магнитного взаимодействия статором). Увеличение длины выступов с целью увеличения осевых размеров якорных катушек создает проблемы с обеспечением прочности консолей. Кроме этого, в описанном генераторе тороидальная катушка подмагничивания создает во всех выступах магнитопровода магнитное поле одинаковой полюсности. Иными словами, на концах все х выступов на ходится одинаковый полюс (Ν или S). При вращении ротора, выполненного в виде диска, вследствие изменения магнитного сопротивления между каждым из зубцов ротора и соответствующим ему выступом статора изменяется сцепление магнитного потока с витками катушек якоря, что наводит в них ЭДС. Однако магнитный поток возбуждения в данном генераторе замыкается непосредственно через приводной вал. В результате чего в процессе работы генератора его вал будет намагничен, при этом не исключена возможность налипания на вал генератора металлических частиц. Намагниченным окажется и подшипник, в котором вращается приводной вал. Поэтому и к нему будут налипать металлические частицы. Это приведет к преждевременному износу отдельных деталей генератора. Путь замыкания потока возбуждения, создаваемого тороидальной обмоткой проходит через зубчатый диск ротора, выступ статора, ста тор и вал генератора. При этом он будет преодолевать два воздушных зазора между зубцами ротора и выступами статора, а второй между статором и приводным валом генератора. Это приведет к увеличению магнитного сопротивления, а значит к уменьшению потока возбуждения и наведению ЭДС. В основу изобретения положена задача усовершенствования бесконтактного синхронного генератора, путем изменения конструкции статора и диска ротора, а также изменения их взаимного расположения, что позволяет увеличить мощность и исключить неоправданные потери энергии. Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известном бесконтактном синхронном электрогенераторе, содержащем магнитопровод статора с катушками возбуждения, выполненный в виде торцевого ярма, с парами диаметрально противоположных консольных выступов, на каждом из которых установлена катушка якорной обмотки, и ротор в виде диска из магнитопроводящего материала, установленного с возможностью вращения вокруг оси статора, согласно изобретению, магнитопровод статора снабжен вторым ярмом с консольными выступами, на которых установлены катушки возбуждения, при этом оба ярма снабжены тремя ларами выступов, расположенных друг против друга и образующи х между торцами зазор, в котором расположен диск ротора, снабженный четырьмя сквозными окнами, ширина каждого из которого выполнена не меньшей нем сумма величины шага выступов и ширины одного выступа, а катушки возбуждения на соседних выступах обращены к диску торцами противоположной полюсности. Техническим результатом решения задачи является увеличение мощности генератора и исключение неоправданных потерь энергии. Общими с прототипом признаками изобретения следует счита ть: - бесконтактный синхронный генератор; - генератор содержит магнитопровод статора с катушками возбуждения; - магнитопровод состоит из торцевого ярма снабженного парами диаметрально противоположных выступов; - на каждом из выступов установлена катушка якорной обмотки; - генератор содержит ротор в виде диска из магнитопроводящего материала; - диск установлен с возможностью вращения вокруг оси статора. К новым признакам изобретения следует отнести то, что магнитопровод статора снабжен вторым ярмом с выступами; на выступах ярма установлены катушки возбуждения; оба ярма выполнены с тремя парами выступов расположенных друг против др уга; торцы выступов образуют зазор; в зазоре расположен диск ротора; диск снабжен четырьмя сквозными окнами; ширина каждого окна выполнена не меньше чем сумма величины шага выступов· и ширины одного выступа; катушки возбуждения на соседних выступа х обращены к диску торцами противоположной полюсности. Дополнительно, поставленная задача решается тем, что диск закреплен по внешнему ободу в корпусе, который посредством подшипников установлен на неподвижной оси, на которой закреплен статор. В результате предложенных усовершенствований магнитопровод статора представляет собой две самостоятельные части аналогичной конструкции (с торцевым ярмом и выступами). Таким образом якорные катушки и катушки возбуждения расположены на разных частях магнитопровода и могут иметь в радиальном направлении большие размеры, т.е. заполнять практически все пространство между внутренней поверхностью ротора и внешней поверхностью оси генератора. В осевом направлении эти катушки могут иметь также большие размеры, поскольку усилие от магнитного взаимодействия выступов, расположенных друг против друга, направлено вдоль выступов и, не вызывает проблем с обеспечением их необходимой прочности. Благодаря подбору ширины окон в диске ротора, каждое из которых перекрывает две пары полюсов, и наличию четырех перемычек, расположенных между окнами, которые замыкают магнитные силовые линии третьей пары полюсов обеспечивается уравновешивание силы магнитного притяжения и отталкивания, действующи х на перемычки диска. Это позволяет уменьшить тормозной момент, а значит и снизить затраты механической энергии приложенной к ротору генератора. Закрепление диска по периферии (т.е. по внешнему ободу) в корпусе, который установлен посредством подшипников вместе со статором на неподвижной оси позволяет обеспечить необходимую прочность диска, способного выдержать значительные нагрузки, обусловленные взаимодействием его с магнитными полями статора. На фиг.1 изображено продольное сечение генератора, встроенного в колесо транспортного средства; на фиг.2 - схема взаимного расположения диска и консольных выступов магнитопровода; на фиг.3 электрическая схема подключения катушек возбуждения к якорным катушкам; на фиг.4 - торцевое ярма с консольными выступами. Предложенный генератор на фиг.1 изображен вмонтированным в ступицу 1 колеса транспортного средства, При этом ступица 1 установлена на неподвижной оси 2 посредством подшипников 3. На ступице 1 укреплён диск 4 колеса транспортного средства с шиной 5. Генератор может быть встроенным во вращающийся канатный барабан лифта или подъемного крана. Возможны и другие варианты использования генератора. Генератор содержит статор, выполненный в виде торцевого ярма (фиг.4) и закрепленный на упомянутой выше неподвижной оси 2. Статор содержит якорные катушки, установленные на трех парах консольных выступов 7 одной части магнитопровода статора и катушки 8 возбуждения на трех парах консольных выступов 9 второй части магнитопровода статора. Обе части этого магнитопровода содержат по три пары упомянутых консольных выступов 7 и 9 расположенных друг против друга. Каждая из обеих частей магнитопровода содержит торцевое ярмо (фиг.4) с уже упомянутыми консольными выступами 7 или 9 расположенными по окружности (фиг.2) с постоянным шагом. Торцы консольных выступов 7 и 8 обеих частей магнитопровода отстоят друг от др уга, образуя воздушный зазор 10. Ротор генератора выполнен в виде диска 11 из магнитопроницаемого материала, закрепленного по внешнему ободу 12 на ступицу 1 колеса и размещенного в воздушном зазоре 10. Диск 11 снабжен сквозными окнами 13 (фиг.2) расположенными против консольных выступов магнитопроводов 7 и 9. Иными словами в варианте изображенном на фиг.1 магнитопроводы с консольными выступами 7 и 9, катушками 6 и 8 являются неподвижными элементами, а диск 11 с окнами 13 (фиг.2) на вращающейся ступице 1 является подвижным элементом. Для защиты якорных катушек 6 от попадания пыли и грязи предусмотрен экран 14. Диск 11 снабжен четырьмя окнами 13, отделенными друг от др уга четырьмя перемычками 15. Окна 13 расположены по окружности с постоянным шагом. Каждое окно 13 ограничено внешней и внутренней дугами. Ширина окон 13 в радиальном направлении (т.е. расстояние между внешней и внутренней дугами) выполнено несколько большей ширины выступов 7 (фиг.2) в радиальном направлении. Ширина окон 13 в окружном направлении выполнена равной или превышающей расстояние равное сумме величины шага между выступами 7 и ширины одного выступа 7 в окружном направлении. Иными словами, радиальная ширина окон 13 выполнена такой, что одно окно 13 полностью перекрывает два соседних консольных выступа 7. Ширина перемычек 15, как уже указывалось, выполнена не меньшей чем окружная ширина консольных выступов 7 для их надежного взаимодействия. Соседние катушки возбуждения 8 на консольных выступах 9 магнитопровода обращены к диску разноименными полюсами (фиг.2). Для этого вход одной катушки возбуждения 8 подключен к выходу соседней с ней катушки возбуждения 8. Питание катушек возбуждения 8 производится от якорных катушек 6 через выпрямитель (фиг.3). Диаметрально противоположные концы консольных выступов 9 с катушками возбуждения 8 обращены к диску 11 противоположными полюсами. Таким образом, в окружном направлении консольные выступы 9 с катушками возбуждения 8 магнитопровода имеют чередующуюся полюсность, т.е. соседние выступы имеют противоположную полюсность (фиг.2). Предложенный генератор работает следующим образом. В результате вращения ступицы 1 колеса транспортного средства, или какого-либо другого вращающегося элемента, диск 11 вращается вокруг оси генератора в воздушном зазоре 10 между торцами консольных выступов 7 и 9 магнитопровода. В результате этого воздушный зазор 10 между каждой парой встречно расположенных консольных выступов 7 и 9 поочередно перекрывается окнами 13 и перемычками 15 диска 11. При этом, если в данный момент времени в промежутке между выступами 7 и 9 находится перемычка 15 из магнитопроводящего материала диска 11, то магнитный поток, созданный катушкой возбуждения 8 с полюсностью N проникает в материал перемычки 15 и распространяется по телу диска 11 к диаметрально противоположному консольному выступу 9 магнитопровода с полюсностью S и замыкается через торцевое ярмо, изображенное на фиг.4. В этом положении остальные две пары консольных выступов 9 перекрыты окнами 13 диска 11. При этом магнитные потоки, создаваемые соответствующими катушками возбуждения 8 проникают сквозь окна 13 в расположенные против них консольные выступы 7 другой части магнитопровода, а далее через торцевое ярмо (изображенное на фиг.4) замыкается на диаметрально противоположные им консольные выступы 9 катушек возбуждения 8 с обратной полюсностью. Таким образом, магнитный поток, создаваемый катушками возбуждения 8 на диаметрально противоположных парах консольных выступов замыкается, либо через материал диска 11, либо через магнитопровод якорных катушек 6, в зависимости от того, окно 13 или перемычка 15 диска 11 перекрывает воздушный зазор 10 между встречными консольными выступами 7 и 9 магнитопровода. Вращение диска 11 обеспечивает поочередное перекрывание каждого воздушного зазора 10 окнами 13 или перемычками 15. В результате этого магнитопроводе соответствующей якорной катушки 6 происходит пульсация магнитного потока, что вызывает возникновение в этой якорной катушке 6 электродвижущей силы ЭДС. Ток, протекающий в якорных катушках 6, отводится к потребителю, а также через выпрямитель (фиг.3) питает катушки возбуждения 8, создающие магнитный лоток, а вращающийся диск 11 с окнами 13 и перемычками 15 обеспечивает его пульсацию. В начальный момент работы генератора, когда в катушке возбуждения 8 ток отсутствует, незначительный магнитный поток создается за счет остаточной намагниченности материала этого магнитопровода. Этот поток обеспечивает пуск генератора. Он усиливается за счет наростання влияния катушек возбуждения 8, с каждым следующим импульсом и достигает максимального значения. В процессе работы генератора проявляется еще одно его положительное качество. Диск генератора 11 при вращении взаимодействует с магнитопроводом статора своими перемычками 15 из магнитопроводящего материала, Во взаимодействии с консольными выступами 9 находятся две диаметрально противоположные перемычки 15 4 (обозначим их Α1 и А2). При этом первая из них Α1 располагается в воздушном зазоре 10 против консольного выступа 9 катушки возбуждения 8 с полюсностью Ν, а вторая А2 т.е. диаметрально противоположная первой располагается в воздушном зазоре 10 против консольного выступа 9 с полярностью S. Окна 13 диска 11 перекрывающие в этом положении, промежутки между двумя другими парами консольных выступов 9, силового воздействия от их магнитных полей не испытывают. В начальный момент, т.е. при приближении первой перемычки Α1 к воздушному зазору 10 между консольными выступами 7 и 9, она испытывает притягивающее воздействие магнитного поля катушки возбуждения 8 с полюсностью Ν, и вторая перемычка А2 приближаясь к зазору 10 (диаметрально противоположному) испытывает тоже притягивающее воздействие катушки возбуждения 8, с полюсностью S. А в это время две другие перемычки 15 (обозначим их Б1 и Б2) уходят из воздушного зазора 10 между другой парой консольных выступов 9 катушек возбуждения 8 с соответствующей полюсностью N и S и тоже притягиваются этими полюсами. Но сила магнитного притяжения, которая действует на перемычки Б1 и Б2, направлена в противоположную сторону по отношению к силе магнитного притяжения, которая действует на перемычки A1 и А2 , поскольку эти силы равны по величине, но противоположны по направлению, то они уравновешивают др уг др уга, в результате чего устраняется противодействие вращению диска. Таким образом, энергия вращения ступицы колеса транспортного средства или другого вращающегося объекта, в который встроен предложенный генератор, преобразуется в электрическую энергию с меньшими затратами механической энергии, которая уходит на вра щение ротора.