Електрогенератор постійного струму

Реферат: Електрогенератор постійного струму містить ротор із закріпленими на валу паралельними дисками з постійними магнітами, що чергуються своїми полюсами. Полюси протилежних магнітів на сусідніх дисках різнополярні. Між сусідніми дисками ротора диск статора з розміщеними з постійним кроком електромагнітними котушками без сердечників. Постійні магніти і обмотки електромагнітних котушок мають трапецієподібну форму, їх кількість парна. Кількість магнітів на два більша, ніж котушок. Статор складається не менше ніж з двох паралельних дисків. Зовнішні диски в електрогенераторі роторні, виготовлені з магнітом'якого матеріалу. Внутрішній(і) диск(и) ротора виготовлений(і) з діелектричного матеріалу. . Електромагнітні котушки на послідовних дисках статора зміщені на кут 360°/(n m), де n кількість котушок на одному диску статора, m - кількість дисків статора. UA 93688 U (12) UA 93688 U UA 93688 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехніки і може бути використана у вітроенергетичних установках для вироблення електроенергії, зокрема, в установках з осьовим напрямом основного магнітного потоку в немагнітному зазорі. Відомий аналог є електрогенератор постійного струму [1], який має ротор, що складається з дисків, на поверхні яких радіально розташовані постійні магніти циліндрової форми. Статор виконаний з нерухомих діелектричних дисків із закріпленими на них циліндровими електромагнітними котушками. Кількість магнітів і котушок однакова. Диски статора розміщені між дисками ротора. Генератор поміщений в кожух, до якого жорстко закріплені диски статора. Диски ротора закріплені на валу і обертаються разом з ним. Аналог має ряд істотних недоліків: із-за того, що використані магніти і котушки циліндрової форми, між ними існують істотні зазори, які не охоплюються основним потоком магнітної індукції. Це призводить до необхідності збільшення кількості витків котушок, що підвищує енергетичні втрати, які йдуть на нагрів котушок. Також збільшується внутрішній опір електрогенератора і знижується його коефіцієнт корисної дії (ККД); в матеріалі дисків та магнітів ротора виникає значний додатковий магнітний опір. Завдяки цьому неефективно використовується магнітний потік і нагріваються конструктивні елементи генератора; при однаковій кількості магнітів і котушок підвищується вібрація при електричному навантаженні і, як наслідок, зростає рівень шуму в процесі роботи. Відомий аналог є електрогенератор постійного струму [2], у якому ротор містить магніти трапецієподібної форми, які закріплені вздовж кола на кришці та основі корпусу генератора. Основа корпусу і кришка виготовлені з магнітопровідного матеріалу. Магніти на роторі встановлені так, що їх полюси чергуються. Протилежні магніти на кришці і основі мають різнополярні полюси. Між магнітами ротора розташований статор у вигляді диска з діелектричного немагнітного матеріалу, в радіальних отворах якого розташовані електромагнітні обмотки плоскої котушки. Використання трапецієподібної форми магнітів дозволяє зменшити зазори між ними, що сприяє деякому підвищенню ККД генератора. Проте, в конструкції статора спостерігається неефективне використання електромагнітних обмоток, тому що значна їх частина розташована поза дією магнітного поля. Ці частини обмоток чинять додатковий опір струму, що збільшує внутрішній опір генератора і обмежує рівень ККД. Крім того, з графічного зображення генератора помітно, що зовнішні частини ротора виступають за межі робочої частини системи котушок. Це підсилює момент інерції поза магнітною системою, що погіршує динамічні характеристики генератора. Найближчий аналог до корисної моделі є електрогенератор постійного струму [3], що містить ротор із закріпленими на валу паралельними дисками з постійними магнітами, що чергуються своїми полюсами. Протилежні магніти на сусідніх дисках мають різнополярні полюси. Між дисками ротора розташований диск статора з розміщеними з постійним кроком електромагнітними котушками без сердечників. Постійні магніти і обмотки електромагнітних котушок мають трапецієподібну форму, їх кількість парна, та кількість магнітів на два більша, ніж котушок. Диск статора виконаний з діелектричного матеріалу. У найближчого аналога забезпечується малий магнітний опір сукупності магнітів та його лінійність, що сприяє збільшенню магнітної індукції в робочому зазорі і зменшує втрати на перемагнічування. Також забезпечується висока ефективність використання магнітного потоку ротора, що приводить до збільшення питомої потужності електрогенератора і підвищення його ККД. При цьому досягається рівномірність розподілу навантаження на конструкцію ротора із забезпеченням симетрії по діаметру, що, у свою чергу, сприяє зменшенню вигинаючого навантаження на вал. Проте, магнітне поле котушок, що виникає при протіканні струму, не може перевищити величину поля, створюваного постійними магнітами ротора. Із-за цього неможливо збільшити максимальну потужність генератора із збереженням його поперечних габаритів і максимальної частоти обертання ротора. Також велика маса магнітопроводів ротора призводить до значного моменту інерції ротора та до збільшення маси генератора при обмеженій максимальній потужності. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення конструкції електрогенератора для збільшення як максимальної, так і питомої потужності, підвищення ККД при збереженні його поперечних габаритів та зменшенні вібрації і шуму в процесі роботи. Такий результат повинен досягатися шляхом використання декількох дисків статора, вибором матеріалів для внутрішніх та зовнішніх дисків ротора, а також зміщенням на певний кут котушок у сусідніх дисках статора. Поставлена задача вирішується тим, що електрогенератор постійного струму містить ротор із закріпленими на валу паралельними дисками з постійними магнітами, що чергуються своїми 1 UA 93688 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 полюсами, з різнополярними полюсами протилежних магнітів на сусідніх дисках. Між дисками ротора розташований диск статора з розміщеними з постійним кроком електромагнітними котушками без сердечників. Постійні магніти і обмотки електромагнітних котушок мають трапецієподібну форму, їх кількість парна та кількість магнітів на два більша, ніж котушок. На відміну від найближчого аналога, в корисній моделі статор складається не менше ніж з двох паралельних дисків. Зовнішні диски електрогенератора роторні і виготовлені з магнітом'якого матеріалу. Внутрішній(і) диск(и) ротора виготовлений(і) з діелектричного матеріалу. Електромагнітні котушки на послідовних дисках статора зміщені на кут, який . дорівнює 360°/(n m), де n - кількість котушок на одному диску статора, m - кількість дисків статора. Завдяки вищевказаним відмітним особливостям електрогенератора забезпечується збільшення його потужності і підвищення ККД. Це обумовлюється використанням в конструкції електрогенератора полегшених діелектричних матеріалів та зменшенням кількості магнітів при збереженні конфігурації магнітного поля. При цьому зміщення на вказаний вище кут електромагнітних котушок на послідовних дисках статора призводить до зменшення пульсацій вихідної напруги та зменшенню деформацій привідного вала і всієї конструкції генератора, що в свою чергу забезпечує зменшення вібрації і шуму електрогенератора. Корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображений загальний вид електрогенератора в розрізі; на фіг. 2 зображений диск ротора з постійними магнітами; на фіг. 3 показано диск статора з електромагнітними котушками; на фіг. 4 зображена схема підключення котушок диска статора до багатофазного випрямляча. У корисній моделі (фіг. 1 - фіг. 3) ротор містить зовнішні диски 1 та внутрішній диск 2. Зовнішні диски 1 виготовлені з магнітом'якої сталі, діаметром 140 мм та завтовшки 2,5 мм. Внутрішній диск 2 виготовлений з діелектричного матеріалу. Диск 2 включає немагнітну центральну вставку товщиною 5 мм та діаметром 40 мм і дві діелектричні пластини товщиною 0,5 мм та діаметром 140 мм з ребрами, які визначають розташування магнітів на диску і величину зазорів між ними. На кожному диску жорстко закріплені постійні магніти 3 у формі рівнобедрених трапецій. Число магнітів однаково і парне. Для запобігання корозії магнітів і додаткової фіксації вільний простір між магнітами заповнюється епоксидною смолою. Магніти 3 виконані зі сплаву NdFeB, які встановлені радіально по кільцю і чергуються полюсами. Полюси постійних магнітів одного диска ротора звернені до протилежних полюсів постійних магнітів наступного диска. Для забезпечення необхідного робочого зазору в роторі використовується циліндровий виступ, що є частиною привідного вала 4, та циліндрична вставка 5, що встановлена на валу і фіксується гвинтами. Вал 4 закріплений підшипниками 6 в корпусі генератора 7, до якого жорстко приєднані диски статора 8. На кожному з двох дисків (m=2) статора 8 (див. фіг. 1, 3) закріплена плоска система котушок 9 без сердечників, завтовшки 7 мм. Кількість котушок /і на одному диску статора дорівнює 16. Обмотки котушок виконані у формі рівнобедрених трапецій. Трапеції розташовані по колу діелектричного диска 8, щодо осі обертання ротора. Котушки 9 на послідовних дисках статора зміщені на кут, що дорівнює 360°/(nхm) = 360°/(16*2) = 11,25°. На кожному діелектричному диску статора 8 монтуються діоди багатофазного випрямляча (D1-D32) (див. фіг.4). Обмотки всіх котушок (L1-L16) з'єднані через діоди паралельно і ці загальні виводи шин є виходом генератора. Корисна модель працює наступним чином. При обертанні дисків ротора 1, 2 відбувається зміна магнітного потоку через електромагнітні котушки 9 статора 8, який через вал 4 закріплений підшипниками 6 і циліндричною вставкою 5 в корпусі генератора 7. Це викликає виникнення синусоїдальної ЕРС в витках обмоток котушок 9. Парність кількості магнітів 3 і електромагнітних котушок 9 призводить до того, що в парі електромагнітних котушок, що лежать на одному діаметрі, збуджуються ЕРС, протилежні по фазі. Підсумовування струмів, зміщених по фазах, для формування вихідного струму з низьким рівнем пульсацій забезпечується кутовими зсувами між парами електромагнітних котушок 9 і магнітів 3 в навантаженні, а також зміщенням електромагнітних котушок на сусідніх дисках статора при паралельному електричному з'єднанні декількох дисків статора. Електромагнітні котушки кожного диска статора можуть бути підключені до окремого багатофазного випрямляча. Комутацію кожного виходу випрямляча можна робити послідовно або паралельно, в залежності від поставлених задач (наприклад, отримання більшого струму або більшої напруги). 2 UA 93688 U 5 Конструкція корисної моделі забезпечує збільшення максимальної і питомої потужності, підвищення ККД генератора, а також зниження рівня шуму і амплітуди пульсацій в процесі роботи. Джерело інформації: 1. Патент Великобританії № GB 2118376 А. 2. Патент РФ № 2423773. 3. Патент України № 88420 (найближчий аналог). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Електрогенератор постійного струму, що містить ротор із закріпленими на валу паралельними дисками з постійними магнітами, що чергуються своїми полюсами, причому полюси протилежних магнітів на сусідніх дисках різнополярні, між сусідніми дисками ротора диск статора з розміщеними з постійним кроком електромагнітними котушками без сердечників, за умови, що постійні магніти і обмотки електромагнітних котушок мають трапецієподібну форму, їх кількість парна та кількість магнітів на два більша, ніж котушок, який відрізняється тим, що статор складається не менше ніж з двох паралельних дисків, зовнішні диски в електрогенераторі роторні, виготовлені з магнітом'якого матеріалу, внутрішній(і) диск(и) ротора виготовлений(і) з діелектричного матеріалу, а електромагнітні котушки на послідовних дисках . статора зміщені на кут, який дорівнює 360°/(n m), де n - кількість котушок на одному диску статора, m - кількість дисків статора. 3 UA 93688 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4