Высокоскоростной многофазный синхронный генератор
Владельцы патента RU 2599056:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к устройствам, использующимся в системах автономного электроснабжения. Технический результат - уменьшение потерь на вихревые токи и перемагничивание, механическая устойчивость на критических частотах. В корпусе электрической машины расположен ротор и n статоров с размещенными на них однофазными обмотками. При этом на роторе, который установлен на дополнительных газодинамических подшипниках, расположены постоянные магниты, а статоры с размещенными на них однофазными зубцовыми обмотками выполнены из отдельных сегментов, набранных из листов аморфной стали, повернуты относительно друг друга на угол , где m - число фаз, и размещены так, что длина вылета лобовых частей l однофазной зубцовой обмотки противопоставленного статора компенсирована расположением в свободном пространстве между статорами, угол α между фазами выходных напряжений генератора достигается смещением как самих статоров, так и магнитов на роторе относительно соответствующего им статора. 6 ил.
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к устройствам, использующимся в системах автономного электроснабжения.
Известна электрическая машина [патент US №5903082 А, H02K 21/12; H02K 37/12, 11.05.1999], состоящая из ротора, статора и устройства для поддержки ротора и статора в заданном положении относительно друг друга, также необходимого для направления вращения ротора по заданной оси, при этом полюса статора выполнены из листов аморфного железа. Электромагнитные полюса расположены параллельно ротору по окружности. Магнитопровод выполнен шихтованным и скреплен таким образом, что он образует целый аморфный сердечник магнитопровода электрической машины, в котором каждая часть сердечника образована из отдельных компонентов заданной формы.
Недостатком данного устройства является сложность процесса изготовления магнитопровода, состоящего из нескольких шихтованных компонентов. Также недостатком является наличие устройства поддержки ротора и статора, что снижает надежность работы электрической машины в целом и увеличивает потери энергии.
Известно устройство синхронного двигателя на постоянных магнитах с дисковым ротором [патент US №4578610, H02K 21/14, 25.06.1986], содержащее статор-корпус, выполненный из концентрических слоев аморфной ленты в виде катушки и полюсов на одной стороне катушки, на которых располагается обмотка статора. На роторе располагаются пазы, в которые устанавливаются постоянные магниты вблизи торцевой поверхности статора. Магниты удерживаются на месте в немагнитной матрице, которая состоит из слоистого материала. Ротор располагается в воздушном зазоре между двумя частями статора.
Недостатками данного устройства, является сложность конструкции магнитопровода статора, а также высокие массогабаритные показатели.
Известна конструкция электрической машины [патент US 6960860 В1, H02K 1/14, H02K 1/12, H02K 15/02, 01.10.2005], содержащей ротор, статор из аморфного железа, выполненный в виде п-образных сердечников, набранных из ленты аморфного железа, установленных в диэлектрическом остове.
Недостатками данного устройства являются: сложность конструкции статора электрической машины, недостаточная надежность, вызванная сильными перегибами аморфных листов при сборке магнитопровода статора.
Известен способ изготовления статора электрической машины [патент RU №2496212 С2, H02K 15/02, 29.11.2011], который заключается в том, что сердечник изготавливают из пакетов аморфных лент с последующим формированием пакетов намоткой на оправку с термической и механической обработкой, включая вакуумную обработку. При формировании пакетов используют треугольную оправку, ось которой ориентируют параллельно оси электрической машины. Отрезку части пакета осуществляют параллельно оси оправки. В качестве цилиндрической оправки используют корпус электрической машины, в который послойно укладывают пакеты, располагая слои пакетов в осевом направлении этого корпуса.
Недостатком данного статора, является сложный и длительный процесс сборки магнитопровода, что требует больших финансовых и временных затрат.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство [авторское свидетельство СССР №153750, H02K 37/00, 01.01.1963], представляющее собой реверсивную трехстаторную электрическую машину, выполненную таким образом, что в корпусе расположены три статора с размещенными на них многополюсными однофазными обмотками. Статоры расположены так, что оси полюсов каждого из них сдвинуты относительно осей полюсов смежных статоров на одну треть полюсного деления. Ротор электрической машины представляет собой немагнитный или ферромагнитный полый цилиндр, на который печатным способом нанесена обмотка, выполненная как три самостоятельные обмотки, расположенные по одной через равные расстояния под статорами. Эти обмотки выполнены либо как однофазная симметричная многополюсная короткозамкнутая многоконтурная обмотка, либо как ряд концентрически расположенных короткозамкнутых контуров с числом осей симметрии, равным числу полюсов статора.
Недостатком данного устройства является пониженная мощность и КПД самого устройства, вследствие больших потерь на вихревые токи и перемагничивание, возникающих в статоре.
Задача изобретения - увеличение энергетических характеристик и нагрузочной способности генератора, а также минимизация габаритных параметров, повышение устойчивости работы электрической машины.
Технический результат - уменьшение потерь на вихревые токи и перемагничивание, механическая устойчивость на критических частотах.
Поставленная задача решается, а результат достигается тем, что в корпусе электрической машины расположен ротор, n статоров, с размещенными на них однофазными обмотками. Согласно изобретению на роторе, который расположен на дополнительных газодинамических подшипниках, установлены постоянные магниты, а отдельные статоры с размещенными на них однофазными зубцовыми обмотками выполнены из отдельных сегментов, набранных из листов аморфной стали, повернуты относительно друг друга на угол где m - число фаз, и размещены так, что длина вылета лобовых частей l однофазной зубцовой обмотки противопоставленного статора компенсирована расположением в свободном пространстве между статорами, угол α между фазами выходных напряжений генератора достигается смещением, как самих статоров, так и магнитов на роторе относительно соответствующего статора.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1, фиг. 2 изображен генератор в поперечном и продольном разрезе. На фиг. 3 показана сборка статора из отдельных сегментов. На фиг. 4 показана форма заготовки сегмента статора из листа аморфной стали. На фиг. 5 показана схема соединения полюсных обмоток. На фиг. 6 показано расположение лобовых частей отдельных статоров друг относительно друга.
Предложенное устройство содержит n одинаковых статоров 1 для каждой из фаз, собранных из отдельных сегментов, набранных из листов аморфной стали, зубцовую обмотку 2, уложенную в пазы каждого соответствующего статора 1 так, что каждая отдельная секция зубцовой обмотки 2 образует с соответствующим ей зубцом отдельный полюс, секции зубцовой обмотки 2 соединены согласно схеме. Статоры 1 повернуты друг относительно друга так, что лобовые части занимают свободные от зубцовой обмотки 2 промежутки и, по возможности, на величину пространственного угла α.
Магниты 3 из редкоземельных материалов расположены на роторе 4 генератора, образующие n полюсов каждой отдельной однофазной электрической машины. Ротор 4 электрической машины установлен на дополнительные газодинамические подшипники 5. Магниты 3 на роторе 4 генератора закреплены с помощью бандажа 6.
Если смещением статоров 1 невозможно добиться угла α между фазами электрической машины, требуемого n-фазной электрической системой, то магниты 3 на роторе 4 располагают так, чтобы с учетом угла смещения α каждого статора 1 соответствующие ему полюса ротора 4 образовывали угол α, необходимый для получения смещения фаз выходных напряжений.
Электрическая машина работает следующим образом. Устройство состоит из n отдельных однофазных синхронных генераторов переменного тока, статоры которых смещены относительно друг друга на угол α. ЭДС, наводимое вращающимся магнитным полем ротора 4, индуцируется в зубцовой обмотке 2 каждого статора 1. За счет сдвига статоров 1 с зубцовыми обмотками 2 и магнитов 3 на роторе 4 на угол α обеспечивается смещение фаз выходных напряжений генератора.
Таким образом, получается высокоскоростной многофазный синхронный генератор на постоянных магнитах с зубцовой обмоткой.
Заявленное изобретение обеспечивает лучшие выходные энергетические характеристики во всех режимах работы за счет использования сердечника магнитопровода статоров из листов аморфной стали, минимизированные габариты, благодаря использованию зубцовой обмотки и взаимному расположению отдельных статоров, повышенную механическая устойчивость на критических частотах за счет применения дополнительных газодинамических подшипниковых опор.
Электрическая машина, в корпусе которой расположен ротор, n статоров с размещенными на них однофазными обмотками, отличающаяся тем, что на роторе, который установлен на дополнительных газодинамических подшипниках, расположены постоянные магниты, а статоры с размещенными на них однофазными зубцовыми обмотками выполнены из отдельных сегментов, набранных из листов аморфной стали, повернуты относительно друг друга на угол 
, где m - число фаз, и размещены так, что длина вылета лобовых частей l однофазной зубцовой обмотки противопоставленного статора компенсирована расположением в свободном пространстве между статорами, угол α между фазами выходных напряжений генератора достигается смещением как самих статоров, так и магнитов на роторе относительно соответствующего им статора.
