[1]Область техники, к которой относится полезная модель
[2]Полезная модель относится к электрическим машинам, и может быть использована в электрических генераторах, в том числе в ветрогенераторах и генераторах автономных объектов.
[4]Из уровня техники известен униполярный генератор тока [патент РФ на изобретение №2518461], содержащий вращающийся ротор и неподвижный статор. В качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска. В качестве неподвижного статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля, а количество секторов ротора равно количеству полюсов статора или больше, причем полюса статора вращающегося магнитного поля могут быть созданы вращающимися магнитами, либо электромагнитами, либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающееся постоянное или переменное поле. Количество вращающихся полюсов может быть 2 или больше при соблюдении условия, что направления ЭДС, создаваемые в роторе диаметрально расположенными полюсами, со-направлены, а соседние полюса (по периметру) создают чередования направлений диаметральной полярности ЭДС на роторе.
[5]К недостаткам этого решения можно отнести наличие скользящего контактного аппарата (токосъемников), что снижает надежность.
[6]Также известен бесщеточный генератор [патент РФ на полезную модель №195231], содержащий неподвижный статор с выходной обмоткой, состоящей из катушек, оснащенный цилиндрическим постоянным магнитом ротор, комплекты полюсов из ферромагнитного материала, установленные с его торцов и имеющие по сквозному отверстию в своем центре каждый, с диэлектрическими прокладками изнутри для изоляции пластин комплекта полюсов от вала ротор, ротор выполнен составным с валом из немагнитного материала в центре, а статор выполняется из немагнитного материала и оснащается прорезями для магнитопроводов, каждый магнитопровод установлен в соответствующей ему прорези продольно к направлению оси вращения ротора и имеет два выступающих внутрь полости статора зубца, соответственно комплектам полюсов. Количество полюсов в комплекте на один больше половины количества магнитопроводов статора, при количестве магнитопроводов статора кратному двум.
[7]Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
[8]К недостаткам этого решения можно отнести наличие зубчатой зоны магнитопроводов статора, что усложняет их конструкцию, а также делает невозможным сглаживание магнитного потока путем изготовления зубцов с расширениями.
[9]Раскрытие полезной модели
[10]Из уровня техники известны различные конструкции электрических машин [1, 2]. Во многих из них используются постоянные магниты для получения магнитного потока возбуждения, который приводит к появлению переменной ЭДС в обмотках генератора при их механическом вращении. Возможны и решения, использующие обмотки возбуждения для получения магнитного потока - большинство из них для своей работы требует механического контакта, например колец на роторе с щетками. Таким образом, применение постоянных магнитов для получения магнитного потока упрощает конструкцию, и позволяет исключить контакты для передачи тока в обмотку возбуждения - однако не позволяют изменять магнитный поток возбуждения. В классических же синхронных генераторах обмотки возбуждения и выходные обмотки располагаются всегда раздельно на статоре и роторе.
[11]Поскольку наличие механического контакта - щеток и колец, может значительно усложнять эксплуатацию (необходимость замены, вероятность внезапного отказа с разрушением щеток), то идет процесс поиска решения с наиболее простой, удобной и эффективной конструкцией.
[12]На данный момент существует только два варианта такого генератора без щеток, известные из уровня техники. Первый - это применение составной электрической машины, состоящей из двух или трех генераторов на общем валу, причем одна из них выполняется обращенной (обмотки статор-ротор меняются местами). Такие генераторы применяются в авиации и зачастую в судостроении, где устанавливаются в аварийных источниках электроэнергии. Второй - это конструкция генератора с продольным магнитным потоком, предложенная ранее автором данной заявки. У обоих этих вариантов есть как достоинства, так и недостатки.
[13]В предлагаемом решении нет щеток и колец на роторе, при простоте конструкции и использовании классического генератора, без использования продольного магнитного потока. Это достигнуто путем переноса полюсов возбуждения с ротора на статор, и размещения их раздельно от зубцов с катушками выходной обмотки, т.е. в отличие от классического генератора применяются отдельные катушки на зубцах.
[14]На фиг. 1 показан внешний вид 3D-модели предлагаемого решения, где видно наличие двух (более крупных) катушек полюсов, расположенных напротив друг друга (диаметрально), и двух зубцов с катушками выходной обмотки, расположенных на них. Из рисунка видно, что ротор выполняется без катушек и имеет четыре зубца. На фиг. 2 показано поперечное сечение 3D-модели предлагаемого решения, где также наглядно видно расположение катушек на зубцах и полюсах статора (закрашено темным).
[15]На фиг. 3 показано устройство предлагаемого решения, где указаны его составные части, выполненные ферромагнитными ротор (1), и полюса возбуждения (2), зубцы статора (3), катушки выходной обмотки и полюсов возбуждения (также закрашены темным).
[16]Также на фиг. 3 показано устройство предлагаемого решения, которое отличается предельной простотой конструкции и минимальным количеством элементов. Все это способствует снижению трудозатрат на изготовление, и понижению себестоимости готового генератора. Отсутствие щеток и колец на роторе повышает надежность работы предлагаемого решения, и делает возможным длительную эксплуатацию без обслуживания.
[17]На фиг. 4 показано распределение силовых линий магнитного поля при работе предлагаемого решения, где видно направление их распределения зубцами ротора к зубцам статора с катушками выходной обмотки на них. Из фиг. 4 виден путь прохождения магнитного поля от полюсов к зубцам. Для предлагаемого решения отличием является также равнозначность полюсов с катушками возбуждения и зубцов с катушками выходной обмотки. Причина этого в равенстве магнитной цепи полюсов и зубцов, то есть буквально, в равенстве количества катушек возбуждения и выходной обмотки, магнитный поток возбуждения проходит через тоже сечение зубцов, что и полюса.
[18]На фиг. 5 показан график выходного напряжения, полученный на 3D-модели в программной среде АНСИС. Напряжение имеет высокую степень синусоидальности, которая может улучшаться путем оптимизации геометрии и формы зубцов ротора в конкретном техническом решении.
[19]Принцип работы предлагаемого решения по сути своей, основан на коммутации магнитного поля создаваемого полюсами возбуждения на статоре, к зубцам с катушками выходной обмотки. Совмещение на общем статоре двух видов магнитной цепи - полюсов возбуждения и катушек выходной обмотки не применялось в известных ранее решениях.
[20]Все указанные в отличительной части формулы признаки являются существенными для реализации предлагаемого решения, и не известны ранее из уровня техники во всей их совокупности. Использование двух зубцов и двух полюсов упрощает конструкцию, так как в сочетании с числом зубцов ротора позволяет реализовать генерацию ЭДС в катушках. Магнитное поле в отдельных зубцах статора не накладывается друг на друга.
[21]Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая простоту изготовления составных частей и процесса сборки генератора. Достигнуто исключение из конструкции сложной формы магнитопроводов и используются зубцовые катушки, которые изготовляются отдельно от самого генератора и устанавливаются при его сборке.
[22]Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
[23]две катушки выходной обмотки размещаются соответствующих им двух зубцах статора;
[24]упомянутые два зубца статора расположены диаметрально и противоположно друг другу между полюсами возбуждения;
[25]две катушки выходной обмотки соединяются последовательно и согласно, а ротор имеет четыре зубца;
[26]зубцы статора и полюса возбуждения имеют равную площадь сечения.
[27]Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - отсутствию щеток и этим к упрощению конструкции.
[28]Краткое описание чертежей. На фиг. 1 изображен внешний вид предлагаемого решения. На фиг. 2 изображено поперечное сечение предлагаемого решения. На фиг. 3 изображено устройство предлагаемого решения. Здесь 1 - ротор, 2 - полюс возбуждения, 3 - зубец статора. На фиг. 4 изображены силовые линии магнитного поля в поперечном сечении предлагаемого решения. На фиг. 5 изображен график напряжения на выходе предлагаемого решения.
[29]Список использованной литературы
[30]1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Изд-во «Юрайт», 2014.
[31]2. Штелтинг Г., Байссе А. Электрические машины. М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 2015.
