Электрический генератор переменной частоты вращения

(51) 5 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СТ К АВТОРСКОМУ СВИ довательский нститут комп- я ские машиныния, М.: Энер 974(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ(57) Использование: генерирование стабильного выходного напряжения при переменной частоте вращения ротора. Сущность изобретения: генератор содержит статор с торцовым сердечником и обмоткой. Роторный диск 5 имеет подвижные полюса 11, установленные в направляющих 10. Полюса 11 соединены с роторным диском 5 посредством упругих элементов 13. В радиальном направлении полюса 11 смещены относительно сердечника статора, Между полюсами 11 могут быть установлены неподвижно полюса 17, 2 з.п.ф-лы, 3 ил,Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к электрическим машинам переменной частоты вращения торцовой конструкции,Известны электрические машины торцовой конструкции с роторными полюсами, установленными с возможностью перемещения в радиальных направляющих и соединенными с неподвижными элементами корпуса ротора со стороны оси вращения посредством упругих элементов,В этих электрических машинах осуществляется облегчение пуска двигателя при наличии на роторе постоянных магнитов, однако не решается задача стабилизации напряжения при работе в генераторном режиме с некоторым рабочим диапазоном изменения частоты вращения от пмин до пмак,Поставленная цель достигается тем, что в электрическом генераторе переменной частоты вращения, содержащем дисковый ротор в виде ферромагнитного кольца с размещенными на нем полюсами, установленными с возможностью перемещения в радиальных направляющих и соединенными с неподвижной частью корпуса ротора со стороны оси вращения посредством упругих элементов, торцовой статор с кольцевым сердечником и обмоткой, установленный с зазором по отношению к полюсам ротора, длины полюсов и сердечника статора в радиальном направлении выполнены равными, жесткость упругих элементов определена в соответствии с соотношениемПминЬ = Л мин + о(1- - )игде Л - величина растяжения упругого элемента при частоте вращения и, находящейся в рабочем диапазоне от пмин до пмакс;Л мин - величина растяжения упругого элемента при частоте вращения, равной Пмин,1 О - длина сердечника статора в радиальном направлении,а полюса ротора установлены так, что разница между радиусами расположения сердечника статора и полюсами ротора, находящимися ближе к оси вращения, составляет Л мин.В варианте исполнения предлагаемый электрический генератор снабжен неподвижнымии относительно роторного диска полюсами, размещенными на роторе между подвижными полюсами. В другом варианте исполнения предлагаемого электрического генератора подвижные полюсы могут быть выполнены из магнитомягкого материала, а не подвижн ые - из постоя н н ых магнитов.На фиг. 1 изображен генератор в сборе; на фиг. 2 - роторный диск с подвижными ивращения в направляющих 10 установлены20 подвижные полюса 11, отстоящие в аксиаль 25 30 35 40 45 50 55 5 10 15 неподвижными полюсами; на фиг. 3 - расположение полюсов ротора относительно сердечника статора: ротор неподвижен (а); ротор вращается с минимальной рабочей частотой (б); ротор вращается с максимальной рабочей частотой (в),Электрический генератор переменной частоты вращения содержит статор 1 с торцевым сердечником 2, расположенным на радиусе 3, и обмоткой 4, а также ферромагнитный роторный диск 5, расположенный в корпусе 6, при этом последний установлен на подшипниках 7, Корпус 6 имеет вал 8, посредством которого ротор в агрегате присоединяется к приводному двигателю, имеющему режимы работы с переменной частотой вращения. На внутреннем торце диска 5 симметрично относительно оси 9 ном направлении от сердечника 2 на величину воздушного зазора 12 и создающие в зазоре магнитное поле с полярностью в аксиальном направлении, Полюса 11 присоединены к осевой части диска 5 упругими элементами, например пружинами 13, На кромке корпуса ротора 6 имеется выступ 14 для ограничения перемещения полюсов 11 вне диска 5. Длина полюсов 11 в радиальном направлении равна длине сердечника 2 в этом же направлении. Жесткость пружин 13 подобрана по формулед1 П минигде Ь - величина растяжения пружины при частоте вращения и, находящейся в рабочем диапаэоне от пмин до пмакс,Л мин - величина растяжения пружины при частоте вращения пмин,1 О - длина 15 сердечника 2 в радиальном направлении.На роторном диске 5 полюса 11 присоединены пружинами 13 к центральной части диска в таком положении, что. их нижняя кромка отстоит от нижней кромки сердечника 2 в радиальном направлении на величину 16, равную Ь мин, В аране исполнен на роторном диске 5 на радиальном уровне сердечника 2 установлены неподвижно закрепленные на диске полюса 17, расположенные между подвижными полюсами 11, В другом варианте исполнения неподвижные полюса 17 выполнены из постоянных магнитов, а подвижные полюса - из магнитомягкого материала. В модификации этого варианта неподвижные полюса 17 могут быть выполнены в виде электромагнитов, при этом в генераторе должен быть предусмотрен также щеточно-контактный узел для передачи в ротор тока возбуждения,Электрический генератор работает следующим образом.При вращении ротора приводным двигателем пружины 13 растягиваются от центробежных усилий, создаваемых полюсами 11, радиусы расположения полюсовотносительно оси 9 вращения вследствие перемещения полюсов по направляющим 10 увеличиваются и при достижении минимальной рабочей частоты вращения пмин, при которой длина пружин доходит до величины 18, приравниваются радиусу 3 расположения сердечника статора 2, При этом сердечник 2 и полюса 11 совпадают по длине магнитопроводов и имеет место наибольшее значение магнитного потока Фмакс. Между частотой вращения и и частотой индуктированной ЭДС в обмотке 4 имеется пропорциональность, поэтому напряжение генератора определяется какОн = Ф макс пмин о пмин (1)ЗДЕСЬ ПРИНЯТО Фйакс=о, тдК КЗК МаКСИ- мальный поток соответствует полной длине сердечника 2. При дальнейшем повышении рабочей частоты вращения (ипмин) пружины 13 растягиваются на некоторую длину, превышающую размер 18, и совпадение расположения полюсов 11 с сердечником 2 по длине нарушается, - полюса 11 выходят в радиальном направлении за сердечник 2, вследствие чего магнитный поток взаимо- индукции также уменьшается ( Ф Фмакс) Очевидно, что для стабилизации напряжения при ип мин следует иметь такую характеристику растяжения пружин 13, которая обеспечивает соотношениеФ и = Ф макс пмин=о пмин = сопэт (2) При любой произвольной частоте вращения п, находящейся в рабочем диапазоне от пмин до пмакс, пружина 13 для получения необходимой длины работающей частисердечника должна быть растянута на такую величину Ь, чтобы1=", (3)Обозначив дополнительное растяжение пружины при ии мин черезЛдоп получим суммарное растяжениеЛ =Ь мин+ А доп (4)Очевидно, что при таком растяжении пружины 13 рабочая часть сердечника по длине уменьшается именно на величину Ьдоп, поэтому, решая совместно (3) и(4), получимЛ доп = о(1 - " ), (5)пПодставляя значение Л доп в (4), получим окончательно 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Л = Амин+ о(1 ) (6) Уравнение (6) совпадает с характеристикой жесткости пружины 13. Таким образом, в электрическом генераторе с заданной жесткостью пружин и при начальной установке полюсов со сдвигом Амин действительно будет автоматически осуществляться стабилизация выходного напряжения при изменении частоты вращения от нижнего предела рабочего диапазона (пмин) до верхнего предела (пмакс), при котором пружина 13 удлинится до размера 19, Верхний предел рабочей частоты вращения должен быть выбран с таким расчетом, чтобы не превысить частоту, при которой еще сохраняется совпадение (до 20-307 о и более) магнитопроводов полюсов 11 и сердечника 2, При подстановке в (6) значения и= пмин получим растяжение Л м. При подстановке взначения п = пмакс.получим максимальное растяжение пружиныпминЬ макс = Ь мин + 1 о(1 - ),,ПмаксПо этим крайним значениям Л мин и Л макс производится практически отладка пружин 13. С учетом реального разброса характеристик пружин 13 стабилизация напряжения будет осуществляться в некотором принятом диапазоне Он + А О, характеризующем точность регулирования. Предложенная стабилизация особенно выгодна в вентильных генераторах, в которых выпрямленное напряжение будет. постоянно по величине независимо от изменяющейся величины частоты ЭДС с переменной стороны, которая в вентильных генераторах не является нормируемым параметром. Варианты исполнения с частью полюсов, установленных на роторном диске неподвижно (фиг. 2), позволяют упростить и удешевить конструкцию за счет уменьшения дважды количества пружин и направляющих 10, а также повысить надежность генератора,Другой вариант исполнения предполагает подвижные полюсы 11 выполнить из магнитомягкой стали, а неподвижные 17 - из постоянных магнитов, что заметно упрощает технологию изготовления, так как в этом случае точной обработке для необходимого сопряжения с направляющими 10 подвергаются полюсы 11, материал которых легко поддается всем видам механической обработки, в то время как материал постоянных магнитов отличается высокой твердостью и хрупкостью и допускает обработку только путем шлифования.Предлагаемый генератор особенно выгоден в установках, работающих с постоян1737647 40 45 50 55 но включенной нагрузкой при переменной частоте вращения, например в ветроэнергетических агрегатах, питающих водяные насосы, аккумуляторные станции, нагревательные устройства и т.п. Поскольку регулирование напряжения в таких установках требуется лишь при реально изменяющихся условиях энергоснабжения скорости ветра, от которой изменяется частота вращения винта, то использование генератора в данном случае решает задачу оптимальной стабилизации напряжения питания и неизменности мощности установки в функции от времени, что важно для стабильной длительной работы. Несмотря на некоторое усложнение конструкции предлагаемого генератора, обусловленное применением пружин 13 и подвижных полюсов 11, достигается заметный положительный эффект, так как стабилизация напряжения при переменной частоте вращения в известных генераторах требует довольно громоздких и дорогостоящих регуляторов, сумма затрат на изготовление которых в несколько раз превышает возрастание затрат при изготовлении предлагаемого генератора, обусловленное применением подвижных полюсов в роторе, Одновременно улучшаются массо- габаритные показатели генератора, Суммарные затраты на изготовление генератора с учетом обеспечения стабилизации напряжения в предлагаемом генераторе снижаются на 15 - 20 оь,Формула изобретения 1. Электрический генератор переменной частоты вращения, содержащий дисковый ротор в виде ферромагнитного кольца с размещенными на нем полюсами. установленными с возможностью перемещения врадиальных направляющих и соединенными с неподвижной частью корпуса ротора состороны оси вращения посредством упру 5 гих элементов, торцевой статор с кольцевымсердечником и обмоткой, установленный сзазором по отношению к полюсам ротора,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения качества электроэнергии путем10 улучшения стабильности напряжения генератора при изменении частоты вращения,длины полюсов и сердечника статора в радиальном. направлении выполнены равными, жесткость упругих элементов15 определена в соответствии с соотношениемЛ =Л мин+ 1 о(1 ),игде Л - величина растяжения упругого элемента при частоте вращения и, находящей 20 ся в рабочем диапазоне пмин - пмакс,Ь мин - величина растяжения упругогоэлемента при частоте вращения, равнойПмин,1 о - длина сердечника статора в ради 25 альном направлении,а полюса ротора установлены со смещением по радиусу к оси вращения относительного сердечника статора на величину Ь и,2. Генератор по п.1, отл и.ча ю щи й с я30 тем, что он снабжен неподвижными полюсами, размещенными на роторе между подвижными полюсами,3, Генератор по пп. 1 и 2, отл ич а ющ и й с я тем, что подвижные полюса35 выполнены из магнитомягкого материала, анеподвижные полюса - из постоянных магнитов.1737647 15 д 45 Составитель Р,В.ОганяТехред М.Моргентал орректор С,Черн Редактор Е,Ко аказ 1902 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101