Что такое шестиполюсный генератор - NEVINKA-INFO.RU

Что такое шестиполюсный генератор

Учебник по физике для 11 класса

Что такое шестиполюсный генератор

§ 3.2. Генератор переменного тока

Простейший генератор переменного тока

Простейшей схемой генератора может служить проводник в виде рамки, вращающейся вокруг оси в магнитном поле между полюсами постоянного магнита или электромагнита (см. рис. 2.3). При вращении рамки с постоянной угловой скоростью в ней возникает ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону — синусоидальная ЭДС.

Если рамку соединить с внешней частью цепи, то в цепи появится переменный ток. Для соединения рамки с внешней частью цепи используются кольца, укрепленные на той же оси, на которой укреплена вращающаяся рамка. Кольца изолированы от оси и друг от друга. К кольцам припаиваются концы рамки, а над каждым кольцом устанавливаются неподвижные пружинящие скользящие контакты — щетки.

Однако простейший генератор, изображенный на рисунке 2.3, даст ничтожно малую ЭДС. Дело в том, что ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока, пронизывающего рамку. Но поток, пронизывающий рамку, очень мал, так как мала магнитная индукция поля, создаваемого постоянным магнитом.

Чтобы значительно увеличить ЭДС, полюсам магнита придают специальную форму, способствующую концентрации линий магнитной индукции, а внутрь рамки помещают ферромагнитный (стальной) цилиндр. При этом магнитная индукция (а следовательно, и магнитный поток) возрастает и становится равной = μ, где μ — магнитная проницаемость стали, а — индукция магнитного поля в вакууме (в воздухе). Увеличение магнитного потока, пронизывающего рамку, приводит к увеличению скорости изменения магнитного потока, а значит, и к возрастанию индуцируемой ЭДС.

Электромагнит (или магнит), создающий магнитное поле, называется индуктором, рамка (виток), в которой наводится ЭДС, — якорем. В простейшем генераторе, рассмотренном нами, индуктор неподвижен, поэтому называется статором, а якорь вращается, поэтому называется ротором.

Промышленный генератор

Устройство промышленного генератора переменного тока значительно сложнее рассмотренной выше модели. Во-первых, с клемм генератора нужно снимать достаточно высокое напряжение. Поэтому вместо одного витка необходимо использовать множество витков, соединенных между собой. Во-вторых, при помощи подвижных контактов (щеток и колец) практически невозможно отводить от генератора ток высокого напряжения и сколько-нибудь значительной мощности из-за сильного искрения в подвижных контактах.

По этой причине во всех промышленных генераторах переменного тока обмотку якоря, в которой наводится ЭДС, делают неподвижной. Ее укладывают в пазах внутренней полости статора (рис. 3.1, а). Статор генератора собирается из листовой стали для устранения токов Фуко. Индуктор (электромагнит) в таком генераторе вращается, являясь ротором. Один из типов ротора генератора показан на рисунке 3.1, б.

На магнитные полюсы ротора надета обмотка (обмотка возбуждения), по которой пропускается постоянный ток. Этот ток подводится к обмотке возбуждения через щетки и кольца от специального генератора постоянного тока — возбудителя. Якорь возбудителя расположен на одном валу с ротором генератора переменного тока. Однако в последнее время чаще всего постоянный ток в обмотку возбуждения (ротора) подается из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель. Возбудитель тогда не нужен. Сердечник ротора тоже набирается из листовой стали для борьбы с вихревыми токами.

На рисунке 3.1, в показана полная схема генератора переменного тока. При равномерном вращении ротора с помощью какого-нибудь двигателя вместе с ним вращается и создаваемое им магнитное поле. Линии индукции этого поля будут пересекать проводники, вложенные в пазы статора, и индуцировать в них ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону:

Многополюсные генераторы переменного тока

Если ротор генератора имеет одну пару полюсов (см. рис. 3.1, 6), то частота ЭДС, индуцируемой в генераторе, оказывается равной частоте вращения ротора, так как один оборот ротора соответствует одному периоду индуцируемой ЭДС. Для получения ЭДС с частотой v = 50 Гц двигатель, приводящий в движение ротор генератора с одной парой полюсов, должен вращаться с частотой 50 с -1 . Некоторые двигатели (например, водяные турбины) не могут развивать такие скорости вращения. Поэтому, кроме генераторов с одной парой полюсов, изготавливаются многополюсные генераторы, у которых ротор имеет несколько пар полюсов. В этом случае частота наведенной в генераторе ЭДС равна

где р — число пар полюсов ротора генератора, а n — частота его вращения.

Роторы генераторов, установленных на тепловых электростанциях, имеют одну пару полюсов. Такие генераторы (турбогенераторы) называются быст,роходными. Для получения стандартной частоты в 50 Гц такой ротор должен совершать 3000 оборотов в минуту. Эти роторы имеют цилиндрическую форму. Обмотка возбуждения уложена в пазы вдоль образующих цилиндра и хорошо закреплена.

Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия

Люди пользуются энергией электрического тока практически во всех сферах своей деятельности. Сейчас нелегко представить жизнь без электричества, которое с помощью специального оборудования преобразуется из механической энергии. Рассмотрим подробнее, как происходит этот процесс, и как устроены современные генераторы.

Превращение механической энергии в электрическую

Любой генератор работает по принципу магнитной индукции. Самый простой генератор переменного тока можно представить, как катушку, которая вращается в магнитном поле. Также есть вариант, при котором катушка остается неподвижной, но магнитное поле только её пересекает. Именно во время этого движения и вырабатывается переменный ток. По такому принципу функционирует огромное количество генераторов во всем мире, объединенных в систему электроснабжения.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:

  • Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
  • Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
  • Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
  • Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.

В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:

  1. Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
  2. Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.

Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:

  • С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
  • С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.

В настоящее время более распространено оборудование с вращающимися магнитными полями, т.к. значительно удобнее снимать электрический ток со статора, чем с ротора. Устройство генератора имеет немало сходств с конструкцией электродвигателя.

Схема генератора переменного тока

Принцип работы электрогенератора: в тот момент, когда половина обмотки находится на одном из полюсов, а другая на противоположном, ток движется по цепи от минимального до максимального значения и обратно.

Классификация и виды агрегатов

Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.

По принципу работы

Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.

Асинхронный

У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.

Синхронный

Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток.
Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.

По типу топлива двигателя

Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.

Газовый генератор

В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:

  • Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
  • Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
  • Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
  • Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.

Дизельный генератор

Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:

  • Относительная дешевизна топлива;
  • Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
  • Высокий уровень противопожарной безопасности;
  • В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
  • Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.

Бензогенератор

Такие аппараты довольно востребованы как бытовое оборудование. Несмотря на то, что бензин дороже газа и дизеля, такие генераторы имеют немало сильных сторон:

  • Малые габариты при высокой мощности;
  • Просты в эксплуатации: большинство моделей можно запустить вручную, а более мощные генераторы оснащены стартером. Регулируется напряжение под определенную нагрузку при помощи специального винта;
  • В случае перегрузки генератора автоматически срабатывает защита;
  • Просты в обслуживании и ремонте;
  • Во время работы не издают много шума;
  • Можно применять и в помещении, и на улице, но следует защищать от попадания влаги.

Генераторы тока: переменного и постоянного

Отсутствие электричества сегодня не становится проблемой как в быту, так и в промышленности. Широкий ассортимент генераторов тока позволяет решить проблему быстро, с минимальными трудозатратами. Резервные источники питания незаменимы в современной реальности — всему нужна электроэнергия. Гарантии, что подачу электроэнергии не прекратят в самый неподходящий момент – не может дать ни она организация. Поэтому резервная электростанция на базе генератора постоянного или переменного тока — важное, а зачастую незаменимое оборудование, которое обеспечивает непрерывность производства, комфорт в бытовой сфере, безопасность и непрерывность технологических процессов.

Что такое генератор тока

Когда нет электрической энергии, требуется получить её из другого источника. Наши предки, например, использовали силу ветра, течения рек. Впрочем, сегодня подобную энергию применяют, если не жалко времени и сил на возведение плотин и ветряков. Генераторы тока стандартно «работают» на топливе, за счет вращения обмотки в магнитном поле преобразовывая механическую энергию вращения в электричество. Ток возникает в замкнутом контуре, протекает по обмоткам, когда к электростанции подключается потребитель — именно так работает генератор тока.
В зависимости от того, как вращается магнитное поле (при неподвижном или подвижном проводнике) различают два типа этих электрических машин — генераторы постоянного или переменного тока.

В чем разница между постоянным и переменным током

Вспоминаем уроки физики. Электроток — заряженные микрочастицы, которые «бегут» в определенном направлении. У постоянного тока частицы движутся по прямой, в одном направлении от минуса к плюсу. У переменного движение электронов идет по синусоиде с определенной частотой (полярность между проводами меняется несколько раз за заданный промежуток времени).

Читайте также  Щеточный узел генератора тойота королла 120

Разница между движением заряженных частиц заложена в принцип работы генераторов электрического тока. Для простого обывателя можно сказать так: в розетке — переменный, в батарейке — постоянный. В качестве частного случая, с очень большим упрощением, можно сказать так: всё что с напряжением до 48 Вольт — всё постоянный, всё что от 100 до 500 Вольт — переменный.

Автор статьи и специалисты Mototech прекрасно осведомлены о том, что и постоянный ток может иметь практически любое напряжение (например, 380 Вольт на шине постоянного тока в ИБП), так же как и переменный ток для узких задач.

Несмотря на то, что конечный результат работы электростанций один — потребитель получает электроэнергию, методы преобразования механической энергии в электродвижущую силу и электричество различаются. Элементы (комплектующие) также отличны.

  • Внешней силовой рамы, изготовленной из высокопрочных сплавов. Корпус рассчитан на интенсивную нагрузку, возникающую при передаче магнитного потока от полюса к полюсу. Проще говоря: чугунный кожух не «пробивается» разрядами тока.
  • Магнитных полюсов, закрепленные на корпусе болтами или шпильками. На «плюс» и «минус» монтируется обмотка.
  • Статора. Остов с катушкой возбуждения изготавливают из ферромагнитных материалов, на сердечнике устанавливают магнитные полюса, которые и образуют магнитное поле.
  • Вращающегося ротора (якоря). Задача магнитопровода — снизить вихревые токи и повысить КПД генератора постоянного тока.
  • Коммутационного узла, оснащенного щетками (обычно изготовленными из графита) и коллекторными пластинами из меди.

Полюсов может быть несколько (число минусов и плюсов всегда идентично). Поэтому сегодня потребитель может купить электростанцию необходимой мощности и обеспечить электричеством как дом, так и промышленный объект.

Конструктивной разницы в статоре и роторе между устройствами постоянного и переменного тока нет. Практически идентичны и силовые рамы. Существенное отличие в комплектации коммуникационного узла. Каждый выход механизма помимо щеток оснащен токопроводящими кольцами. «Закольцованный» ток движется по синусоиде и несколько раз в секунду достигает пика мощности. По типу устройства, характеристикам и принципу работы современные генераторы переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Специфика синхронного устройства: скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля в рабочем зазоре.

  • Отсутствие электрической связи с ротором;
  • Вращение якоря под воздействием остаточного механизма статора;
  • Измененная электрическая нагрузка на статоре.

Такие агрегаты могут быть однофазными и трехфазными.

  • Рамка вращается вокруг оси, расположенная на корпусе обмотка регулярно проходит через «минус» и «плюс» полюсов.
  • Каждый раз при достижении разнополюсных точек, происходит смена направления тока на противоположное.
  • Выходной цепи благодаря полукольцу, расположенному на коллекторном узле, создается постоянный ток.
  • С помощью щеток с положительного или отрицательного полюса снимается потенциал и по схеме передается потребителю.

Такая схема работает в простейшей конструкции, с одним плюсом и минусом, если положительных/отрицательных точек больше, ЭДС и ориентировочное количество электроэнергии рассчитываются по формуле.

  • Небольшой вес и компактность агрегата;
  • Возможность использовать в экстремальных условиях;
  • Отсутствие потерь, связанных с вихревыми токами.

Минус: на большую мощность при использовании устройств такого типа рассчитывать не стоит.

Устройства такого типа преобразуют механику в электроэнергию, вращая проволочную катушку в магнитном поле. Ток вырабатывается, когда силовые линии пересекают обмотку. До тех пор, пока магнитное поле соприкасается с проводником, в нем индуцируется электроток.
Идентичный принцип действует и в случае, если рамка вращается относительно магнита, пересекая силовые линии.

В электростанциях с синусоидальной подачей тока отсутствует реактивная мощность. То есть весь запас электроэнергии (с вычетом потерь на проводах) расходуется на нужды потребителя, а не на поддержание работоспособности устройства.

  • Большая выходная мощность при одинаковых габаритах устройств постоянного и переменного тока;
  • Выработка электроэнергии на низких скоростях вращения ротора;
  • Проще конструкция и схема, соответственно, меньше узлов, нуждающихся в техобслуживании и ремонте;
  • Конструкция токосъемного узла отличается большей надежностью;
  • Больше эксплуатационный ресурс и меньше эксплуатационные затраты.

Дополнительное преимущество: агрегаты с трехфазным питанием можно использовать для питания высоковольтных потребителей.

Оба вида генераторов популярны в бытовой и промышленной сфере. Станции постоянного тока нашли применение в сфере транспорта. Так, в трамваях, троллейбусах обычно установлены двигатели, работающие на постоянном токе. Низковольтные устройства незаменимы для питания систем освещения в местах, где нет доступа к централизованной подачи электроэнергии. Например, на борту самолетов. Если большая мощность — не основополагающая характеристика электростанции, то генераторы постоянного тока отлично справятся с питанием оборудования в учебных, медицинских учреждениях, лабораториях. Полноценные дизельные электростанции постоянного тока используются на аэродромах для зарядки и питания бортовых систем летной техники.

Электростанции переменного тока необходимы практически для всего остального. 99% того, что питается от централизованной сети — это устройства переменного тока. Соответственно, аварийное питание этих объектов так же должно осуществляться от соответствующего оборудования.

Мototech специализируется на продаже электростанций различного типа. Поможем выбрать оптимальный вариант электростанции мощностью от 5 до 6000 кВА и конечно же, это будут электростанции переменного тока. Мы обеспечим сопроводительные строительные и электромонтажные работы, грамотную пуско-наладку и обслуживание устройств. С клиентами работают сотрудники с энергетическим образованием, поэтому квалифицированную информацию, ответы на вопросы и правильные расчеты характеристик в соответствии с вашими потребностями гарантируем.

Синхронный электрический генератор с многополюсной комбинированной магнитной системой с постоянными магнитами Российский патент 2019 года по МПК H02K21/24 H02K16/04 H02K1/27

Описание патента на изобретение RU2709788C1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронным электрическим генераторам с постоянными магнитами, и посвящено изменению конструкции синхронных генераторов с целью повышения их энергоэффективности. Предлагаемые генераторы могут использоваться в ветрогенераторах, работающих в широких диапазонах изменения скоростей ветров.

Известен радиальный синхронный генератор (патент РФ №2558661), состоящий из ротора, имеющего вид кольца, выполненного из прочного немагнитного материала, на внутреннюю сторону которого закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с треугольными магнитными полюсами и имеющие с противоположных сторон воздушные промежутки. Центры треугольных магнитных полюсов равноудалены друг от друга по внутренней окружности ротора. Поверх ферромагнитных пластин в радиальном направлении по окружности ротора параллельно установлены постоянные магниты с чередующейся полярностью, имеющие посреди треугольные магнитные полюса.

К недостаткам предложенной конструкции можно отнести: сложная конструкция катушек трапецеидального типа, полюса статора сделаны из немагнитного материала, что не позволяет эффективно использовать внутреннее пространство генератора, магнитное взаимодействие ротора и статора создает эффект «залипания», что увеличивает момент сопротивления вращению ротора.

Известна электрическая машина (патент РФ №137435), содержащая ротор с осью, диск ротора из диэлектрического материала с кольцеобразным рядом постоянных магнитов в форме призм, расположенных в радиальных плоскостях по окружности диска с зазором и одноименными полюсами навстречу друг другу, статор, размещенный внутри его на его ободе индуктор, несущий сердечники со статорными обмотками в виде двух одинаковых секций, отличающаяся тем, что в зазорах между встречно направленными полюсами постоянных магнитов размещены ферромагнитные вставки, концентрирующие магнитные потоки встречных полюсов, при этом сердечники выполнены П-образной формы и образуют с участками индуктора замкнутые магнитопроводы, а каждая из секций статорных обмоток размещена на боковых участках сердечников П-образной формы, секции каждой из статорных обмоток соединены между собой последовательно и согласно, а статорные обмотки, каждая из которых содержит по две одинаковые секции, могут быть путем последовательного и согласного соединения объединены в группы или все вместе для подключения нагрузки.

К недостаткам устройства следует отнести наличие тройного воздушного зазора в магнитопроводе — между ротором и статором, между магнитами и вставками, между секциями катушек с сердечниками, что ограничивает величину магнитного потока, и, соответственно, ограничивает электрическую мощность сигнала, генерируемого электрической машиной. Кроме этого, к недостаткам можно отнести то, что вектор намагниченности постоянных магнитов ориентирован вдоль направления движения магнитов, за счет чего приходится с помощью магнитной системы разворачивать магнитный поток поперек направления движения магнитов, а это уменьшает величину магнитного потока.

Известен электрический двигатель с магнитной сборкой Халбаха (патент US 7598646), содержащий две параллельно симметрично размещенные магнитные сборки Халбаха расположенные таким образом, что магнитное поле каждой сборки благодаря особому расположению элементов сборки смещено в зону, расположенную между магнитными сборками. В этой зоне находятся катушки, взаимодействующие с магнитным полем.

Недостатком предложенного технического решения является увеличение количества постоянных магнитов, необходимых для смещения магнитного поля, при этом поле смещается магнитной сборкой только в одну сторону.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является многополюсный тихоходный торцевой синхронный электрический генератор (патент РФ №2152118), содержащий ротор, выполненный в виде диска с системой возбуждения, состоящей из постоянных магнитов, закрепленных по его периферии, и статор с катушками, отличающийся тем, что статор выполнен из двух частей с кольцевыми магнитопроводами, расположенными соосно и параллельно друг другу, между которыми помещен диск ротора генератора, каждый магнитопровод на обращенных друг к другу сторонах имеет расположенные по окружности катушки обмотки статора, а постоянные магниты системы возбуждения установлены на диске с двух сторон симметрично одноименными полюсами навстречу друг другу и размещены по окружности через магнитопроводящие проставки, при этом магнитопроводы статора выполнены из ленточной электротехнической стали, а диск ротора выполнен из немагнитного материала, например алюминия, и имеет ребра жесткости, выполняющие функцию лопастей вентилятора.

Недостатками устройства является то, что вектор намагниченности постоянных магнитов параллелен направлению движения магнитов, для создания электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках магнитный поток приходится разворачивать, что приводит к дополнительным потерям, разброс величины намагниченности магнитов приводит к появлению дополнительного рассеяния магнитных поток в системе и вызывает повышение вибрации ротора. К недостаткам можно также отнести недостаточную эффективность использования постоянных магнитов.

Задачей предложенного технического решения является повышение энергоэффективности генератора с помощью построения многополюсной комбинированной магнитной системы с постоянными магнитами, за счет особого взаимного расположения постоянных магнитов и проставок из магнитомягкого материала, выталкивающих магнитное поле в стороны, где расположены катушки. За счет этого увеличивается индукция магнитного поля и увеличивается величина ЭДС, генерируемой на катушках. Катушки расположены симметрично с двух сторон от магнитных сборок, в каждой группе катушек индуцируется ЭДС, величина которой увеличивается за счет ее суммирования при последовательном включении двух катушек, расположенных с двух сторон магнитной сборки.

Поставленная задача решается тем, что в синхронный электрический генератор с многополюсной комбинированной магнитной системой с постоянными магнитами, содержащий ротор, выполненный в виде диска из немагнитного материала и магнитными секциями, закрепленными по его периферии по окружности и два статора, расположенных соосно и параллельно друг другу с двух сторон от ротора, при этом статоры состоят из ленточных магнитопроводов с катушками, расположенными в его пазах симметрично на сторонах, прилегающих к ротору, отличающийся тем, что с целью повышения энергоэффективности генератора магнитная система ротора представляет собой чередующиеся магнитные сборки, каждая из которых состоит четырех магнитов и двух Н-образных горизонтально размещенных проставок, выполненных из магнитомягкого материала, при этом все элементы расположены симметрично относительно центра магнитной сборки в следующем порядке считая слева направо: левая Н-образная вставка, в правом пазу которой размещен первый магнит, ось намагничивания которого тангенциальна и направлена вдоль направления движения ротора, второй и третий магниты, оси намагничивания которых радиальны и имеют встречное направление, четвертый магнит, установленный в левом пазу правой Н-образной проставки, при этом ось намагничивания четвертого магнита направлена навстречу оси намагниченности первого магнита.

Читайте также  Электродвигатели постоянного тока для генератора

На фиг. 1 изображен генератор в продольном разрезе, на фиг. 2 показана одна из нескольких магнитных сборок, расположенных на роторе, на фиг. 3 приведен внешний вид сверху ротора генератора, на фиг. 4 — распределение магнитных потоков в магнитной системе.

Генератор содержит корпус, состоящий из нижней 1 и верхней 2 части, внутри которого с помощью нижнего 3 и верхнего 4 подшипников размещен вал 5 ротора, на котором закреплен диск 6 из немагнитного материала. По окружности, по периметру диска ротора размещены магнитные сборки 7. С двух сторон от ротора параллельно друг другу и соосно расположены верхний и нижний статоры, между которых установлен ротор. Статоры состоят из магнитопроводов 8 и 9 с прорезями, в которых установлены катушки 10 и 11, электрическое соединение которых между собой образует обмотку статора, с которой снимается генерируемая ЭДС.

Чередующиеся магнитные сборки 7 расположены по окружности по периметру диска ротора. Каждая из магнитных сборок представляет собой конструкцию из четырех магнитов и двух Н-образных горизонтально размещенных проставок, выполненных из магнитомягкого материала, при этом все элементы расположены симметрично относительно центра магнитной сборки в следующем порядке считая слева направо: левая Н-образная вставка 12, в правом пазу которой размещен первый магнит 13, ось намагничивания которого тангенциальна и направлена вдоль направления движения ротора, второй 14 и третий 15 магниты, оси намагничивания которых радиальны, имеют встречное направление, четвертый магнит 16, ось намагничивания которого направлена навстречу оси намагниченности первого магнита, установленный в левом пазу правой Н-образной проставки 17.

Генератор работает следующим образом: ветрогенератор передает вращательное движение на ротор генератора, при этом магнитное поле, создаваемое магнитными сборками, пересекает витки катушек обмоток, тем самым индуцируя в них переменную ЭДС. Катушки электрически могут быть соединены несколькими способами, генерируя переменное напряжение, которое после преобразования подается в нагрузку.

Предложенное техническое решение повышает энергоэффективность генератора за счет построения многополюсной комбинированной магнитной системы с постоянными магнитами таким образом, что особое взаимное расположение постоянных магнитов и проставок из магнитомягкого материала выталкивает магнитное поле в стороны, где расположены катушки, что приводит к повышению величины магнитной индукции в воздушном зазоре. За счет этого увеличивается величина ЭДС, генерируемой на катушках. Катушки расположены симметрично с двух сторон от магнитных сборок, в каждой группе катушек индуцируется ЭДС, величина которой увеличивается за счет ее суммирования при последовательном включении двух катушек, расположенных с двух сторон магнитной сборки.

Похожие патенты RU2709788C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 709 788 C1

Реферат патента 2019 года Синхронный электрический генератор с многополюсной комбинированной магнитной системой с постоянными магнитами

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение энергоэффективности генератора. Синхронный электрический генератор с многополюсной комбинированной магнитной системой с постоянными магнитами содержит ротор, выполненный в виде диска из немагнитного материала с магнитными секциями, закрепленными на его периферии по окружности, и два статора, расположенных соосно и параллельно друг другу с двух сторон от ротора. Статоры состоят из ленточных магнитопроводов с катушками, расположенными в его пазах. Магнитная система ротора представляет собой чередующиеся магнитные сборки, каждая из которых состоит из четырех магнитов и двух Н-образных проставок, выполненных из магнитомягкого материала. Все элементы расположены симметрично относительно центра магнитной сборки в следующем порядке, считая слева направо: левая Н-образная вставка, в правом пазу которой размещен первый магнит, ось намагничивания которого тангенциальна и направлена вдоль направления движения ротора, второй и третий магниты, оси намагничивания которых радиальны, имеют встречное направление, четвертый магнит, установленный в левом пазу правой Н-образной проставки, при этом ось намагничивания четвертого магнита направлена навстречу оси намагниченности первого магнита. 4 ил.

Формула изобретения RU 2 709 788 C1

Синхронный электрический генератор с многополюсной комбинированной магнитной системой с постоянными магнитами, содержащий ротор, выполненный в виде диска из немагнитного материала и магнитными секциями, закрепленными по его периферии по окружности, и два статора, расположенных соосно и параллельно друг другу с двух сторон от ротора, статоры состоят из ленточных магнитопроводов с катушками, расположенными в его пазах симметрично на сторонах, прилегающих к ротору, отличающийся тем, что магнитная система ротора представляет собой чередующиеся магнитные сборки, каждая из которых состоит из четырех магнитов и двух Н-образных горизонтально размещенных проставок, выполненных из магнитомягкого материала, при этом все элементы расположены симметрично относительно центра магнитной сборки в следующем порядке, считая слева направо: левая Н-образная вставка, в правом пазу которой размещен первый магнит, ось намагничивания которого тангенциальна и направлена вдоль направления движения ротора, второй и третий магниты, оси намагничивания которых радиальны, имеют встречное направление, четвертый магнит, установленный в левом пазу правой Н-образной проставки, при этом ось намагничивания четвертого магнита направлена навстречу оси намагниченности первого магнита.

УСТРОЙСТВО ТЯГОВОГО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Тяговый генератор тепловоза 2ТЭ10Л представляет собой электрическую машину постоянного тока. Его длительная номинальная мощность, т. е. мощность, которая может быть получена от него неограниченное время, равна 2000 кВт. Тяговый генератор состоит из следующих основных частей: магнитной системы, якоря, щеткодержателей со щетками и вспомогательных устройств (рис. 143). Магнитная система генератора предназначена для создания мощного магнитного поля в нем. Она образована из станины (ярма) генератора, главных и добавочных полюсов.

Рис. 143. Тяговый генератор тепловоза 2ТЭ10Л

Станина генератора, являясь частью магнитной системы, представляет собой и его остов (корпус). Изготовлена станина из стали с малым содержанием углерода, обладающей высокой магнитной проницаемостью. Снаружи станина имеет лапы, с помощью которых генератор устанавливают на поддизельной раме.
Магнитная система генераторов постоянного тока в зависимости от их мощности может иметь различное число полюсов. Генераторы большой мощности выполняются многополюсными, так как при этом уменьшаются их размеры и масса. Тяговый генератор, тепловоза 2ТЭ10Л имеет 10 главных полюсов. Сердечники главных полюсов изготовлены из тонких листов электротехнической стали с большой магнитной проницаемостью (рис. 144). В сердечнике, набранном из отдельных изолированных листов, вихревые токи намного меньше, чем в цельном. Листы стягиваются заклепками.

Рис. 144. Главный полюс тягового генератора

Сердечники полюсов прикреплены к станине болтами. Наконечники сердечников имеют такую форму, которая позволяет, во-первых, удерживать полюсную катушку и, во-вторых, придать распределению магнитных силовых линий между полюсом и якорем желаемый характер.
На каждом главном полюсе размещены катушки обмоток независимого возбуждения и пусковой. Катушка независимого возбуждения выполнена из 105 витков медного провода сечением 1,7 х 6,9 мм. Пусковая катушка полюса, по которой кратковременно пропускается ток большой силы только при пуске дизеля, имеет всего три витка из сдвоенного провода сечением 2,26X40 мм. В генераторах северный и южный полюсы чередуются между собой, т. е. за северным полюсом следует южный, затем опять северный и т. д.
Добавочные полюсы установлены между главными. По числу главных полюсов тяговый генератор тепловоза 2ТЭ10Л оборудован 10 добавочными полюсами. Каждый добавочный полюс состоит из сердечника и катушки с шестью витками провода сечением 16X25 мм (рис. 145).

Рис. 145. Добавочный полюс тягового генератора

Ввиду небольших размеров сердечники добавочных полюсов выполнены цельными (сплошными). Полюсы снабжены изоляционными рамками для усиления изоляции от корпуса и пружинными рамками для предупреждения вибрации катушек на сердечниках полюсов.
Якорь генератора (рис. 146) служит для размещения на нем обмотки и коллектора, а также для уменьшения сопротивления магнитной цепи генератора.

Рис. 146. Якорь тягового генератора (без обмотки)

С целью снижения массы генератора корпус якоря выполнен полым. Корпус оканчивается фланцем для соединения с помощью муфты с коленчатым валом дизеля, а с противоположной стороны снабжен ребристой втулкой. Во внутреннее отверстие втулки запрессован укороченный вал якоря. Применение укороченного вала вместо сквозного позволило дополнительно уменьшить массу якоря. Наружное кольцо ребристой втулки предназначено для установки коллектора генератора. Вал якоря опирается на сферический двухрядный роликовый подшипник (см. рис. 143), расположенный в съемной капсуле. Капсула крепится к подшипниковому щиту генератора и позволяет снять подшипник без полной разборки электрической машины. Подшипник закрыт крышками и уплотнительными кольцами.
Сердечник якоря набран из сегментных листов электротехнической (см. рис. 146) стали толщиной 0,5 мм, стянутых с помощью нажимных шайб и шпилек. Нажимные шайбы одновременно являются обмоткодержателями для лобовых частей якорной обмотки. Листы сердечника изолированы друг от друга, благодаря чему резко снижаются потери энергии в сердечнике, уменьшается его нагрев вихревыми токами. Эти листы по наружной поверхности имеют зубцы. При сборке впадины между зубцами образуют пазы, в которые укладывается обмотка якоря.
Якорная обмотка — двухходовая петлевая с уравнительными соединениями. Обмотка состоит из секций. Каждая секция имеет несколько витков хорошо изолированного медного провода прямоугольного сечения 2,83 X 5,5 мм. Готовые секции укладывают в пазы сердечника якоря и соединяют с пластинами коллектора.
При работе генератора его якорь вращается с большой скоростью и на секции обмотки якоря действуют значительные центробежные силы. В пазах сердечника якоря секции обмотки укрепляют специальными клиньями из изоляционного материала (рис. 147).

Рис. 147. Размещение обмотки в пазу якоря генератора

Участки обмотки, выходящие из пазов сердечника якоря, стягивают бандажами из стальной проволоки , наматываемой с предварительным натяжением, или стеклоткани. Для того чтобы витки проволоки бандажа не расходились, их по всей окружности пропаивают оловом вместе с пластинами из жести (замками). Бандажи надежно прижимают лобовые части обмоток к цилиндрическим обмоткодержателям корпуса якоря. В генераторах последних лет изготовления проволочные бандажи заменены более надежными в эксплуатации стеклобандажами (из стеклоткани). Стеклобандажи в отличие от проволочных не оказывают влияния на магнитное поле электрической машины.
Коллектор, как уже указывалось, служит для выпрямления переменной э. д. с, индуктируемой в обмотке якоря генератора, и для съема тока. Он состоит из большого числа медных коллекторных пластин. Например, коллектор тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л имеет 465 пластин. При сборке коллектора между его пластинами прокладывают изоляцию из миканитовых прокладок. Миканит -— электроизоляционный материал, получаемый склеиванием тонких листочков слюды различными связующими материалами. Изоляция (миканитовые манжеты и цилиндры) прокладывается также между собранными в виде кольца коллекторными пластинами, корпусом коллектора и нажимным конусом (см. рис. 146). Основания коллекторных пластин выполнены в виде ласточкина хвоста и входят в выступы корпуса коллектора и нажимного конуса, которые стягиваются шпильками и надежно удерживают пластины. Собранный коллектор напрессовывают на ребристую втулку якоря.
Выступающую часть коллекторных пластин, в которую впаиваются выводы обмотки якоря, называют петушками. В тяговых генераторах тепловозов 2ТЭ10Л каждая коллекторная пластина соединена с концами секций обмотки якоря посредством ленточной меди («гибкого петушка») . Гибкий петушок припаивают одним концом к пластине коллектора, другим — к выходам обмотки якоря.
Токосъем с коллектора электрических машин осуществляется щетками. В тепловозных электрических машинах применяются высококачественные электрографитовые щетки (рис. 148).

Читайте также  Шкив коленвала 2108 ремня генератора

Рис. 148. Щетка тягового генератора

Эти щетки изготовлены из угольного порошка с добавлением связующих материалов. Они прессуются в виде брусков нужных размеров и подвергаются действию высокой температуры (до 3000°С) в электропечах. В результате термической обработки углерод переходит в другую свою модификацию — графит. Поэтому термообработка щеток и получила название графитации. Графитация позволяет значительно повысить качество щеток. Они становятся мягче, прочнее, износоустойчивее, меньше изнашивают коллектор, выдерживают большие токовые нагрузки. Такие щетки имеют достаточное электрическое сопротивление, поэтому обладают высокими коммутирующими качествами.
Рабочую поверхность щеток точно притирают (пришлифовывают) к поверхности коллектора. Поверхность коллектора, по которой скользят щетки, делается строго цилиндрической и тщательно шлифуется. Для обеспечения более спокойной, без ударов и вибраций работы щеток с целью повышения надежности их могут устанавливать наклонно к поверхности коллектора электрической машины или снабжать резиновыми амортизаторами.
Щетки вставляют в специальные латунные обоймы, называемые щеткодержателями. Щеткодержатели тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л показаны на рис. 149. Назначение щеткодержателей — удерживать щетки в правильном положении и прижимать их к поверхности коллектора. Для этого щеткодержатели имеют пружины. В щеткодержателе установлены две щетки с резиновыми амортизаторами. Электрический ток отводится от щеток по гибким медным тросикам (шунтам). Второй конец тросика надежно соединен с бракетом щеткодержателей.
В соответствии с числом главных полюсов тяговый генератор тепловоза 2ТЭ10Л имеет десять алюминиевых бракетов , на каждом из них укреплено по девять щеткодержателей с восемнадацатью щетками. Бракеты на изоляторах крепятся к поворотной траверсе. Траверса устанавливается в подшипниковом щите генератора (см. рис. 143 и 149) и может поворачиваться для облегчения доступа при осмотре и ремонте к каждому щеткодержателю. Пять бракетов щеткодержателей одной полярности соединены шиной; одна из шин является плюсовой, вторая — минусовой.

Рис. 149. Щеткодержатели

При работе дизеля тепловоза коленчатый вал через пластинчатую муфту вращает якорь тягового генератора в магнитном поле, создаваемом его полюсами. В якорной обмотке индуктируется э. д. с, при замыкании внешней цепи ток проходит из якорной обмотки через одну группу пластин коллектора, плюсовые щеткодержатели к тяговым электродвигателям и далее через минусовые щеткодержатели, другую группу пластин коллектора возвращается в якорную обмотку.
Несмотря на принимаемые меры по снижению электрических, магнитных, механических потерь энергии в генераторе, они остаются достаточно большими и приводят к нагреву деталей. Наиболее чувствительной к повышенным температурам является изоляция обмоток и коллектора электрических машин. Для предупреждения перегрева генераторов, прежде всего электрической изоляции, их охлаждают наружным воздухом. При этом в отечественных тяговых генераторах мощностью до 1500 кВт обычно используется самовентиляция. Для подачи охлаждающего воздуха в более мощные тяговые генераторы на тепловозах устанавливают специальные дополнительные вентиляторы.
Тяговый генератор тепловоза ТЭЗ выполнен с самовентиляцией. Для этого на якоре генератора со стороны, противоположной коллектору, укреплен центробежный вентилятор. Вентилятор засасывает воздух со стороны коллектора. Далее поток воздуха проходит внутри генератора, охлаждает его. и выбрасывается вентилятором через патрубок наружу под раму тепловоза.
На тепловозах 2ТЭ10Л установлен отдельный центробежный вентилятор для охлаждения воздухом тягового генератора (рис. 150).

Рис. 150. Система воздушного охлаждения тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л

Очищенный от посторонних примесей воздух подается вентилятором по нагнетательному каналу через воздухоподводящий патрубок (см. рис. 143) со стороны, противоположной коллектору. Внутри генератора охлаждающий воздух проходит параллельными потоками через магнитную систему и якорь, отводит от них тепло и выбрасывается наружу через выпускной патрубок в подшипниковом щите и выпускные каналы. Для обеспечения надежной работы тяговых генераторов охлаждающий воздух не должен нести с собой несгоревшее топливо, выбрасываемое дизелем, пыль, влагу. Поэтому очень важным является рациональный выбор места забора охлаждающего воздуха и применение достаточно эффектной его очистки.

Щетки – слабое место генератора. Есть бесщеточные варианты, но их мало используют. Почему?

Если автомобильный генератор выходит из строя, то самой распространенной причиной является износ щеточного узла. Однако давным-давно изобретены бесщеточные генераторы – почему же они до сих пор не вытеснили своих якобы менее продвинутых «конкурентов»?

Самая распространенная и массовая на сегодня конструкция автомобильного генератора – с использованием графитовых щеток, подающих напряжение на обмотку ротора (так называемую «катушку возбуждения») через пару вращающихся скользящих контактов в виде медных колец на валу ротора. Подобное решение применяется на большинстве автомобилей за редким исключением, ибо оно отработано и за десятилетия подтвердило свою практичность.

В такой конструкции крайне просто и эффективно реализовано поддержание стабильного напряжения в бортсети автомобиля на любых оборотах двигателя и, соответственно, генератора – электронный блок стабилизации напряжения (который по старинке принято именовать «реле-регулятором») отслеживает уровень напряжения на выходе и уменьшает или увеличивает ток в катушке возбуждения. Как только напряжение проседает, ток увеличивается. Как только оно приближается к верхнему пределу 14,2 вольта – уменьшается. Этот процесс идет быстро и непрерывно, и в результате мы имеем стабильное напряжение и на холостых оборотах, и на высокой скорости.

Щеточный узел – сухой и слабо защищенный от песка и влаги. А все, что открыто и трется без смазки, постепенно изнашивается и отказывает. Именно щеточный узел является наиболее частым источником выходов генератора из строя. Тем более что он обычно еще и неразборно совмещен с электронным блоком стабилизации напряжения («реле-регулятором»).

Однако в последние годы слово «БЕСщеточный» (или его аналог «бесколлекторный») на слуху у «широких народных масс» (с) – оно стало известно даже относительно далеким от техники людям. В самых разных сферах быта активно пропагандируются бесщеточные электромоторы – сегодня на них летают квадрокоптеры, крутятся шуруповерты, косят газоны триммеры и работают прочие механизмы и гаджеты. Даже откровенным гуманитариям уже успешно внушили, что «щетки – это плохо: они изнашиваются, отказывают, греются и вызывают потери тока». Почему же в автомобильном генераторе щеточный узел до сих пор не исчез, тогда как в последнее время от него все чаще отказываются даже в моторчиках дешевых детских игрушек?!

Может быть, потому, что на бесколлекторные (или же бесщеточные – как больше нравится) технологии массово переводятся электромоторы, а мы-то ведем речь про генератор? Нет, дело не в этом. Тут как раз никаких препятствий нет. Электромотор и электрогенератор – чрезвычайно похожие по своей сути электрические машины, вдобавок зачастую обратимые: мотор способен вырабатывать ток, если его вращать принудительно, а генератор может выполнять роль мотора, если на него опять же подать ток извне.

Использовать бесщеточный генератор в автомобиле можно, это давно реализовано и практикуется. Однако выпускаются подобные генераторы весьма ограничено и массовыми почему-то не стали… Почему?

Сделать автомобильный генератор бесщеточным в принципе не так сложно. Для чего, собственно, нужны щетки? Чтобы подать через них питание 12 вольт на катушку возбуждения внутри вращающегося ротора. После чего сегментный ротор с катушкой, на которую подан постоянный ток от аккумулятора, становится многополюсным электромагнитом и порождает возникновение тока в неподвижной обмотке – в статоре.

Убрать скользящий щеточный контакт в автомобильном генераторе возможно за счет особой конструкции ротора. Для этого ротор делают удлиненным, а катушку возбуждения выполняют в виде внешнего кольца и неподвижно закрепляют на статоре. Ведь для работы генератора ротор должен стать магнитом, а как намагничивать ротор – катушкой внутри, или катушкой снаружи – непринципиально…

Первые бесщеточные генераторы с неподвижной катушкой возбуждения встречались на автомобилях и полвека назад, и даже раньше. Как правило, ставили их на коммерческий транспорт (дальнобойные грузовики) и сельскохозяйственные и строительные машины (комбайны, трактора, бульдозеры и т. п.). Первым была важна увеличенная надежность и уменьшенная вероятность отказов на длинных перегонах пути, а вторым – защита от постоянно сопровождающих их при работе абразивной пыли и влаги, способных быстро убивать щеточный узел, проникая в генератор через вентиляционные щели. В принципе, в ограниченных объемах используются они в подобных машинах и по сей день.

Однако, согласитесь: генератор, не боящийся воды и пыли, с увеличенным сроком службы благодаря отказу от трущихся насухую деталей – это весьма недурственно! Причем  неплохо для любого генератора, а не только для установленного на грузовике или комбайне! Почему же технология не распространилась на массовый легковой сегмент? Причин тут несколько.

  • Технология производства бесщеточных генераторов более многоэтапна, и генераторы в конечном итоге существенно дороже.
  • При сопоставимых технологиях производства (без дорогостоящих инноваций) бесщеточный генератор в итоге получается крупнее и тяжелее щеточного с теми же характеристиками.
  • Большинство грузовых и сельскохозяйственных «бесщеточников» имели относительно узкий диапазон рабочих оборотов, на которых они эффективны, и на холостом ходу и просто на пониженных передачах толком не заряжали аккумулятор.
  • Современные «бесщеточники» существенно усложнились, дабы сохранить компактность, одновременно получив возможность выдавать большие токи с малых оборотов и не бояться оборотов высоких. Вдобавок к неподвижной обмотке возбуждения в конструкцию добавились постоянные магниты, позволяющие увеличить токоотдачу на малых оборотах, специальные размагничивающие обмотки, нейтрализующие действие постоянных магнитов на высоких оборотах, многофазные статоры, усложненные диодные мосты.

Все это и ряд других факторов ограничивали и продолжают ограничивать распространение таких генераторов. А после эволюционной оптимизации генераторов со щетками (ставших мощнее, компактнее, линейнее и т. п.) преимущества «бесщеточников» оказались еще менее выраженными. Несмотря на явно изнашивающиеся пары трения медь-графит, реально щеточные генераторы ходят весьма долго и их не принято считать потенциально проблемным узлом автомобиля, требующим инновационных вмешательств.

Впрочем, в ряде случаев бесщеточные генераторы имеют актуальность не только на фурах и тракторах. К примеру, щеточного узла нет на некоторых генераторах ряда дизельных кроссоверов BMW и Mercedes. В их моторах применяются генераторы повышенной мощности (180-190 ампер) с водяным охлаждением, которые прикручиваются своей задней крышкой к крышке водяной рубашки двигателя с соответствующим отверстием, как бы «затыкая его своим задом», и, таким образом, частично омываются антифризом. В конструкции мощных водоохлаждаемых генераторов щетки сильно затрудняют компоновку и обслуживание, поэтому от них иногда отказываются. Также серийно встречаются такие генераторы в некоторых комплектациях серьезных рамных внедорожников типа Nissan Patrol. А уазисты любят внедрять в свои тюнингованные «котлеты» не боящиеся купания в болоте 110-амперные бесщеточные генераторы от автобусов ПАЗ. Ну а алтайский завод тракторного электрооборудования еще с советских времен (и, кажется, по сей день!) производит небольшими тиражами бесщеточный генератор для моделей ВАЗ классического (01-07) и раннего переднеприводного (08-099) семейств.

Тем не менее в конечном итоге все решает экономика и отчасти инжиниринг. На сегодняшний день в массовом потребительском автопроме надежность простейшего щеточного генератора принята за образец баланса цены, живучести и ремонтопригодности. И отходят от этого канона лишь в относительно редких случаях, когда проектирование технически сложного, продвинутого и достаточно дорогого автомобиля неизбежно требует усложненных и недешевых решений…

Яков Кузнецов/ автор статьи

Приветствую! Я являюсь руководителем данного проекта и занимаюсь его наполнением. Здесь я стараюсь собирать и публиковать максимально полный и интересный контент на темы связанные ремонтом автомобилей и подбором для них запасных частей. Уверен вы найдете для себя немало полезной информации. С уважением, Яков Кузнецов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
NEVINKA-INFO.RU
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: