Синхронный явнополюсный генератор (варианты)

СИНХРОННЫЙ ЯВНОПОЛЮСНЫЙ ГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ) Предложен синхронный явнополюсный генератор, который включает статор, содержащий сердечники статора, расположенные на спинке статора, и обмотки сердечников статора, а также явнополюсный ротор, который установлен в генераторе с возможностью вращения относительно статора и магнитного взаимодействия с ним и который содержит магниты с полюсами возбуждения и втулку ротора, на которой установлены указанные магниты. Предлагаемый генератор отличается тем, что статор может располагаться снаружи или внутри ротора, а также может состоять из внутреннего и внешнего статоров, между которыми располагается ротор. При этом статор, а в случае составного статора - обе его части, включает стальной полый цилиндр с радиальными окнами, который расположен между статором, при этом сердечники статора проходят через указанные окна, так что торцы этих сердечников расположены, по существу, вровень с поверхностью цилиндра, внешней по отношению к статору. При такой конструкции магнитное поле магнитов ротора свободно скользит по поверхности цилиндра и торцов сердечника статора вследствие того, что магнитная напряженность при взаимодействии с цилиндром и магнитная напряженность при взаимодействии с сердечниками статора одинаковы. Технический результат,достигаемый настоящим изобретением, заключается в предотвращении проявления эффекта"залипания", снижении потерь кинетической энергии и, как следствие, повышении эффективности работы генератора.SE-B-304329 ИВАНОВ ИГОРЬ ВАЛЕРЬЕВИЧ (RU) Область техники Настоящее изобретение относится к электротехнике и касается усовершенствования конструкции синхронных явнополюсных генераторов. Уровень техники В настоящее время широко известны трехфазные синхронные явнополюсные генераторы, которые включают неподвижную часть - статор и вращающуюся часть - ротор. Принцип действия таких генераторов основан на явлении электромагнитной индукции: ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное ноле, которое, пересекая обмотку сердечников статора, наводит в ней ЭДС(Кацман М.М., "Электрические машины"; М., Высшая школа, 1990 - 463 с.). Наиболее близким аналогом к заявляемым генераторам принят синхронный явнополюсный генератор с постоянными магнитами, описанный в патенте РФ 2303849 (дата публикации: 27.07.2007). Указанный генератор состоит из нескольких секций, каждая из которых включает статор, содержащий спинку статора, сердечники статора, которые расположены на спинке статора, катушки обмоток, которые размещены на сердечниках, явнополюсный ротор, который установлен в секции генератора с возможностью вращения относительно статора и магнитного взаимодействия с ним и который содержит магниты с полюсами возбуждения, а также втулку ротора, на которой установлены указанные магниты, при этом указанный генератор также включает устройство для выпрямления электрического тока. Известный генератор имеет низкую эффективность вследствие больших потерь кинетической энергии на преодоление усилия торможения ротора, возникающего при прохождении магнитного поля магнитов ротора через сердечники статора (эффект "залипания"). Раскрытие изобретения Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности синхронного явнополюсного генератора. Указанная задача решена за счет использования предлагаемого синхронного явнополюсного генератора, который включает статор, содержащий спинку статора, сердечники статора, которые расположены на спинке статора, катушки обмоток, которые размещены на сердечниках, явнополюсный ротор, который установлен в генераторе с возможностью вращения относительно статора и магнитного взаимодействия с ним и который содержит магниты с полюсами возбуждения, а также втулку ротора, на которой установлены указанные магниты. Предлагаемый генератор отличается тем, что статор расположен снаружи ротора и включает полый стальной цилиндр, в боковой поверхности которого выполнены радиальные окна с заостренными кромками и который расположен между статором и ротором, при этом сердечники статора проходят через указанные окна, так что их торцы расположены, по существу, вровень с внешней по отношению к статору поверхностью указанного цилиндра. При такой конструкции статора магнитное поле магнитов ротора свободно скользит по поверхности цилиндра и торцов сердечника статора вследствие того, что магнитная напряженность при взаимодействии этого поля с цилиндром и магнитная напряженность при его взаимодействии с сердечниками статора одинаковы. Кроме того, заостренные кромки окон цилиндра исключают взаимодействие магнитного поля статора, образуемого при взаимодействии магнитного поля ротора с сердечником, и указанного полого цилиндра, благодаря чему магнитная энергия не распространяется на цилиндр и не угасает. Это позволяет предотвратить проявление эффекта "залипания" и существенно снизить магнитные потери и потери кинетической энергии на преодоление усилия торможения ротора, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность генератора. Согласно другому варианту реализации магниты ротора включают постоянные магниты. Согласно другому варианту реализации цилиндр выполнен из шихтованной электротехнической стали. Согласно другому варианту реализации между цилиндром и сердечниками статора расположены изолирующие экраны. Это дополнительно позволяет избежать распространения магнитного потока на цилиндр в момент взаимодействия сердечников статора с магнитным полем магнитов ротора, а также угасания магнитного потока, возбуждающего катушки статора. Указанная задача также может быть решена за счет использования синхронного явнополюсного генератора, который включает статор, содержащий спинку статора, сердечники статора, которые расположены на спинке статора, катушки обмоток, которые размещены на сердечниках, явнополюсный ротор,который установлен в генераторе с возможностью вращения относительно статора и магнитного взаимодействия с ним и который содержит магниты с полюсами возбуждения, а также втулку ротора, на которой установлены указанные магниты, отличающийся тем, что статор расположен внутри ротора и включает полый стальной цилиндр, в боковой поверхности которого выполнены радиальные окна с заостренными кромками и который расположен между статором и ротором, при этом сердечники статора проходят через указанные окна, так что их торцы расположены, по существу, вровень с внешней по отношению к статору поверхностью указанного цилиндра. Такое исполнение также позволяет разместить на втулке ротора большее количество магнитов, что обеспечивает возможность генерации электрического тока промышленной частоты при относительно невысоких скоростях вращения ротора (тихоходные генераторы). Согласно другому варианту реализации магниты ротора включают постоянные магниты. Согласно другому варианту реализации цилиндр выполнен из шихтованной электротехнической стали. Согласно другому варианту реализации между цилиндром и сердечниками статора расположены изолирующие экраны. Кроме того, предотвратить проявление эффекта "залипания" и существенно снизить потери для повышения эффективности генератора позволяет генератор согласно другому варианту реализации настоящего изобретения, который включает статор, явнополюсный ротор, который установлен в генераторе с возможностью вращения относительно статора и магнитного взаимодействия с ним и который содержит магниты с полюсами возбуждения и втулку ротора, на которой установлены указанные магниты. Указанный генератор отличается тем, что его статор выполнен составным и включает внешний статор,который расположен снаружи ротора, и внутренний статор, который расположен внутри ротора, причем указанные внешний и внутренний статоры содержат спинку статора, сердечники статора, которые расположены на спинке статора, катушки обмоток, которые размещены на сердечниках, и полый стальной цилиндр, в боковой поверхности которого выполнены радиальные окна с заостренными кромками, имеющие, по существу, одинаковые размеры и расположенные напротив друг друга, при этом цилиндр внешнего статора расположен между внешним статором и ротором, так что сердечники внешнего статора проходят через указанные окна, а торцы этих сердечников расположены, по существу, вровень с поверхностью цилиндра внешней по отношению к внешнему статору, а цилиндр внутреннего статора расположен между внутренним статором и ротором, так что сердечники внутреннего статора проходят через указанные окна, а торцы этих сердечников расположены, по существу, вровень с поверхностью цилиндра,внешней по отношению к внутреннему статору. Согласно другому варианту реализации между цилиндрами и сердечниками внешнего и внутреннего статоров расположены изолирующие экраны. Согласно другому варианту реализации магниты ротора включают постоянные магниты. Согласно другому варианту реализации цилиндры выполнены из шихтованной электротехнической стали. Краткое описание чертежей Далее приведено подробное описание нескольких вариантов реализации предлагаемого синхронного генератора со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых показано: фиг. 1 - поперечное сечение двухфазного синхронного генератора с числом пар полюсов P=3 согласно первому варианту реализации; фиг. 2 - поперечное сечение двухфазного синхронного генератора с числом пар полюсов P=3 согласно второму варианту реализации; фиг. 3 - поперечное сечение двухфазного синхронного генератора с числом пар полюсов P=3 согласно третьему варианту реализации; фиг. 4 и 5 - линейные развертки фрагмента ротора и статора генератора согласно первому варианту реализации в двух основных положениях ротора относительно статора; фиг. 6 и 7 - линейные развертки фрагмента ротора и статора генератора согласно второму варианту реализации в двух основных положениях ротора относительно статора. Осуществление изобретения При описании вариантов реализации предлагаемого синхронного генератора одинаковые детали обозначены одинаковыми номерами позиций. На фиг. 1 показан синхронный генератор согласно первому варианту реализации, который включает неподвижный статор, выполненный из шихтованной электротехнической стали, и ротор, установленный в статоре с возможностью вращения. Такая компоновка характерна для быстроходных синхронных машин. Статор генератора включает спинку 1 статора, на которой расположены сердечники 2 статора. На сердечниках 2 расположены обмотки 3 статора. Ротор генератора включает втулку 4 ротора и магниты с полюсами 5 возбуждения, установленные на втулке 4. Статор также включает полый цилиндр 6, выполненный из шихтованной электротехнической стали, который имеет радиальные окна с заостренными кромками. Сердечники 2 статора проходят в окна цилиндра 6, а их торцы установлены вровень с внутренней поверхностью цилиндра 6. Кроме того, при сборке генератора, между сердечниками 2 и цилиндром 6 размещают изолирующие экраны 7 для дополнительного снижения магнитных потерь. На фиг. 2 показан синхронный генератор согласно второму варианту реализации, конструкция которого отличается тем, что ротор генератора размещен снаружи статора. Статор генератора включает спинку 1 статора, на которой расположены радиальные сердечники 2 статора. На сердечниках 2 расположены обмотки 3 статора. Ротор генератора включает втулку 4 ротора и магниты с полюсами 5 возбуждения, установленные на втулке 4. Статор также включает полый цилиндр 6, выполненный из шихтованной электротехнической стали, который имеет радиальные окна. Сердечники 2 статора проходят в окна цилиндра 6, а их торцы установлены вровень с внешней поверхностью цилиндра 6. Кроме того, при сборке генератора, между сердечниками 2 и цилиндром 6 размещают изолирующие экраны 7. Размещение ротора снаружи статора синхронной машины характерно для тихоходных синхронных машин и по-2 019231 зволяет разместить большее количество магнитов на втулке 4 для обеспечения возможности генерации электрического тока промышленной частоты (50 Гц) при относительно невысоких скоростях вращения ротора (например, в ветрогенераторах или гидрогенераторах). На фиг. 3 показан синхронный генератор согласно третьему варианту реализации, конструкция которого отличается тем, что статор выполнен составным и включает внешний статор 8, который расположен снаружи ротора 9, и внутренний статор 10, который расположен внутри ротора 9. Статор 8 включает спинку 11 статора, сердечники 13 статора, которые расположены на спинке 11 и на которых размещены катушки обмоток (не показаны), и полый цилиндр 15, в боковой поверхности которого выполнены радиальные окна с заостренными кромками, а статор 10, в свою очередь, включает спинку 17 статора, сердечники 18 статора, которые расположены на спинке 17 и на которых размещены катушки обмоток (не показаны), и полый цилиндр 19, в боковой поверхности которого выполнены радиальные окна с заостренными кромками. Цилиндры 15 и 19 выполнены из шихтованной электротехнической стали. Согласно этому варианту реализации цилиндр 15 статора 8 расположен между статором 8 и ротором 9, так что сердечники 13 проходят через окна цилиндра 15, а их торцы расположены вровень с внутренней поверхностью цилиндра 15. При этом цилиндр 19 статора 10 расположен между статором 10 и ротором 9, так что сердечники 18 проходят через окна цилиндра 19, а их торцы расположены вровень с внешней поверхностью цилиндра 19. Окна цилиндров 15 и 19 имеют одинаковые размеры и расположены напротив друга для обеспечения возможности расположения торцов сердечников 13 и 18 напротив друг друга. Предлагаемые генераторы работают следующим образом. При вращении ротора магнитное поле его магнитов, пересекая обмотки сердечников 2, наводит в них ЭДС. При этом магнитное поле магнитов ротора свободно скользит по поверхности цилиндра 6 и торцов сердечника 2 вследствие того, что магнитная напряженность при взаимодействии этого поля с цилиндром 6 и магнитная напряженность при его взаимодействии с сердечниками 2 одинаковы. Таким образом, кинетическое торможение ротора предотвращается, а эффективность генератора, определяемая как отношение полезной электрической мощности, генерируемой в генераторе, и кинетической энергии, потребляемой генераторам, увеличивается. На фиг. 4 и 6 показано первое основное положение ротора относительно статора для генераторов согласно первому и второму вариантам реализации соответственно. В этом положении магнитное поле магнитов ротора пересекает сердечники 2, а магнитный поток проходит через сердечник, возбуждая катушку статора и вырабатывая электрический ток. Заостренные кромки окон цилиндра, а также наличие экранов 7 исключают взаимодействие магнитного поля статора, образуемого при взаимодействии магнитного поля ротора с сердечником, и указанного полого цилиндра, снижая магнитные потери генератора. Это позволяет генерировать электрический ток максимальной величины. На фиг. 5 и 7 показано второе основное положение ротора относительно статора для генераторов согласно первому и второму вариантам реализации соответственно. В этом положении магнитное поле магнитов ротора не взаимодействует с сердечниками 2, а магнитный поток замыкается в цилиндре 6 и не попадает на сердечники 2. При этом возбуждения катушек сердечников не происходит. Таким образом,обеспечивается правильная работа генератора, при которой возбуждение катушек происходит только при прохождении магнитного поля магнитов ротора через обмотки статора. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Синхронный явнополюсный генератор, который включает статор, содержащий спинку статора,сердечники статора, которые расположены на спинке статора, катушки обмоток, которые размещены на сердечниках, явнополюсный ротор, который установлен в генераторе с возможностью вращения относительно статора и магнитного взаимодействия с ним и который содержит магниты с полюсами возбуждения, а также втулку ротора, на которой установлены указанные магниты, отличающийся тем, что статор расположен снаружи ротора и включает полый стальной цилиндр, в боковой поверхности которого выполнены радиальные окна с заостренными кромками и который расположен между статором и ротором,при этом сердечники статора проходят через указанные окна, так что их торцы расположены, по существу, вровень с внешней по отношению к статору поверхностью указанного цилиндра. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что между цилиндром и сердечниками статора расположены изолирующие экраны. 3. Генератор по п.2, отличающийся тем, что магниты ротора включают постоянные магниты. 4. Генератор по п.2, отличающийся тем, что полый цилиндр статора выполнен из шихтованной электротехнической стали. 5. Синхронный явнополюсный генератор, который включает статор, содержащий спинку статора,сердечники статора, которые расположены на спинке статора, катушки обмоток, которые размещены на сердечниках, явнополюсный ротор, который установлен в генераторе с возможностью вращения относительно статора и магнитного взаимодействия с ним и который содержит магниты с полюсами возбуждения, а также втулку ротора, на которой установлены указанные магниты, отличающийся тем, что статор расположен внутри ротора и включает полый стальной цилиндр, в боковой поверхности которого выполнены радиальные окна с заостренными кромками и который расположен между статором и ротором,-3 019231 при этом сердечники статора проходят через указанные окна, так что их торцы расположены, по существу, вровень с внешней по отношению к статору поверхностью указанного цилиндра. 6. Генератор по п.5, отличающийся тем, что между цилиндром и сердечниками статора расположены изолирующие экраны. 7. Генератор по п.6, отличающийся тем, что магниты ротора включают постоянные магниты. 8. Генератор по п.6, отличающийся тем, что полый цилиндр статора выполнен из шихтованной электротехнической стали. 9. Синхронный явнополюсный генератор, который включает статор, явнополюсный ротор, который установлен в генераторе с возможностью вращения относительно статора и магнитного взаимодействия с ним и который содержит магниты с полюсами возбуждения и втулку ротора, на которой установлены указанные магниты, отличающийся тем, что статор выполнен составным и включает внешний статор,который расположен снаружи ротора, и внутренний статор, который расположен внутри ротора, причем указанные внешний и внутренний статоры содержат спинку статора, сердечники статора, которые расположены на спинке статора, катушки обмоток, которые размещены на сердечниках, и полый стальной цилиндр, в боковой поверхности которого выполнены радиальные окна с заостренными кромками, имеющие, по существу, одинаковые размеры и расположенные напротив друг друга, при этом цилиндр внешнего статора расположен между внешним статором и ротором, так что сердечники внешнего статора проходят через указанные окна, а торцы этих сердечников расположены, по существу, вровень с поверхностью цилиндра, внешней по отношению к внешнему статору, а цилиндр внутреннего статора расположен между внутренним статором и ротором, так что сердечники внутреннего статора проходят через указанные окна, а торцы этих сердечников расположены, по существу, вровень с поверхностью цилиндра, внешней по отношению к внутреннему статору. 10. Генератор по п.9, отличающийся тем, что между цилиндрами и сердечниками внешнего и внутреннего статоров расположены изолирующие экраны. 11. Генератор по п.10, отличающийся тем, что магниты ротора включают постоянные магниты. 12. Генератор по п.10, отличающийся тем, что цилиндры внешнего и внутреннего статоров выполнены из шихтованной электротехнической стали.