Електрогенератор для веу з легким ротором

Реферат: Електрогенератор для ВЕУ, встановлений на станині, містить ротор, виготовлений з немагнітного матеріалу у вигляді диска з прорізами і закріплений на спільному з вітроколесом валу, та багатоярусний статор, на площинах якого розміщені магніти збудження, виконані у вигляді брусків, та модулі у вигляді котушок індуктивності з шихтованими сердечниками. Статор має два яруси, кожний ярус виконаний у вигляді пластин з немагнітного матеріалу. На площинах верхнього та нижнього ярусів розташовані магнітозв'язані магнітна та модульна системи, причому магніти і модулі розміщені сумісно по площині кожного ярусу станини у вигляді кругових рядів, зміщених радіально до периферії площин. На верхньому ярусі круговий ряд модулів є зовнішнім відносно до ряду магнітів, а на нижньому зовнішньому є ряд магнітів. В обох системах найближчі в радіальному напрямі магніти і модулі кожного ярусу попарно сполучені локальними феромагнітними перемичками (магнітопроводами). Кожна перемичка здійснює контакт між сердечником модуля і відповідним полюсом магніту. Поєднані пари протилежних ярусів розміщені навпроти, а магніти в них орієнтовані зустрічно протилежними полюсами. В повітряному проміжку між ярусами станини розміщений ротор генератора. Ротор виконаний у вигляді одинарного немагнітного кільця, яке сполучено з валом за допомогою радіальних профільованих траверс. В диску виконано два кругових ряди прорізів, схема розміщення по площині яких відповідає схемі розподілу спарованих перемичками магнітів і модулів. Розміри всіх прорізів однакові і відповідають габаритам полюсних граней магнітів і сердечників, а відстань між прорізами дорівнює довжині граней так, що при обертанні ротора прорізи проходять між магнітозв'язаними парами магніт-модуль, розміщеними на протилежних ярусах, циклічно відкриваючи і перекриваючи стрічні потоки магнітної індукції. UA 105694 C2 (12) UA 105694 C2 UA 105694 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області вітроенергетики, а саме до вітроенергетичних агрегатів, призначених для заряду акумуляторних батарей і електропостачання споживачів, і може бути використаний при розробці вітроустановок великої потужності з легкими роторами. Ротори ВЕУ без редукторного типу характеризує відносно великий діаметральний розмір. Магнітна система, встановлювана на роторі, має чималу сумарну масу, а при збільшенні потужності генератора стає ще важчою, і як наслідок, занадто інерційною. Компоновка активних елементів на площинах ротора така, що розподіл має сильний зсув до радіальної периферії, чим створюється великий момент сил, який деформує їхню опорну конструкцію. А це може викликати помітний дрейф величини повітряного проміжку між магнітами збудження і модулями, що може негативно вплинути на стабільність роботи пристрою взагалі та на коефіцієнт перетворення енергії. Тому спроби вирішення задач, пов'язаних з проблемою зменшення маси ротора мають особливу актуальність. Відомі технічні рішення, які з різним ступенем повноти справляються з поставленою задачею. 7 Так, відомий вітрогенератор за пат. Росії № 2168062, МПК F03D 9/00, Д.А. Івашинцова та ін., опубл. 27.05.2001, Бюл. № 15. Він містить ротор, виготовлений з немагнітного матеріалу, в який вмонтовані постійні магніти. Ротор встановлений на спільному валу з вітроколесом. Статор виконаний подвійним. Магнітна система кожного складається з обмоток, встановлених на кільцевих магнітопроводах. При обертанні вітроколеса поле обох полюсів постійних магнітів наводить ЕДС індукції в нерухомих обмотках. До недоліків аналога слід віднести те, що для отримання сильного потоку індукції сумарна магнітна енергія джерел повинна бути збільшена, що можна здійснити тільки за рахунок збільшення кількості магнітів. Оскільки щільність матеріалу постійних магнітів велика, то маса ротора зростає при збільшенні потужності, що не відповідає поставленій задачі. Найближчим рішенням, прийнятим як прототип, є вітрогенератор за пат. України № 86126 МПК (2009) F03D 9/00, 1/00, 3/00, автори Дзензерський В.О., Тарасов С.В., Костюков І.Ю., Буряк О.А., по заявці а200707355, пріоритет від 02.07. 2007, опубл. 25.03.2009, Бюл. № 6. Він містить ротор, виконаний з немагнітного матеріалу і встановлений на одному валу з вітроколесом, і статор, магнітна система якого складається з обмоток, встановлених на кільцевому магнітопроводі. Згідно з винаходом, статор виконаний з трьох, сполучених багатоканальними магнітопроводами феромагнітних пластин, укріплених на естакаді із спільною центральною віссю симетрії, співпадаючу з валом вітроколеса, і однаковими повітряними проміжками між їх площинами. На верхній і нижній пластинах ротора рівномірно по колу встановлені однакові ланцюжки постійних магнітів, кожна пара яких розміщена один проти одного і магніти, що протилежать, мають однакову полярність. На середній між відповідними парами магнітів пластині закріплені модулі, що складаються з шихтованих сердечників з котушками індуктивності. Вони створюють круговий ланцюг з полюсним розподілом, рівним полюсному розподілу системи магнітів. При цьому магнітні потоки статора замикаються через систему магнітопроводів, що служать водночас елементами опорної конструкції генератора. Ротор виконаний у вигляді двох тонких дисків з діамагнітного матеріалу, закріплених на спільному валу і встановлених в повітряних зазорах між пластинами статора. В кожному диску виконані отвори, що чергують з суцільними ділянками. Розміри тих і інших в круговому напрямі рівні розмірам полюсних граней магнітів, а диски зсунуті один відносно до одного на кут, при якому отвори на одному диску ротора знаходяться напроти суцільних ділянок між отворами на іншому. До недоліків прототипу слід віднести те, що зростання потужності генератора, яке супроводжується збільшенням діаметра ротора, веде до збільшення моментів сил електродинамічного відштовхування диска ротора від статора. Несиметричний тиск поля може створити неприпустимі деформації тонкого диска, для попередження яких доводитися або збільшувати товщину диска, або профілювати його. Перше збільшує масу, а друге - робочий зазор генератора. Збільшення маси підвищує інерційність ротора, а збільшення відстані між магнітами і модулями зменшує КПД генератора. В основу винаходу поставлена задача мінімізації маси ротора електрогенератора при необмеженому збільшенні його потужності, а також зменшення коефіцієнта розсіювання магнітної енергії. Поставлена задача вирішується тим, що статор має два яруси, кожний ярус виконаний у вигляді пластин з немагнітного матеріалу, на площинах верхнього та нижнього ярусів розташовані магнітозв'язані модульна та магнітна системи, причому, магніти і модулі розміщені сумісно по площині кожного ярусу станини у вигляді кругових рядів, зміщених радіально до периферії площин, на верхньому ярусі круговий ряд модулів є зовнішнім відносно до ряду магнітів, а на нижньому зовнішньому є ряд магнітів, в обох системах найближчі в радіальному 1 UA 105694 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 напрямі магніти і модулі кожного ярусу попарно сполучені локальними феромагнітними перемичками (магнітопроводами), кожна перемичка здійснює контакт між сердечником модуля і відповідним полюсом магніту, поєднані пари протилежних ярусів розміщені навпроти, а магніти в них орієнтовані зустрічно протилежними полюсами, в повітряному проміжку між ярусами станини розміщений ротор генератора, ротор виконаний у вигляді одинарного немагнітного кільця, яке сполучено з валом за допомогою радіальних профільованих траверс, в диску виконано два кругових ряди прорізів, схема розміщення по площині яких відповідає схемі розподілу спарованих перемичками магнітів і модулів, розміри всіх прорізів однакові і відповідають габаритам полюсних граней магнітів і сердечників, а відстань між прорізами дорівнює довжині граней так, що при обертанні ротора прорізи проходять між магнітозв'язаними парами магніт-модуль, розміщеними на протилежних ярусах, циклічно відкриваючи і перекриваючи стрічні потоки магнітної індукції. Проведемо порівняльний аналіз відмінних ознак установки, що патентується, з прототипом. В прототипі діаметр ротора (динамічних екранів) обмежений. При збільшенні діаметра (для можливості підвищення потужності генератора за рахунок використання більшої кількості модулів) зростає несиметричний тиск на диск з боку поля магнітів збудження. Зростання моменту сили може призвести до деформацій тонкого диска, що представляє серйозну небезпеку для генератора, оскільки можуть викликати неконтрольовані та хвилі коливання диска з небезпекою резонансних явищ, формування зон механічної напруги, та ін. Цей недолік не можна зняти профілюванням диска, оскільки нерентабельно збільшувати відстань між активними елементами різних ярусів ротора. А збільшувати міцність диска за рахунок товщини значить обважнювати його. Перехід до однодискового ротора, але до дворядного статора знімає проблему, хоча і не без технічних труднощів. В цій компоновці при взаємодії магнітних систем з диском ротора екранування одночасно двох різноспрямованих магнітів, збуджуються одночасно дві стрічні, значною мірою компенсуючи одна одну, сили. Виникаючий компенсаційний ефект, усуває основний недолік прототипу. На відміну від прототипу пристрій, що патентується, має статор з двома ярусами. При цьому вони виконані з немагнітного матеріалу, і не виконують функції магнітопроводів. Це є слідством дворядної компоновки активних елементів генератора (магнітів і модулів). Завдяки цьому, конструкція, не втрачаючи загального принципу, спрощується, стає менш громіздкою. Відмінна ознака "на верхньому ярусі круговий ряд модулів є зовнішнім відносно до ряду магнітів, а на нижньому зовнішнім є ряд магнітів" обумовлена необхідністю функціонального зв'язку протилежних деталей ротора. Цей конструктивний захід виправданий тим, що момент сил, діючий з боку зовнішнього ряду магнітів нижнього ярусу на диск ротора перевищує момент сил від внутрішнього ряду магнітів верхнього ярусу, оскільки радіус його розміщення більше. В такому разі цей момент сил не тільки нейтралізує тиск поля з боку верхньої магнітної системи, але й частково компенсує вагу самого диска ротора. Таким чином, геометричний розбаланс сил є дуже корисним чинником в даній конструкції. В прототипі зменшення магнітоопору забезпечує спільний магнітопровід, який об'єднує всі три яруси поміж собою. При збільшенні діаметра ротора магнітопровід стає надмірно громіздкою спорудою, з нерентабельно зростаючою матеріаломісткістю та гістерезисними втратами. Локальні перемички мають суттєво меншу масу та перемагнічуються з більшою швидкістю, не даючи фазового зсуву. В пристрої, що патентується, в порівнянні з прототипом магнітозв'язані пари, розміщені на різних ярусах, створюють закриті магнітні контури. Кожний локальний контур ініціює локалізований магнітний потік. Завдяки чому зменшується розсіяння магнітної енергії. Використання траверс дає змогу полегшувати вагу диска ротора при значному зростанні його діаметру, оскільки з суцільного листового матеріалу виготовлено тільки кільце. Траверси профільовані у площині дії сил тяжіння, що зміцнює їх. Аналіз показав, що сукупність відмінних ознак сприяють вирішенню поставленої задачі. За відомостями, що є у авторів, запропонована сукупність відмітних ознак, яка характеризує суть винаходу, не відома в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні генераторів для ВЕУ будь-якої потужності. Схема пристрою, що патентується, ілюструється малюнками, де на фіг. 1 представлений фронтальний вид генератора, на фіг. 2 - приведена схема розташування магнітів і модулів на верхньому ярусі статора, на фіг. 3 - схема диска ротора, на фіг. 4 - схема магнітної комірки генератора, 2 UA 105694 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 на фіг. 5 - епюра сил, діючих на диск ротора. Електрогенератор для ВЕУ (фіг. 1) розміщений на двоярусній станині 1 і містить статор і ротор 2. Статор містить розміщені на верхній 3 і на нижній 4 площинах ярусів станини магнітозв'язані елементи - магнітну 5 і модульну 6 системи. Магніти 5 виконані у вигляді брусків, а модулі 6 є котушками індуктивності з шихтованными сердечниками. Схема їх закріплення (або в монтування) на верхньому ярусі показана на фіг. 2. І магніти збудження і модулі розміщені по площині кожного ярусу станини у вигляді кругового ряду зміщеного радіально до периферії площин. Радіус зміщення внутрішнього ряду R1, а зовнішнього - R2. На площині 3 круговий ряд модулів є зовнішнім відносно до ряду магнітів, а на площині 4 зовнішнім є ряд магнітів. В обох системах найближчі магніти 5 і модулі 6 попарно сполучені феромагнітними перемичками 7 (магнітопроводами). Кожна перемичка здійснює контакт між сердечником модуля 6 і відповідним полюсом магніту 5. В проміжку між ярусами станини на спільному з вітроколесом 8 вала 9 розміщений ротор 2 генератора. Ротор 2 виготовлений у вигляді алюмінієвого (або з алюмінієвих сплавів) кільця, в якому виконано дві регулярні системи отворів 10 і 11 (схема приведена на фіг. 3). Кільце сполучено з валом 9 за допомогою радіальних траверс 12. Траверси профільовані (мають ребра жорсткості в площині дії основних сил). Геометрія розміщення отворів 10 і 11 ротора 2 узгоджена з компоновкою магнітної 5 і модульної 6 систем і проведена також з повним врахуванням геометричних особливостей інших його активних вузлів. Радіус зміщення внутрішнього ряду R1, а зовнішнього - R2. Розміри отворів перевищують розміри полюсних граней магнітів 5, а відстань між прорізами дорівнює довжиніотворів. Полюсний розподіл магнітної системи 5 визначається умовою, визначену принципом роботи пристрою, згідно з яким, мінімальна відстань між магнітами (полюсний крок) повинна бути не більша розмірів полюсної грані. Полюсний розподіл зовнішніх рядів дещо більше внутрішніх, але при розділених ланцюгах комутації ця обставина не позначається на роботі генератора. Енергоперетворююча комірка (фіг. 4) виділена умовно, оскільки вона є більше функціональним блоком, аніж конструкційним. Елементи верхнього ярусу 3 станини 1 узгоджені з елементами нижнього ярусу 4 так, що магніти 5 знаходяться точно напроти модулів 6. В повітряному проміжку, який розділяє магніти і модулі, розташовується диск ротора 2. В приведеній позиції показана та фаза положення ротора, коли два отвори 10 і 11 одночасно відкривають полюсні грані магнітів 5 обох ярусів і потоки магнітної індукції дістають вільний доступ до модулів 6 протилежних ярусів. В цій фазі створюється одиничний магнітний контур, в якому потік індукції замкнений в ланцюзі, що проходить від південної полюсної грані нижнього магніту, через проріз до верхнього модуля 6, далі по магнітопроводу 7 до північної полюсної грані верхнього магніту і від південної його грані через проріз, модуль і магнітопровід - на північну полюсну грань нижнього магніту. Всі пари генератора поєднані в між'ярусні ячейки, замкнуті магнітною арматурою (перемичками 7). При такій компоновці часткове розсіяння потоку індукції відбувається тільки в прорізах 10 та 11. Але оскільки комірки локальні і об'єднують магнітну енергію тільки двох магнітів, то втрати суттєво зменшуються. Описана установка працює наступним чином. Крутильний момент надходить від вітроколеса 8 на ротор 2 через трансмісійний вал 9. Всі електротехнічні деталі, розміщені на протилежних площинах ярусів статора 1 нерухомі. Але обертання дворядного перфорованого диска 2 (ротора), розташованого між ярусами додає процесу взаємодії динамічний характер. Встановлюються фази з відкритим потоком між ярусами і екранованим, які циклічно чергуються. У фазі відкритого потоку імпульс магнітної індукції з боку постійних магнітів 5 наводить в модулях 6 ротора ЕДС, яка відводиться в мережу споживання. В наступній за цим фазі екранування потік індукції перекривається, і на сердечники модулів 6 надходить вторинний переполюсований (що змінив полярність) потік. Обертання диска ротора 2 створює регулярну зміну полярностей потоку індукції, що сприяє ефективному виробленню електричної енергії (змінного струму). При цьому модулі кожної магнітної комірки збуджуються синхронно. Але оскільки вони мають різні струмові контури, то працюють незалежно. У фазі екранування (фіг. 5) збуджуються одночасно дві стрічні сили F1 та F2, діючі на диск ротора 2. Вони є силами електродинамічного тиску на матеріал диска з боку потоку магнітної індукції. І взаємно компенсують одна одну, оскільки прикладені до одного і того ж вузла генератора, запобігаючи таким чином можливості деформації диска 2 в зонах, віддалених від вала на значну відстань. Цей ефект дає можливість безпроблемної збільшувати діаметр диска при конструюванні ВЕУ великої потужності. У фазі відкритого потоку електродинамічна взаємодія незначна. 3 UA 105694 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 Електрогенератор для ВЕУ з легким ротором, встановлений на станині, що містить ротор, виготовлений з немагнітного матеріалу у вигляді диска з прорізами і закріплений на спільному з вітроколесом валу, та багатоярусний статор, на площинах якого розміщені магніти збудження, виконані у вигляді брусків, та модулі у вигляді котушок індуктивності з шихтованими сердечниками, який відрізняється тим, що статор має два яруси, кожний ярус виконаний у вигляді пластин з немагнітного матеріалу, на площинах верхнього та нижнього ярусів розташовані магнітозв'язані магнітна та модульна системи, причому магніти і модулі розміщені сумісно по площині кожного ярусу станини у вигляді кругових рядів, зміщених радіально до периферії площин, на верхньому ярусі круговий ряд модулів є зовнішнім відносно до ряду магнітів, а на нижньому зовнішньому є ряд магнітів, в обох системах найближчі в радіальному напрямі магніти і модулі кожного ярусу попарно сполучені локальними феромагнітними перемичками (магнітопроводами), кожна перемичка здійснює контакт між сердечником модуля і відповідним полюсом магніту, поєднані пари протилежних ярусів розміщені навпроти, а магніти в них орієнтовані зустрічно протилежними полюсами, в повітряному проміжку між ярусами станини розміщений ротор генератора, ротор виконаний у вигляді одинарного немагнітного кільця, яке сполучено з валом за допомогою радіальних профільованих траверс, в диску виконано два кругових ряди прорізів, схема розміщення по площині яких відповідає схемі розподілу спарованих перемичками магнітів і модулів, розміри всіх прорізів однакові і відповідають габаритам полюсних граней магнітів і сердечників, а відстань між прорізами дорівнює довжині граней так, що при обертанні ротора прорізи проходять між магнітозв'язаними парами магніт-модуль, розміщеними на протилежних ярусах, циклічно відкриваючи і перекриваючи стрічні потоки магнітної індукції. 4 UA 105694 C2 5 UA 105694 C2 6 UA 105694 C2 7 UA 105694 C2 8 UA 105694 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9