Безредукторний вітроагрегат

Безредукторний вітроагрегат, що містить статор, виконаний з феромагнітного диска з радіальними прорізами, що утворюють парне число секцій, і ротор, з'єднаний з лопатями і утворюючий вітроколесо, який відрізняється тим, що статор виконаний у вигляді двох концентричних однаково розсічених дисків, на периферії площини одного з них встановлено круговий ланцюжок постійних магнітів з полярністю, що чергується, а на периферії протилежної площини - відповідний ланцюжок модулів лінійного генератора, а ротор виконаний у формі колеса з траверсами, у прорізи плоского обода якого, виконаного з немагнітного матеріалу, умонтовані магнітопровідні шихтовані секції, позиційовані співвісно полюсним граням магнітів і модулів, кругова зборка яких має однакове з магнітними і модульними групами полюсне ділення. Винахід відноситься до області малої енергетики, зокрема, до вітроенергетичних установок (ВЕУ), що працюють на мережу або на батарею акумуляторів. В даний час активно розробляються безредукторні типи вітроустановок, перевагою яких є відсутність втрат потужності в блоках кінематичних зв'язків. Перехід до прямої передачі крутильного моменту з вала на вузли генератора привів до таких схем перетворювачів енергії, у яких змінена топографія працюючих магнітних потоків. Циліндричні потоки індукції традиційних генераторів замінені потоками дискової конфігурації і створеними на основі цього принципу лінійними генераторами. Але такі пристрої відрізняються великими габаритами і не є вже електромагнітними приставками до ВЭУ, а убудовані в їхню конструкцію на правах схемних вузлів, що виконують кілька рівнобіжних функцій (можуть служити тепловими каналами, елементами силових опор, магнітопроводами). У складі таких пристроїв ротори придбали велику конструктивну складність, і масивність. Причому серйозність цих (і супутніх їм) недоліків росте пропорційно збільшенню потужності вітроустановок. Огляд патентної літератури показує, що зазначені аспекти проблематики активно проробляються. Відомий безредукторний вітроагрегат [И.П. Копылов, Т.В. Лядова, Безредукторный ветроагрегат, а.с. СССР №868105 МПК7 F03D 9/00, Опубл.30.09.81, Бюл.№36], що містить вітроколесо і магнітоелектричний генератор, ротор якого закріплений на торцевій площині вітроколеса і виконаний у формі сталевого кільця з розташованими на ньому постійними магнітами. Статор укріплений на окремій опорі і складається з окремих шихтованих секцій трапецієподібного перетину, з'єднаних між собою фланцями. Магнітопроводи в даній конструкції мають кільцеву форму і на роторі і на статорі. Тому контур проводки магнітного потоку від кожної пари діаметрально розміщених магнітів має не радіальну а кругову симетрію. UA (11) 86116 (13) (21) a200706196 (22) 04.06.2007 (24) 25.03.2009 (46) 25.03.2009, Бюл.№ 6, 2009 р. (72) ДЗЕНЗЕРСЬКИЙ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, ТАРАСОВ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, КОСТЮКОВ ІГОР ЮРІЙОВИЧ, UA, БУРЯК ОЛЕКСАНДР АФАНАСІЙОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ І ТЕХНОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ "ТРАНСМАГ", UA (56) SU, 1737151, F03D 9/00, 30.05.1992 RU, 2037070, F03D 5/04, 3/06, 09.06.1995 SU, 1787206, F03D 1/00, 07.01.1993 RU, 2064082, F03D 3/00, 20.07.1996 RU, 2073298, H02K 21/32, 10.02.1997 US, 6147415, H02K 7/18, F03D 3/06, Nov.14, 2000 WO, 8907362, H02K 21/44, 10.08.1989 SU, 868105, F03D 9/00, 30.09.1981 UA, 23688, F03D 5/02, 15.09.2000 C2 2 (19) 1 3 Недоліком генератора є складність конструкції і завищена вага ротора, що надмірно збільшує інерційний момент вітроколеса і створює великі механічні навантаження на опорну систему. Найбільш близьким технічним рішенням, узятим як прототип є ветрогенератор [В.В. Удовиченко, Ветрогенератор, декларационный патент UA №23688 МПК7 F03D5/02, Опубл. 31.08.98, Бюл.№4], який містить ротор, з'єднаний з лопастями, і статор. Вони виконані у виді соосно встановлених на одній осі феромагнітних дисків з радіальними прорізами, що утворюють парне число секторів. Магніти розміщені рівномірно на секторах ротора з чергуванням магнітної полярності, а на секторах статора укріплені феромагнітні осердя з котушками. До недоліків прототипу можна віднести конструктивну складність і завищену масу ротора. В основу технічного рішення поставлена задача спрощення конструкції і зменшення маси ротора безредукторної вітроустановки ротора. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої статор виконаний у виді двох концентричних однаково розсічених дисків, на периферії площини одного з них установлено круговий ланцюжок постійних магнітів з полярністю, що чергується, а на периферії протилежної площини - відповідний ланцюжок модулів лінійного генератора, а ротор виконаний у формі колеса з траверсами, у прорізи плоского обода якого, виконаного з немагнітного матеріалу, умонтовані магнітопровідні шихтовані секції, позиційовані соосно полюсним граням магнітів і модулів, кругова зборка яких має однакове з магнітними і модульними групами полюсне ділення. Проаналізуємо основні положення технічного рішення, що патентується. У звичайних генераторах використовуються потоки з круговою (циліндричною) симетрією, при якій контури замикання магнітних потоків від магнітів збудження мають велику довжину. В лінійних генераторах радіальна симетрія шляхів магнітних потоків змінює конфігурацію магнітного поля з циліндричної на дископодібну. При цьому довжина магнітопроводів суттево зменшується. Однак заміна кільцевих магнітопроводів на дискові багаторазово збільшує масу ротора, що для великогабаритних безредукторних генераторів дуже істотно з погляду інерційності і зростаючих проблем з вузлами обпирання. Але ця обставина в принципі не повинна вести до зниження потужності відносно того чи іншого конструктивного параметра. У пристрої, що патентується, статор складається з двох дисків. Магніти і модулі лінійного генератора закріплені на протилежних симетричних дисках статора. І індукторна і відповідна площини генератора нерухомі. Повітряний зазор між дисками такий, що розсіювання магнітного потоку в зоні зазору значне. Ротор розміщений у зазорі і має форму диска. Він містить убудовану систему феромагнітних шихтованих секцій, що не мають між собою магнітного зв'язку. Вони відіграють роль шунтів магнітного потоку. Зазначений вибір кінематичної і магнітоелектричної схем вітрогенератора веде до того, що з'являється технічна можли 86116 4 вість використати як корисний параметр один з найбільш виражених негативних процесів, що супроводжує дифузію магнітних потоків по шляхах, які складаються з ділянок із різним магнітним опором. Геометрично збільшений розрив магнітопровода на ділянці «індуктор-модуль» створює великий повітряний зазор між полюсами генератора, наявність якого призводить до фактичної втрати магнітного зчеплення між ними. Коли ротор обертається, секції проскакують в зазорах, зменшуючи опір потоку індукції. У момент перекриття зазору (шунтування) секцією спостерігається стрибок збільшення магнітопровідності зазору і згущення ліній магнітної індукції в секції й у концентраторі статорного модуля відповідно. Магнітний зв'язок по контуру магнітопровода відновлюється саме в тій імпульсній формі, що забезпечує максимальний ступінь перетворення механічної енергії в електричну. Для ефективної роботи такого перетворювача необхідно використовувати магнітом'які матеріали для виготовлення як рухливих, так і нерухомих фрагментів магнітної арматури. Низьке значення залишкової намагніченості цих деталей збільшить максимум викиду потоку магнітної індукції. Це тим більш важливо в даній схемі одержання електроенергії, заснованої на утилізації пульсуючого односпрямованого потоку. Вага установки зменшується за рахунок перенесення на статор магнітної групи. На роторі залишається тільки феромагнітна маса шунтів, що є необхідними елементами, які з'єднують потік. Основний позитивний ефект, одержуваний від змін конструкції, виявляється найбільш чітко в разі потреби збільшення при конструюванні номінальної потужності генератора. Використання постійних магнітів має той недолік, що зростання магнітної енергії індуктора може бути отримано тільки шляхом нарощування маси магнітів (що обумовлено існуванням межі намагніченості матеріалу). При цьому збільшується тільки маса, розміщена на нерухомому статорі, що не має обмежень по цьому параметру. Розмір рухомих секцій ротора при цьому можна не збільшувати, чи збільшувати в набагато меншій пропорції до потужності, аніж габарити магнітних брусків. Таким чином досягнуто гравітаційне розвантаження ротора за рахунок зменшення його маси. Спрощення конструкції проведено шляхом заміни електромагнітів в системі збудження генератора постійними супермагнітами (самарійкобальтовими, або залізо-неодимовими рідкоземельними сплавами). А динамізацію нерухомого (постійного) магнітного поля таких джерел забезпечує принцип штучного тимчасового підвищення магнітного опору на ділянці контуру проводки потоку індукції. Роль такого «резистора» виконує повітряний зазор, перекриття якого рухливими шунтами легко відновлює циркуляцію потоку по магнітопроводу. За наявними в авторів відомостями запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використане для розробки і виготовлення ВЕУ великої потужності. 5 Дане компонування генератора може використовуватися для ВЕУ з різними кінематичними схемами. На Фіг.1 приведена схема горизонтальноосьової ВЕУ, а на Фіг.2 - вертикальноосьової. Горизонтальноосьовий варіант ВЕУ (Фіг.2) побудований за принципом, близькому до прототипу. На опорі 1 нерухомо закріплений статор вітрогенератора, що складається з двох концентричних однаково розсічених феромагнітних дисків 2 і 3 з радіальними прорізами, що утворюють парне число секторів. На круговій периферії площини одного з них установлений ланцюжок постійних магнітів 4, а на периферії протилежної площини - відповідний круговий ланцюжок модулів 5 лінійного генератора. Кожен модуль містить котушку індуктивності із осердям (не позначені). Ротор 6 з'єднаний з лопастями 7 і виконаний у вигляді колеса з траверсами, у прорізи плоского обода 8 якого, виконаного з діамагнітного матеріалу, умонтовані магнітопровідні шихтовані секції 9, що є своєрідними рухливими полюсними наконечниками магнітів 4. Роторний і статорний диски встановлені соосно, на спільному валу 10, а полюсні грані всіх активних деталей, установлених на них, знаходяться на рівній відстані від4;і обертання. Усі групи активних деталей (4, 5 і 9) мають однакове полюсне ділення. Вертикальноосьовий варіант ВЕУ (Фіг.2) автори вважають більш ефективним, оскільки перетин повітряного потоку, який тисне на лопасті, не має струмів, затінених деталями кінематичних вузлів. На опорі 1 нерухомо закріплений статор вітрогенератора, що складається з двох дисків 2 і 3. На площині одного з них установлений ланцюжок постійних магнітів 4 з полярністю, що чергується, а на відповідній площині -ланцюжок модулів 5 лінійного генератора. Ротор 6 з'єднаний з вітроколесом 7 і виконаний у формі диска з великим центральним прорізом із траверсами, у плоский обід 8 якого, виконаний з діамагнітного матеріалу, умонтовані магнітопровідні шихтовані секції 9. Пряма передача привідної потужності здійснюється за допомогою вала 10. Крім того, у цій модифікації ВЕУ ротор фіксується в робочій позиції додатковими підшипниковими вузлами 11. Відношення товщини кожної секції 9 до її діаметрального габариту залежить від розміру повітряного зазору і від діаметра модулів. Товщина повинна забезпечити мінімізацію двох повітряних прошарків, що зали 86116 6 шаються після витиснення повітря секцією з зазору. А діаметр модулів і секцій повинні бути близькі по порядку величини. Розходження між описаними конструктивними виконаннями ВЕУ обумовлені тільки орієнтацією вітроколеса, а принцип роботи їхніх генераторів ідентичний. Пристрій працює в такий спосіб. Лопасті 7 установлюють на вітер, у результаті чого на них діє фронтальна сила, що обертає ротор 6 генератора. Шихтовані секції (шунти) 9, що рухаються, проходять між магнітами 4 і модулями 5, перекриваючи в момент проходу повітряний зазор. Вони виконують роль шунтів, відновлюючих магнітний потік по контуру магнітопровода і, як наслідок, на осердях модулів. Потік проводиться магніторушійною силою різнополюсної пари магнітів 4 по контуру, що складається з двох ділянок: секторів феромагнітного диска 2 між модулями 5 і диска 3 між магнітами. Ці ділянки роз'єднані двома повітряними зазорами, що у динаміці синхронно і періодично перекриваються секціями ротора. У тім же ритмі , але в інших фазах відбувається регулярне перекриття зазорів для всіх інших секторів блоку генератора. Проходячи області магнітного зчеплення і переборюючи сили опору руху за рахунок переданого з вітроколеса крутильному моменту, ротор виконує роботу, завдяки якій виробляються імпульси ЕРС у котушках модулів. Ці імпульси інтегруються простою схемою комутації (не показана) без колектора. Агрегат, що патентується, може працювати на мережу споживання або на акумуляторний блок без випрямителя, оскільки генерує ЕРС одного знаку. Тепловий баланс генератора при заявленому сполученні рухливих та закріплених вузлів більш раціональний, ніж у генераторі звичайного компонування, оскільки обертається у вільному повітрі і, отже самопрохолоджується вузол, що нагрівається від періодичного намагнічування в сильному полі. Розміщення усіх активних елементів генератора на нерухомих площинах естакади знімає з них масогабаритні обмеження, що зменшують у звичайних формах виконання можливості оптимізації по найважливіших параметрах перетворення кінетичної енергії в електричну. У такий спосіб досягається поставлена мета. 7 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 86116 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601