Вітрогенератор

Вітрогенератор, що містить ротор, виготовлений з немагнітного матеріалу і встановлений на одному валу з вітроколесом, і статор, магнітна система якого складається з обмоток, установлених на кільцевому магнітопроводі, який відрізняється тим, що статор виконаний із трьох, з'єднаних багатоканальними магнітопроводами, феромагнітних пластин, укріплених на естакаді, з загальною центральною віссю симетрії, що збіга C2 2 86126 1 3 Тому особливу актуальність в пристроях цього класу здобуває проблема зменшення маси ротора. Існує багато технічних рішень, з різним ступенем повноти вирішуючих цю проблему. Відомий безредукторний вітроагрегат [А.И.Машков, Безредукторный ветроагрегат, а.с. СССР №1737151, МПК7 F03D9/00, Опубл. 30.05.92, Бюл.№20], який має двох'ярусний ротор, виконаний у виді двох об'єднаних силовою арматурою феромагнітних кілець, на яких установлені кругові ряди постійних магнітів. Ротор насаджений на вал вітроколеса. У зазорі між кільцями ротора розміщений статор, у диск якого вмонтовані нерухомі котушки із шихтованими осердями. Котушки встановлені так, що їхні осердя є концентраторами потоку від магнітної системи збудження. В описаній схемі генератора досягнуте одержання сильного магнітного поля в зазорі, але ціною значного збільшення маси ротора. Ця обставина і є основним недоліком аналога. Найбільш близьким рішенням, прийнятим як прототип, є вітрогенератор [Д.А.Ивашинцов и др., Ветрогенератор, патент России №2168062, МПК7 F03D9/00, Опубл. 27.05.2001, Бюл.№15], який містить електрогенератор, ротор якого виготовлений з немагнітного матеріалу. У диск ротора умонтовані постійні магніти. Ротор закріплено на одному валу з вітроколесом. Статор виконаний подвійним. Магнітна система кожного складається з обмоток, установлених на кільцевих магнітопроводах. При обертанні вітроколеса поле обох полюсів постійних магнітів збуджує ЕРС індукції в нерухомих обмотках. Технічний результат цього винаходу полягає, крім всього іншого, в зменшенні маси ротора. Ротор прототипу легше ротора аналога. Але для одержання сильного потоку індукції магнітна енергія джерел повинна бути збільшена, що можна здійснити тільки за рахунок збільшення маси магнітів. Питома вага матеріалу постійних магнітів занадто велика. Таким чином, надлишкова маса є недоліком і цієї конструкції. В основу винаходу поставлена задача максимального зменшення маси ротора електрогенератора ВЕУ. Поставлена задача вирішується тим, що у вітрогенераторі, що містить ротор, виконаний з немагнітного матеріалу і встановлений на одному валу з вітроколесом, і статор, магнітна система якого складається з обмоток, установлених на кільцевому магнітопроводі, відповідно до винаходу, статор виконаний із трьох, з'єднаних багатоканальними магнітопроводами феромагнітних пластин, укріплених на естакаді з загальною центральною віссю симетрії, що збігається з валом вітроколеса, і однаковими повітряними зазорами між їхніми площинами, на верхній та нижній пластинах ротора рівномірно по колу встановлені однакові ланцюжки постійних магнітів, кожна пара яких розміщена навпроти і протилежні магніти мають однакову полярність, на середній пластині між відповідними парами магнітів закріплені модулі, що складаються із шихтованих осердів з 86126 4 котушками індуктивності й утворюють круговий ланцюжок з полюсним діленням, співпадаючим з полюсним діленням системи магнітів, при цьому магнітні потоки статора замикаються через систему магнітопроводів, які служать елементами опорної конструкції генератора, а ротор виконаний у формі двох тонких дисків з діамагнітного матеріалу, закріплених на спільному валу і встановлених у зазорах між пластинами статора, у кожнім диску в зонах ортогональних проекцій магнітних полюсів на його площину виконані прорізи, що чергуються із суцільними ділянками, причому розміри тих і інших у круговому напрямку дорівнюють розмірам полюсних граней магнітів, а диски зсунуті відносно один одного на кут, при якому прорізи на одному диску ротора знаходяться навпроти суцільних ділянок між прорізами на іншому. Технічне рішення, що патентується, відрізняється однією особливістю: на роторі взагалі не встановлюють активних деталей генератора. І якір і індуктор у даній схемі нерухомі. Принцип роботи генератора визначається тим, що рухливим вузлом (ротором) є електродинамічний екран. Він являє собою подвійний тонкий диск із діамагнітного матеріалу (алюмінію або його сплавів) і працює при відносному русі у полі магнітів індуктора. У матеріалі диску ротора,що перетинає при русі лінії магнітного поля індуктора наводяться вихрові струми, що нейтралізують поле, що їх викликало. У спокої, або на початку розгону диск пропускає магнітний потік у повному обсязі, а потім з ростом швидкості усе більше екранує його, аж до повного перекриття вихідного потоку потоком протилежної спрямованості. Екран виконує переполюсовку вихідного потоку. Відповідно до цього принципу і з метою створення знакоперемінного потоку індукції в магнітній системі генератора, що складається тільки з нерухомих деталей, конструкція генератора має наступну структуру. Статор має три нерухомих яруса. Опорним каркасом кожного з них служить феромагнітна пластина, закріплена на естакаді. На двох крайніх пластинах установлені магнітні системи з кругових ланцюжків постійних магнітів, а на середній розміщено круговий ланцюжок модулів. Між пластинами сформовано два повітряних зазори для установки в них роторних дисків. Загальною віссю симетрії статорних вузлів є вал вітроколеса, з яким вони не мають кінематичного зв'язку. Ротор у цій системі складається з двох дисків, що розміщені кожний у своєму повітряному зазорі статора і закріплені на загальному з вітроколесом валу. Диски виконані не суцільними, а з локальними прорізами по всьому периметру. Прорізи чергуються з закритими ділянками рівного розміру. Розмір прорізів і закритих ділянок відповідає довжини полюсних граней постійних магнітів статора у напрямку руху диска, тому прорізи здатні пропустити весь магнітний потік до модулів статора, а закриті ділянки - екранувати його. Таким чином, при обертанні ротора потік перетинає послідовно ланцюжок зон, що чергуються, з різною магнітною проникністю, при цьому потік індукції 5 від магнітної системи в зоні розміщення модулів перетворюється з постійного на пульсуючий. Обидва диски ідентичні по радіальних розмірах. Але прорізи на одному з дисків зсунуті щодо прорізів іншого на величину полюсного ділення магнітної системи. Така конфігурація вносить асинхронність в акти дифузії різнонапрямкових потоків в осердя модулів і дозволяє перетворити пульсуючі однополярні потоки в знакозмінні. Взаємне позиційне компонування активних елементів така, що при обертанні ротора кожен магніт статора то закривається диском, то відкривається. Але при цьому коли магніти одного індуктора попадають на прорізи ротора, то магніти іншого індуктора екрануються від модулів вихровим струмом, який дає полярність, протилежну полярності відкритого на даний момент магніту. Таким чином, поле магнітів, що досягає модулів з однієї і з іншої сторони, не є синхронним, а знаходиться у протифазі, пульсує на осерді-концентраторі (імпульсно змінюючи свій напрямок). У такий спосіб відбувається динамізація потоку індукції. Періодичне перемагнічування осердя модуля і при нерухомих вузлах змушує генератор працювати в режимі виробництва перемінної ЕРС індукції. Площини дисків не мають надлишкової маси, оскільки на них не встановлені деталі генератора. Тому маса дисків дорівнює масі діамагнітного матеріалу, з якого вони виготовлені. Усі масивні деталі генератора перенесені на диски статора. Але оскільки від маси статора не залежить ні інерційність роботи пристрою, ні оперативність управління його динамікою, ні продуктивність, то у розробників з'являється можливість широкого вибору матеріалів, знімаються масогабаритні обмеження на вузли і деталі генератора. Велика частина ваги пристрою, що патентується, має опорою естакаду ВЕУ, щодо якої ваговий параметр не є критичним. Особливо це стосується маси і форми магнітопроводів. Проводка магнітних потоків для перемагнічування модульних осердів забезпечується двома симетричними багатоканальними магнітопроводами, частини яких служать одночасно деталями опорної конструкції естакади. Таким чином, дана схема дає змогу одержати пульсуюче магнітне поле в системі нерухомих активних елементів генератора. Єдиний рухливий вузол (ротор) складається з тонких дисків, виконаних з металу з малою питомою вагою, має вирізи, звільнений від усіх деталей і тому його маса невелика. Отже в технічному рішенні, що патентується, досягнутий максимально можливий ступінь зменшення маси ротора ВЕУ, що відповідає меті поставленої задачі модернізації пристрою. Відносна ускладненість кінематичної схеми ВЕУ позначається тільки при виготовленні механізму, але компенсується довгостроковими експлуатаційними перевагами. За наявними в авторів відомостями запропоновані істотні відмінності, що характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. 86126 6 Запропоноване технічне рішення може бути використане при розробці ВЕУ підвищеної потужності. На Фіг.1 приведена схема компонування вузлів ВЕУ з легким ротором; на Фіг.2 - схема розміщення магнітів збудження; на Фіг.3 - вид ротора в плані; на Фіг.4 - схема компонування модулів із спільним магнітопроводом; на Фіг.5 - схема фрагмента активної ділянки генератора. Триярусна станина 1, 2 і 3 генератора (Фіг.1), виконана у формі пластин з феромагнітного матеріалу, нерухомо закріплена на естакаді ВЕУ (показано умовним знаком фіксації без схеми естакади). Яруси з'єднані перемичками 4. На ярусах 1 і 2 станини встановлені кругові системи постійних магнітів 5 (схема їхнього компонування показана на Фіг.2). На ярусі 3 розміщений модульний вузол, що містить модулі 11 генератора (схема їхнього розміщення показана на Фіг.4) і магнітну арматуру (перемички 4). У зазорах між ярусами станини розміщений ротор генератора, що складається з двох пластин 6 і 7 на спільному валу 8, зв'язаному з вітроколесом 9. У пластинах ротора виконані прорізи 10 (схема приведена на Фіг.3). Магніти 5 збудження (Фіг.2) розміщені по площинах ярусів 1 і 2 станини. Обидва яруси з'єднані локальними феромагнітними перемичками 4, і утворюють у такий спосіб замкнений магнітопровід. Магніти у формі брусків встановлені по круговому ряду (на відстані R від вала), зміщеного радіально до периферії площин. Полюсне ділення магнітної системи визначається довжиною брусків у напрямку обертання ротора й умовою, пов'язаною з принципом роботи пристрою, відповідно до якого, відстань між брусками повинна бути мінімальною, не переважаючою товщини шару електроізоляції. Геометрія прорізів 10 роторних пластин 6 і 7 (Фіг.3) строго погоджена з компонуванням магнітної системи (по Фіг.2). Обидва диски мають однакову конструкцію. Прорізи 10 у них виконані у відповідності зі схемою розміщення магнітних брусків 5, але зі зменшеним у два рази полюсним діленням. Розміри прорізів відповідають габаритам полюсних граней брусків, а відстань між прорізами дорівнює довжині граней у круговому напрямку. При закріпленні на спільнім валу 8 диск 7 провертається щодо диска 6 на один полюсний крок. При цьому кожен проріз диска 7 знаходиться навпроти глухого проміжку між сусідніми прорізами диска 6. Диски 6 і 7 можуть мати кільцеподібну форму і з'єднані з валом 8 траверсами (не пронумеровані). Схема установки модульної групи генератора зроблена також з урахуванням геометричних особливостей інших його активних вузлів (Фіг.4). Радіус R умовного кола, що проходить через геометричні центри осердів модулів дорівнює радіусам, що проходять через центри прорізів роторних дисків і через центри полюсних граней магнітів. Полюсне ділення модульного ланцюжка дорівнює 7 полюсному діленню магнітної системи. Кожен модуль 11 складається із шихтованого осердя 12 і котушки індуктивності 13. Внутрішній магнітопровід (пластина 3 статора) і зовнішні перемички 4 з'єднують усі модулі в магнітну систему на спільному контурі. На Фіг.5 представлений фрагмент генератора (енергоперетворювальна ячейка). Два ідентичних магніти 5 установлені на двох ярусах 1 і 2 станини. Між полюсними гранями протилежних магнітів утворено повітряний зазор. У зазорі розміщений модуль генератора, що містить наступні нерухомо закріплені елементи: осердя 12, котушку 13, два хомути 14, що фіксують осердя сумісно із пластиною 3. Позиційна фіксація цих деталей здійснюється по двох загальних осях симетрії: круговій та лінійній. Кругова вісь обговорена вище і характеризується параметром R, а лінійна показана на малюнку і проходить через геометричні центри обох магнітів і модуля. У зазори між полюсними гранями магнітів і осердя входять рухливі деталі - диски ротора 6 і 7. У приведеній позиції показана та фаза положення ротора, коли один магніт цілком закритий екраном, а другий цілком відкритий. Опишемо роботу всього генератора, пояснюючи процеси, що відбуваються в одній з його ячейок. Генератор працює в такий спосіб. У початковому положенні, при нерухомому роторі зустрічно орієнтовані поля магнітів 5 від обох частин індуктора досягають модульного осердя 12, намагнічуючи його складним чином. Це відбувається тому, що диски виконані з діамагнітного матеріалу, що пропускає магнітний потік. Оскільки ротор з'єднаний з вітроколесом 9, то вітровий напір, перетворений лопастями в крутильний момент, приводить в обертання дводискову систему екранів 6 і 7, з яких складається ротор. Ритм суміщення магнітів обох ярусів із прорізами визначається тим, що відстань між прорізами дорівнює подвоєному полюсному діленню магнітних систем, і тим, що прорізи верхнього диска зсунуті щодо прорізів нижнього на одне полюсне ділення. При малих швидкостях обертання ротора перемагнічування осердя 12 не відбувається і ЕРС не виникає. Ця стадія роботи генератора характеризується малим опором руху і сприяє розкручуванню ротора. В міру збільшення швидкості починає позначатися ефект, що екранує, викликаючи в осерді 12 процеси перемагнічування, що при подальшому наростанні швидкості підсилюються. У фазі взаємодії, зображеній на Фіг.5, при сталій швидкості обертання ротора полюсна грань лівого магніту (ярус 1) знаходиться навпроти прорізу 10 диска 6, а полюсна грань правого (ярус 2) - навпроти суцільної частини диска 7. Оскільки це динамічна фаза, що склалася при набігу дисків на магніти, то потік магнітної індукції від лівого магніту, що відкривається, дифундує в осердя при синхронній переполюсовці потоку правого магніту, що перекривається. Механізм екраніровки, як уже вказувалося вище, має осно 86126 8 вою нейтралізацію вихідного потоку індукції вихровими струмами, що наводяться цим потоком у матеріалі диска. Незалежно від топографії намагніченості осердя до взаємодії саме з цією ділянкою ротора, відбувається його перемагнічування, що відповідає динаміці зміни потоку індукції від домінуючого в даний момент лівого магніту. Проводка перемагнічувального потоку індукції здійснюється по готовому контуру магнітопровода: південний полюс лівого магніту 5 - повітряний зазор у прорізі 10 диска 6 - осердя 12 - хомути 14 - перемичка 4 - станина 1 - північний полюс магніту 5. Цей же потік пронизує витки котушки 13, викликаючи в ній ЕРС індукції. При подальшому обертанні ротора лівий магніт закриває суцільна ділянка диска 6, що набігає, а правий магніт відкривається, сполучившись із прорізом диска 7. При цьому відбуваються відповідні динаміці магніторушійних сил процеси, симетричні описаному, оскільки магніти мають зустрічну орієнтацію полюсів. Домінуючим стане правий магніт, енергія поля якого змінить полярність намагнічування осердя на протилежне. Потік індукції піде по контуру: південний полюс правого магніту 5 - повітряний зазор у прорізі диска 7 - осердя 12 - хомути 14 - перемичка 4 - станина 2 - північний полюс того ж магніту. Зміни потоку створять у котушці 13 ЕРС індукції протилежного знака. При послідовній постійній зміні домінуючого магніту осердя періодично перемагнічується й у такий спосіб установлюється режим вироблення перемінної ЕРС, що надходить у споживчу мережу, або до акумулятора. Повітряний зазор, подоланий магнітними потоками підлягає мінімізації для зменшення магнітного опору контуру проводки. У даній конструкції це легко здійснити шляхом зменшення товщини роторних дисків, що можуть виконувати функцію екранування при відносно невеликих товщинах. Розмір скін-шару (глибина проникнення поля в матеріал пластини) залежить від швидкості обертання ротора і змінюється в діапазоні 10-0,1мм. Перевага триярусної схеми полягає в тім, що подвоєння повітряного проміжку не збільшує магнітного опору ланцюжка проводки поля, оскільки функціонально в кожній фазі взаємодії працює тільки один зазор (один контур магнітопровода, зв'язаний з домінуючим магнітом). Другий же своїм опором збільшує надійність екраніровки. У схемі, що патентується, всі активні вузли генератора (якір, індуктори, магнітопроводи) нерухомі і конструктивно сполучені з площинами стаціонарних платформ естакади. Рухливим є тільки система екранів, що виконує функцію ротора. Необхідне для забезпечення роботи генератора перемагнічування сердечників модулів досягнуто не за рахунок відносного переміщення індуктора і модульного блоку, а за рахунок пульсації магнітного потоку, що надходить на сердечники модулів. Таким чином, динамізація магнітних потоків досягається методом штучної (примусової) переполюсовки. 9 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 86126 Підписне 10 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