Безредукторний вертикальноосьовий вітроагрегат

Безредукторний вертикальноосьовий вітроагрегат, що містить статор у вигляді естакади, що складається з опорних стійок і кільцевих площадок, та ротор, оснащений опорно-ходовими вузлами і з'єднаний з вітроприводом, а також джерела магнітного поля й котушки індуктивності, який відрізняється тим, що ротор з'єднаний траверсами з віссю вітроколеса, а опорно-ходові вузли встановлені тільки на верхній його площині, генератор оснащений двома круговими різнополярними рядами супермагнітів однакового діаметра, один з яких установлений на роторному диску, а відповідний - на статорній площадці, і розділені повітряним зазором і діамагнітною кільцевою пластиною, причому статорні магніти укладені щільно, а роторні - встановлені з кроком, що дорівнює подвоєному полюсному діленню статора, а котушки індуктивності встановлені в повітряному зазорі між полюсними гранями магнітів і укріплені на діамагнітній пластині. Винахід відноситься до вітроенергетики, а саме - до вітросилових установок для використання в регіонах зі слабкими вітрами, зокрема до конструювання вітроагрегатів середньої потужності. Підвищення потужності вітряних енергоустановок (ВЕУ) є актуальною проблемою сьогочасного стану вітроенергетики. Збільшення діаметра ротора вертикальноосьових безредукторних вітроустановок веде до підвищення потужності з одного боку, але викликає необхідність магнітного підпору ротора з іншого. Магнітоелектричні ротори, застосовувані на вітроагрегатах такого типу, збільшуються в масі пропорційно збільшенню номінальної потужності. У такому ж темпі зростають внутрішні втрати енергії, що йдуть на покриття сил тертя, а також на живлення засобів управління стійкістю динаміки ротора. Відомі технічні рішення, у яких зазначені проблеми частково вирішені. Так, відомий вітрогенератор [А.С. СССР №1758280, МПК7 F 03 D 5/02, авторы В.М. Ляхтер и В.П. Моломин, Опубл. 30.08.92р., Бюл. №32], що містить вітроприймальні лопасті, розташовані по круговому ряду на кільцевій платформі з лінійним генератором, установленим на опорних стійках. Кільцева платформа підвішена з зазором стосовно електромагнітної системи генератора. Зазор контролюється блоком управління. До недоліків аналога можна віднести конструктивну складність системи підвісу, а також те, що сталість левітації забезпечується системою примусової корекції зазору між площинами рухомого блоку і відповідних площин статора, і що на цю операцію витрачається додаткова енергія. Найбільш близьким технічним рішенням, узятим за найближчий аналог, є безредукторний вітроагрегат [пат. РФ № 2037070, МПК7 F 03 D 5/04, 3/06, авторы Мольков В.Ф., Соколов Ю.Д. и др., Опубл. 09.06.95р., Бюл.№18] з вертикальною віссю обертання, що містить розташовані по колу опорні стійки з установленими на них статорними кільцевими площадками. Торуваті роторні блоки, виконані з феромагнітного матеріалу, постачені опорно-ходовими вузлами і вітроприймальними лопастями. На поперечних балках статорних сті (19) UA (11) 86457 (13) (21) a200705333 (22) 15.05.2007 (24) 27.04.2009 (46) 27.04.2009, Бюл.№ 8, 2009 р. (72) ДЗЕНЗЕРСЬКИЙ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, ТАРАСОВ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ЗЕЛЬДІНА ЕЛЛА АБРАМІВНА, UA, КОСТЮКОВ ІГОР ЮРІЙОВИЧ, UA, БУРЯК ОЛЕКСАНДР АФАНАСІЙОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ І ТЕХНОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ "ТРАНСМАГ", UA (56) RU 2037070, F03D 5/04, 3/06, 09.06.1995 SU 1758280, F03D 5/02, 30.08.1992 JP 11299202, F03D 9/00, H02K 7/18, 21/24, 29.10.1999 JP 2000287426, F03D 1/06, H02K 3/04, 21/24, 29.05.2000 SU 1381274, F03D 3/06, 15.03.1988 WO 2007/043894, F03D 11/00, H02K 15/02, 7/09, 21/00, 19.04.2007 C2 1 3 86457 4 йок укріплені електромагніти, розташовані над дний - на статорній площадці і розділених повітряроторами і звернені до них полюсними гранями. ним зазором та діамагнітною кільцевою пластиПри включенні електроживлення ротори притяганою. Підвішування ротора здійснене за допомогою ються до магнітів. При цьому «спливають» (левісупермагнітів, робота яких не вимагає додаткових тують) усі блоки. У такий спосіб зменшується тиск витрат енергії. А позиційна сталість диска ротора, опорно-ходових вузлів на поверхню кільцевої що неможлива в цій простій схемі, встановлюється площадки, що знижує втрати на тертя. Зазори, що в системі, що складається із двох магнітних груп, утворилися, (кліренси) підтримуються постійними розділених повітряним і діамагнітним шарами, у системою управління по сигналах від датчиків. якій діамагнітний шар або нижній ряд магнітів є До недоліків прототипу можна віднести те, що рухомими. В даній композиції використовано схему левітація ротора здійснюється за рахунок витрати магнітного підвішування тіл без застосування кевихідної потужності, а також те, що несталість поруючих магнітів. вітряних зазорів при левітації роторів коректується Для обґрунтування можливості підвісу описасистемою управління, що має досить велику скланого типу, промоделюєм його у спрощених елемедність, вимагає обслуговування, а також додатконтах. Візьмемо схему, у якій дві рамки з током пово споживає мережну електроенергію. в'язані у магнітному відношенні через діамагнітну В основу запропонованого технічного рішення пластину. поставлена задача мінімізації витрат енергії на До закріпленої рамки зі струмом її (розміром зменшення ваги (розвантаження) ротора і збіль2а´2b) притягається вільна рамка зі струмом І2 шення сталості його динаміки. таких же розмірів. Між рамками знаходиться елекПоставлена задача вирішується тим, що в затропровідна діамагнітна пластина , що рухається в пропонованому безредукторному вертикальноогоризонтальному напрямку зі швидкістю V. Відсьовому вітроагрегаті, який містить статор у виді стань між площинами закріпленої та вільної рамок естакади, що складається з опорних стійок і кільдорівнює h. цевих площадок та ротор, постачений опорноПрипустимо, що пластина необмежена по доходовим вузлами, і з'єднаний з вітроприводом, а вжині і ширині, плоска, має товщину Т, має провідтакож джерела магнітного поля та котушки індукність s і магнітну проникність m0. Рівняння дифузії тивності, відповідно до винаходу ротор з'єднаний магнітного поля в рухомій системі координат, зв'ятраверсами з віссю вітроколеса, а опорно-ходові заній з пластиною, яка рухається уздовж осі х зі вузли встановлені тільки на верхній його площині, швидкістю V , у стаціонарному випадку мають вигенератор постачений двома круговими різнопогляд. лярними рядами супермагнітів однакового діаметра, один із яких установлений на роторному диску, а відповідний - на статорній площадці, розділених повітряним зазором і діамагнітною кільцевою пластиною, причому статорні магніти укладені щільно, роторні встановлені з кроком, рівним подвоєному полюсному діленню статора, а котушки індуктив(1.1) ності встановлені в повітряному зазорі між полюс(1) ( 2) ( 3) ними гранями магнітів і укріплені на діамагнітній де DH , DH , DH - напруженість магнітного пластині. поля над пластиною, у пластині, і під пластиною Проаналізуємо усі відмінні ознаки пристрою, відповідно. що патентується. Для рішення системи рівнянь (1.1) використоУ кінематичній схемі на відміну від прототипу вується метод перетворення Фур'є по координатах всі магніти ротора зв'язані траверсами з центрах та у. льним валом, що одержує енергію обертання від вітроколеса. Це раціонально для вітроустановок середньої потужності, чутливість яких до вітру набагато вище, ніж у прототипу і навіть у легких ВЕУ редукторного типу. Діаметр ротора установки великої потужності має у довжину десятки метрів, ротора середньої потужності - метри, а ротора легкої ВЕУ - десятки сантиметрів. Ротор діаметром у 1,5-2,0 метра є конструкцією достатньо масивною і створює несприятливі умови для роботи підшипникових вузлів, що фіксують положення вала вітроколеса. Застосування опорно-ходових вузлів для зняття зайвих деформуючих траверси моментів сил збільшує внутрішні втрати енергії на тертя. Розвантаження ротора за допомогою магнітного підвісу є ефективним прийомом розв'язання наголошених проблем. Для магнітного підвішування ротора установка постачена двома круговими різнополярними рядами супермагштів однакового діаметра, один із яких установлений на роторному диску, а відпові 5 86457 6 прямі і усі протилежні полюсні робочі грані повинні Тут - магнітне поле, створюване токовою бути різнополярними. І тому виключається варіант рамкою над верхньою площиною пластини при укладання магнітів з полярністю, що чергується, на (1) роторі, оскільки тоді при обертанні фази левітації V=0; DH3 - магнітне поле, створюване токовою будуть перемежовуватися фазами осідання й рамкою під нижньою площиною пластини при V=0. ефект підвісу зникне. Якщо ж усі магніти роторного ланцюга будуть мати щільне укладання й однакоЗв'язок між коефіцієнтами a, b, c, d знаходиться ву орієнтацію полюсів, то пульсації потоку індукції з умови сполучення нормальних і тангенціальних на котушках статора стануть непрактично слабкискладових індукції і напруженості магнітного поля ми. Тому дана схема реалізована тільки при интена границях розділа середовищ: рвальному укладанню магнітів на роторі, із зазорами між сусідніми магнітами, кратними подвоєному полюсному діленню статора. Тоді система дасть і ефект підвісу й ефект генерації ЭДС, заснований на максимальній пульсації потоку. Магнітний зв'язок створює не тільки вертикальну силу підвісу, але і горизонтальну силу бічної сталості руху. Різкий градієнт поля по верхній (відКрім того, використовується умова соленоідності повідній) площині утримує магніти в діапазоні троіндукції магнітного поля і рівність нулю zхи розмитої (пропорційно жорсткості зв'язку), але компоненти струму. У загальному випадку рівність визначеної траєкторії. Подібний ефект важко оденулю jz має місце на границях провідної області ржати при використанні електромагнітів, топограпри z=0 і z=-T. Зважаючи на те, що товщина пласфія поля яких характеризується надто плавними тини Τ значно менше його інших лінійних розмірів, перепадами інтенсивності. Використання цього можна покласти jz=0 у всій провідній області. ефекту в даній конструкції дає можливість не приПри розрахунку електродинамічних сил магніймати конструктивних заходів для створення гротне поле вихрових струмів в області Τ не враховуміздкого нижнього вузла фіксації трансмісійного валося, розміри рамок і струми в них вважалися вала. Цей вузол може бути серйозно спрощений і однаковими. полегшений, оскільки ротор утримується на траєкВираження для підйомної сили FL при таких торії магнітними силами, що виникають при зсуві припущеннях має вид від загальної зі статором осі. Котушки статора встановлені в магнітному зазорі між протилежними полюсними гранями сильних магнітів, тому можуть давати максимальну ефективність перетворення енергії без концентраторів магнітного потоку. Густина потоку магнітної індукції в різнополюсному зазорі максимальна, Розрахунки сили FL виконувалися при таких причому в даній конфігурації елементів відбувазначеннях параметрів m0=1,257×10-6Гн/м; ється ще й електродинамічний стиск потоку. Малий кліренс несуттєво збільшує відстань s=s0=3,13×107 (Ом×м)-1; 2а=0,3м; 2b=1м; h1=0,1м. між магнітними групами ротора і статора, тому Залежність сили FL від лінійної швидкості V густина потоку індукції в районі розміщення котупри різних значеннях h така, що визначається вешок залишається досить високою, а амплітуда лика область стійкої рівноваги вільної рамки. При його пульсацій - максимальною. Саме тому нами визначених швидкостях руху рамка зі струмом І2 обрана схема підвішування з необхідним для стастійко зависає під пластиною. ртового розгону ротора верхнім розміщенням опоУ пристрої, що патентується, рух перенесено з рно-ходових вузлів. пластини на нижню магнітну групу. Ця установка Для генерування ЭДС індукції експлуатується принципово (по відношенню до одержуваного не ефект зміни напрямку магнітного потоку, а тільефекту) еквівалентна розрахованій, але в варіанті, ки пульсації його інтенсивності. Але велика довв якому з роторної магнітної системи може знімажина магнітного треку лінійного генератора знімає тися сила для використання в генераторі. Магнітне зв'язані з цим конструкційні труднощі. поле ротора, що рухається, генерує ЭДС індукції в Ефективність роботи генератора гарантована котушках. У кінематичній моделі пристрою ряди в даному пристрої максимально можливою концемагнітів притягаються один до одного, створюючи нтрацією магнітного потоку в зоні розміщення косилу, що компенсує силу ваги. Орієнтація на притушок індуктивності, оскільки вони розміщені в тягання створює найкращі умови для взаємодії зазорі між різнополярними гранями магнітів. постійних магнітів, при яких зменшується розсіюСхема вітроагрегата, що патентується, є провання магнітного потоку (максимальне при відштоміжним типом між потужними і легкими вертикальвхуванні) і зникає ефект взаємного розмагнічуванноосьовими ВЕУ. Він може бути віднесений до ня. Тому для забезпечення однієї і тієї ж сумарної середніх генераторів, у яких уже зроблено перехід сили в схемі підвішування буде потрібно менша від циліндричного обертового магнітного поля до маса магнітів, ніж у схемі обпирання. А формувандискокового, але ще немає розриву механічного ня області стійкої левітації забезпечує безконтактзв'язку між магнітами. Магніти ще закріплені за ну роботу ротора з мінімальним кліренсом. допомогою траверс на загальному трансмісійному У прийнятій схемі неможливе щільне укладанвалу, але ротор уже розгорнутий на кільцевій ня магнітів на роторі. Умови підвісу такі, що всі (1) DH0 7 86457 8 площині а магніти рознесені на великі відстані Ланцюги нерухомих статорних магнітів 13 і руодин від одного. хомих роторних магнітів збудження 6 розділені Слабкий механічний зв'язок ротора з опорою зазором, що складається з діамагнітного і повітряпри старті і повній магнітній левітації у робочому ного шарів. Полярність магнітів протилежна, тому режимі підвищує чутливість ВЕУ до повітряних ротор притягається до статора. Вихідна (стартова) потоків з малим кінетичним потенціалом. товщина повітряного зазору підбирається такою, За наявними в авторів відомостями наведені щоб сила притягання перевищувала вагу ротора. істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, У цьому випадку в момент строгування ротор не відомі в даному розділі техніки. спричиняє невеликий тиск на площадку і фрикційні Запропоноване технічне рішення може бути втрати малі. Обертаючий момент від вітроколеса 1 використане при проектуванні ВЕУ середньої попередається на ротор 5 і цьому протидіє, в основтужності для регіонів зі слабкими вітрами. ному, тільки момент інерції. Зростаюча кутова Рішення, що патентується, ілюструється схешвидкість змінює умови магнітної взаємодії ротора мою, представленою на Фіг.1. Вітроколесо 1 вітроі статора. У технічному рішенні, що патентується, агрегата закріплено на трансмісійному валу 2. Вал використовується розрахований ефект утворення зафіксований підшипниковими вузлами 3 та 4 і зони стійкої рівноваги підвішеного ротора, що фоз'єднаний через траверси з роторним диском 5 рмується на стадії розкручування. Сила статичномагнітоелектричного генератора, на якому укріпго притиснення ротора до кільцевої опори платлені постійні магніти 6 збудження. Диск 5 постачеформи підбирається з розрахунком покриття сили ний роликами 7 опорно-ходового вузла. Ролики ваги і з невеликим перевищенням для гарантії стаможуть рухатися по площині опорного кільця 8, тичної рівноваги. Тому старт установки проходить вмонтованого у виступи опор 9, що підтримують в умовах невеликого опору. При збільшенні швидстаторну площадку 10. На площадці 10 установкості обертання диск ротора відривається від ополений круговий ланцюг модулів 11. Модулі являри і виходить на режим вільної левітації. Сталість ють собою котушки індуктивності, з'єднані в електйого в цьому режимі забезпечується наявністю ричний контур, що має вихід у мережу області, де відхилення в будь-яку сторону від вернавантаження через систему комутації (не показатикалі супроводжується появою коригувальної на). Між модулями 11 і площадкою 10 прокладена сили, що повертає його на рівноважний рівень. кільцева пластина 12, виконана з діамагнітного Цей ефект сприяє створенню режиму повної елекматеріалу. Під кожним модулем 11 у тіло площадтромагнітної левітації ротора, з автокорекцією. ки 10 умонтовані бруски супермагнітів 13. Істотною перевагою описаного ВЕУ є те, що зазор Всі елементи генератора позиційно залежні, а не вимагає примусової корекції, тобто установка їхні габаритні співвідношення принципово важливі не має потреби в системі управління рухомим вузі повинні бути нормовані при конструюванні вітролом. агрегата. Нормирування здійснюється стосовно У фазі гальмування сили притягання з боку габаритів модулів 11. Ширина кільцевої пластини статорної магнітної системи порушують рівновагу 12 більше діаметра модулів 11. Діаметр роторних ротора на користь притягання і поступово притисмагнітів 6 більше діаметра модулів 11 і порівнянна кають ролики до опори. із шириною пластини 12. Ланцюг магнітів 13 має Розроблений вітроагрегат дає максимальну щільну площину полюсних граней, а ланцюг магніефективність у середньогабаритному виконанні, у тів 6 - дискретну (магніти збудження встановлені з якому вдало сполучається порівняно велика номікроком, що відповідає полюсному діленню генеранальна потужність, відносна тихохідність і здаттора). ність працювати без примусового розкручування Вітроагрегат працює в такий спосіб. при слабкому вітрі. 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 86457 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