МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
MAGNETOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники, а именно к низкооборотным электрическим генераторам, и может быть использовано, в частности, в ветроэнергетических установках.
Известен низкооборотный магнитоэлектрический генератор, содержащий ряд обмоток статора на ферромагнитных сердечниках и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, в частности, синхронная машина с постоянной намагниченностью для синусоидального напряжения, где обмотки выполнены сосредоточенными, а не распределены в пазах; сердечники с обмотками чередуются с ферромагнитными сердечниками без обмоток [см. пат. Российской Федерации №2234788 по классам Н02К 21/24, Н02К 21/12 опубликованный 20.08.2004 года в Бюл. №23].
Недостатками этого магнитоэлектрического генератора являются низкие коэффициент полезного действия (к.п.д.) и удельная мощность, поскольку обмотки в каждом ряду находятся на значительном расстоянии друг от друга, и в момент прохождения магнитов в промежутках между обмотками ЭДС не индуцируется.
Известен также магнитоэлектрический генератор, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины в виде дисков, между которыми размещены обмотки статора, сердечники которых одним концом сопряжены с плоскими кольцевыми магнитопроводами [см. пат. Российской Федерации №2168062 по классу F03D 9/00 опубликованный 27.05.2001 г. в Бюл. №15].
Данное техническое решение имеет те же недостатки, что и описанный выше аналог: низкие коэффициент полезного действия и удельную мощность по той же причине. Кроме того, при прохождении постоянных магнитов ротора над сердечниками обмоток статора имеет место, даже на холостом ходу, их взаимное притяжение (так называемый эффект «залипания» ротора), что затрудняет пуск генератора и создает интенсивный шум при работе.
Некоторое повышение к.п.д. генератора и устранение «залипания» обеспечивает магнитоэлектрический генератор, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные диэлектрические пластины, между которыми размещены в два ряда многослойные кольцевые обмотки, выполненные в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, а участки кольцевых обмоток в основании трапеции выгнуты по дуге, при этом эти участки обращены в противоположные стороны; ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных к друг другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, полярность постоянных магнитов каждого ряда чередуется, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, причем кольцевые обмотки попарно вставлены друг в друга [см. пат. Российской Федерации №2427067 по классам Н02К 21/24, Н02К 3/24, Н02К 16/02 опубликованный 20.08.2011 года в Бюл. №23].
Данное устройство является наиболее близким к заявляемому, поэтому принимается за прототип настоящего изобретения.
Недостатком прототипа является то, что его каждая обмотка, имея выгнутые не омагниченные участки суммарной длинной больше боковых участков омагничивания, создает потери электроэнергии, соизмеримые с неизбежными потерями на индуцирование ЭДС. Это, в конечном итоге, приводит к существенному снижению электрического к.п.д. генератора. Кроме того, как известно, из Закона Ома для магнитной цепи, магнитный поток в этой цепи обратно пропорционален величине зазора в ней. У прототипа этот зазор образован за счет толщины многослойной обмотки статора (см. фиг. 5 в прототипе) плюс две толщины параллельных диэлектрических пластин плюс две величины технологического зазора между статором и ротором (см. фиг. 1 в прототипе).
Поэтому для компенсации потерь магнитного потока за счет большого зазора в магнитной цепи у прототипа приходится использовать более мощные (сильные) постоянные магниты, что неизбежно приводит к увеличению их размеров, а, следовательно, к увеличению массы и габаритов самого генератора.
Задачей настоящего изобретения является повышение к.п.д. и удельной мощности генератора при сохранении максимально низкого пускового момента.
Согласно изобретению, в магнитоэлектрическом генераторе, ротор которого выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков на каждом из которых на обращенных к друг другу поверхностях аксиально размещены кольцевые ряды постоянных магнитов, полярность которых в ряду чередуется, при этом полюса магнитов одного ряда обращены к одноименным полюсам магнитов другого ряда, а статор имеет обмотки выполненные однослойно и эквидистантно на кольцевом магнитопроводе с шагом, равным половине шага постоянных магнитов, при этом направление намотки обмоток попарно меняется на противоположное и выполняется «до заполнения» длиной, равной минимальной ширине магнитов.
Заявителем не выявлено подобных технических решений в патентных, научно-технических и других источниках информации, предложенное техническое решения является новым для данной области техники.
Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется совместно с иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг. 1 - предложенный магнитоэлектрический генератор, вид сбоку; фиг. 2 - разрез по А-А магнитоэлектрического генератора, изображенного на фиг. 1.
Ротор предложенного магнитоэлектрического генератора выполнен из двух параллельных дисков 1 и 2, закрепленных на валу 3. Диски 1 и 2 изготовлены из электротехнической стали. На обращенных друг к другу поверхностях дисков 1 и 2 аксиально размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов 4 и 5 соответственно. В каждом кольцевом ряду магниты 4 и 5 расположены аксиально и таким образом, что их полярность в каждом ряду чередуется. При этом полюса постоянных магнитов (4) одного ряда обращены к одноименным полюсам постоянных магнитов (5) другого ряда, как это показано на фиг. 1.
Статор предложенного магнитоэлектрического генератора расположен с технологическими зазорами между рядами постоянных магнитов 4 и 5 и представляет собой кольцевой магнитопровод 6 с однослойными обмотками 7. При этом обмотки 7 расположены на магнитопроводе 6 эквидистантно с шагом, равным половине шага постоянных магнитов 4 и 5 и намотаны «до заполнения» длиной, равной минимальной ширине магнитов 4 и 5, причем направление намотки обмоток 7 попарно меняется на противоположное (правая намотка «П» через две обмотки 7, на две обмотки 7 с левой намоткой «Л» и т.д.). Принципиальная схема электрического соединения обмоток 7 приведена на фиг. 2.
Предложенный магнитоэлектрический генератор работает следующим образом.
При вращении ротора через вал 3 магнитосиловые линии постоянных магнитов 4 и 5 с помощью магнитопровода 6 пересекают витки обмоток 7 и индицируют в них ЭДС.
Благодаря тому, что полюса рядов постоянных магнитов 4 и 5 обращены одноименными полюсами друг к другу, в каждой обмотке 7, согласно «Правилу правой руки», индуцируется однонаправленная ЭДС.
Принципиально, как и прототип, заявленный генератор представляет собой синхронную машину двухфазного переменного тока без «залипания», но с почти удвоенным электрическим к.п.д. и минимум в несколько раз большей удельной мощностью.
Повышение к.п.д. заявленного устройства, в сравнении с прототипом, объясняется практическим отсутствием в нем провода не участвующего в индуцировании ЭДС, тогда как в прототипе, за счет наружной части обмоток, выгнутых по дуге, омические потери электроэнергии почти в два раза выше.
Значительное повышение удельной мощности заявленного устройства (Вт/кг) объясняется более эффективным использованием магнитного потока постоянных магнитов ротора, так как немагнитный зазор в их магнитных цепях, за счет однослойной намотки обмоток и отсутствия в конструкции статора двух диэлектрических прокладок, в несколько раз меньше, чем у прототипа.