ТРЕХФАЗНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к низкооборотным трехфазным электрическим генераторам, и может быть использована, в частности, в ветроэнергетических установках.
Известен низкооборотный трехфазный магнитоэлектрический генератор, содержащий статор с кольцеобразным магнитопроводом с радиально расположенными зубцами с обмотками и укрепленный на валу дисковый ротор с постоянными магнитами с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, причем каждому зубцу соответствует равный ему по площади магнит (Расчет параметров низкооборотного 196-полюсного электрогенератора с ротором диаметром 1 метр на постоянных магнитах, «Лаборатория независимых исследований (сайт И.А. Мухина)», 03.09.2007 (http://imlab.narod.ru/Energy/Gen_196/Gen_196.htm) (копия прилагается)).
При совпадении постоянных магнитов с зубцами магнитопровода статора (рис. 5.1) за счет сил притяжения возникает большой момент сопротивления вращению ротора с валом («залипание ротора»). Для преодоления «залипания ротора» нужно значительно увеличить пусковой момент на валу генератора.
Известен трехфазный синхронный двигатель, содержащий статор с числом пазов Z=3K (где К=1, 2, 3, …), в которых расположены катушки его обмотки, охватывающие один зубец статора, и активный ротор с полюсами чередующейся полярности, число которых 2р=2К (где р = число пар полюсов); ротор выполнен с длиной полюсной дуги, соответствующей центральному углу α=120°/К, а в фазе обмотки статора включены согласно последовательно или параллельно К обмоток, смещенных друг относительно друга на три паза; соотношение числа магнитов к количеству обмоток равно 2:3 (BY 9044 С1, опубл. 30.04.2007).
Эффект залипания несколько сглаживается благодаря неравенству числа обмоток числу магнитов. Однако существенно уменьшается коэффициент полезного действия (КПД) генератора, т.к. не все обмотки одновременно участвуют в индуцировании электродвижущей силы (ЭДС).
Известен низкоскоростной трехфазный генератор, включающий три независимых модуля, каждый из которых содержит закрепленный на валу ротор, на внешней поверхности которого эквидистантно установлены постоянные магниты чередующейся полярности, и статор, выполненный в виде кольцеобразного магнитопровода с радиально расположенными зубцами с обмотками, причем статоры повернуты относительно друг друга на треть периода синусоидального тока, 120°, (CN № 2745268 Y, опубл. 07.12.2005).
Данный генератор принят в качестве прототипа настоящей полезной модели.
Генератор содержит одинаковое число магнитов и зубцов с обмотками, что вызывает эффект «залипания ротора». Благодаря тому, что статоры повернуты относительно друг друга на треть периода синусоидального тока, суммарный эффект «залипания» снижается. Недостатком прототипа является наличие остаточного эффекта «залипания ротора», обусловленного отсутствием снижения магнитного взаимодействия ферромагнитного материала зубца и магнитов.
Задачей настоящей полезной модели является устранение эффекта «залипания ротора» при сохранении высокого КПД генератора,
Поставленная задача решается за счет того, что в трехфазном магнитоэлектрическом генераторе, включающем три независимых модуля, каждый из которых содержит закрепленный на валу ротор, на внешней поверхности которого эквидистантно установлены постоянные магниты чередующейся полярности, и статор, выполненный в виде кольцеобразного магнитопровода с радиально расположенными зубцами с обмотками, причем статоры повернуты относительно друг друга на треть периода синусоидального тока, согласно полезной модели расстояние между зубцами статора в два раза превышает ширину зубца, а длина постоянного магнита ротора по окружности равна расстоянию между зубцами статора.
Кольцеобразный магнитопровод может быть выполнен шихтованным из тонких кольцеообразных пластин или из композиционного ферромагнитного материала.
Благодаря реализации ограничительных и отличительных признаков полезной модели достигается новый технический результат:
резкое снижение эффекта «залипания ротора»: благодаря выполнению расстояния между зубцами статора в два раза превышающим ширину зубца, а длины постоянного магнита ротора по окружности, равной расстоянию между зубцами статора, обеспечивается одинаковая сила магнитного притяжения между магнитами и ферромагнитным материалом зубцов статора, т.к. при любом угле поворота ротора относительно статора в зоне притяжения магнитов находится суммарная площадь от всех зубцов, равная площади двух зубцов, что обеспечивает устранение эффекта «залипания ротора»;
сохранение высокого КПД генератора: благодаря равенству числа магнитов и обмоток, все обмотки участвуют в индуцировании ЭДС, что обеспечивает высокий КПД генератора;
дополнительное повышение КПД генератора: благодаря выполнению кольцеобразного магнитопровода шихтованным из тонких кольцеобразных пластин из электротехнической стали или из композиционного ферромагнитного материала, например порошков железа (http://pandia.ru/text/78/187/10536.php), обеспечивается снижение потерь на нагрев за счет устранения влияния токов Фуко, что дополнительно увеличивает КПД генератора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображено
на фиг. 1 - общий вид генератора в сборе с частичным вырывом;
на фиг. 2 - сборочные единицы генератора по фиг. 1;
на фиг. 3 - вид сбоку на структуру отдельного модуля;
на фиг. 4 - схема, показывающая относительное расположение зубцов статора и магнитов при вращении ротора.
Трехфазный магнитоэлектрический генератор включает три независимых модуля 1, 2, 3 (фиг. 1). Каждый модуль содержит закрепленный на валу ротор 4 (фиг. 2), на внешней поверхности которого эквидистантно установлены постоянные магниты 5 чередующейся полярности. Каждому ротору 4 соответствует свой статор 6. Каждый статор 6 выполнен в виде кольцеобразного магнитопровода 7 с радиально расположенными зубцами 8 с обмотками 9, причем статоры 6 повернуты относительно друг друга на треть периода синусоидального тока, т.е. на 120° (фиг. 1). Расстояние «b» между зубцами 8 статора 6 в два раза превышает ширину «a» зубца 8 (фиг. 3). Длина «c» постоянного магнита 5 ротора 4 по окружности равна расстоянию «b» между зубцами 8 статора 6. Расстояние «d» между постоянными магнитами 5 равно ширине «a» зубца 8:
b=2a, a=d, b=c.
Кольцеобразный магнитопровод 7 может быть выполнен шихтованным из тонких ферромагнитных кольцеообразных пластин или из композиционного ферромагнитного материала, изготовленного методом порошковой металлургии, например, порошков железа (http://pandia.ru/text/78/187/10536.php).
Трехфазный магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. При вращении ротора 4 магниты 5, проходя над зубцами 8, вызывают изменение магнитного поля в зубцах 8, что, в свою очередь, согласно закону электромагнитной индукции, наводит в обмотках 9, расположенных на зубцах 8, ЭДС, пропорциональную скорости изменения магнитного потока. Поскольку магниты 5 ротора 4 имеют чередующуюся полярность, то по мере вращения ротора 4 в каждом зубце 8 направление магнитного поля также изменяется на противоположное, а, следовательно, и полярность ЭДС в обмотке 9 также изменяется на противоположную, формируя участок синусоиды противоположной полярности. Так как статоры 6 всех трех модулей 1, 2, 3 повернуты относительно оси вращения ротора 4 на 120 электрических градусов полного периода синусоиды, то на каждом из статоров 6 формируется одна из трех фаз, необходимых для трехфазного включения. Обмотки 9 всех трех фаз независимы и могут быть включены «звездой» или «треугольником» в зависимости от потребности.
Так как при любом угле поворота ротора 4 в зоне магнита 5 находятся по площади два зубца 8 (фиг. 4 (а, б, в), «паразитная» сила притяжения зубцов 8 к магнитам 5 постоянна, следовательно «залипание ротора» отсутствует. Вследствие того, что число зубцов 8 и магнитов 5 в каждом модуле 1, 2, 3 статора 6 одинаково, обеспечивается полностью синхронная генерация ЭДС, а значит и максимальный КПД.
Генератор может также работать в режиме электрического двигателя.
Для изготовления трехфазного магнитоэлектрического генератора использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данная полезная модель соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».