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 кольцеобразный ряд обмоток статора на железных сердечниках из листов или прессованного порошка железа и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, в частности синхронная машина с постоянной намагниченностью для синусоидального напряжения, обмотки выполнены сосредоточенными, а не распределены в пазах, сердечники с обмотками чередуются с железными сердечниками без обмоток, так что на каждом втором железном сердечнике имеется обмотка, число промежутков между сердечниками отличается от числа полюсов, при этом число промежутков между сердечниками s и число полюсов p следует выражениям |s-p|=2·m и s=12·n·m, где n и m - натуральные числа, причем машина рассчитана на трехфазное напряжение с последовательным соединением соседних катушек для получения ·m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно, RU 2234788 С2.
Недостатком этого генератора является низкий коэффициент полезного действия (кпд), поскольку обмотки в кольцеобразном ряду находятся на значительном расстоянии друг от друга и в момент нахождения магнитов в промежутке между обмотками ЭДС в них не индуцируется.
Известен также магнитоэлектрический генератор, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины в виде соединенных друг с другом дисков, между которыми размещены обмотки; статор имеет магнитопроводы в виде плоских колец, RU 2168062.
Данное техническое решение имеет тот же недостаток, что и описанный выше аналог (RU 2234788 C2): низкий коэффициент полезного действия по той же причине. Кроме того, при прохождении постоянных магнитов ротора над сердечниками обмоток статора имеет место взаимное притяжение постоянных магнитов ротора и сердечников обмоток статора (так называемый эффект «залипания» ротора), что затрудняет пуск генератора и создает интенсивный шум при его работе.
Некоторое повышение кпд генератора, уменьшение пускового момента и уровня шума в процессе работы обеспечивается в магнитоэлектрическом генераторе, ротор которого снабжен постоянными магнитами, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми размещены кольцевые обмотки, ротор выполнен из двух закрепленных на валу параллельных дисков, на каждом из которых на обращенных друг к другу поверхностях размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов, расположенных в каждом ряду эквидистантно, полярность постоянных магнитов каждого ряда чередуется, при этом полюса постоянных магнитов одного ряда обращены к противоположным полюсам постоянных магнитов другого ряда, а кольцевые обмотки статора выполнены в форме равнобедренных трапеций, боковые стороны которых расположены радиально относительно оси вращения ротора, а участки кольцевых обмоток в основаниях трапеций выгнуты по дуге, кольцевые обмотки попарно вставлены друг в друга, при этом расстояние l между участками кольцевых обмоток в основаниях трапеций превышает ширину b кольцеобразного ряда постоянных магнитов, RU 94083 U1.
В этом устройстве магнитопровод включает диски ротора и постоянные магниты ротора. Однако постоянные магниты одного диска расположены на значительном расстоянии от постоянных магнитов другого диска, определяемом размерами обмоток статора. Воздушный промежуток между рядами постоянных магнитов представляет собой значительное магнитное сопротивление, существенно уменьшающее напряженность магнитного поля в контуре, что снижает индуцируемую в обмотках статора ЭДС и, соответственно, кпд генератора.
Известен магнитоэлектрический генератор, ротор которого содержит закрепленный на валу диск, на котором размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью, расположенных эквидистантно относительно друг друга, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми размещены обмотки, обмотки статора размещены на U-образных сердечниках из электротехнической стали, которые укреплены на пластинах статора, RU 109349 U1.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
Недостатком прототипа является следующее. Для обеспечения максимальной мощности магнитоэлектрического генератора зазор между сердечниками обмоток статора и поверхностями постоянных магнитов ротора должен быть минимальным и равномерным. Однако поскольку сердечники обмоток статора не представляют собой единой конструкции, а являются отдельными по отношению друг к другу элементами, каждый из которых независимо от других прикрепляется к соответствующей пластине статора, обеспечение указанного выше минимального и равномерного зазора практически невозможно; торцы U-образных элементов должны лежать в одной плоскости, при этом данная плоскость должна быть параллельна соответствующей поверхности кольцеобразного ряда постоянных магнитов. Однако при наличии отдельных сердечников обмоток статора их монтаж и юстировка положения в условиях сильного взаимодействия с постоянными магнитами, а также с учетом вибраций вала и жестко связанного с ним статора не позволяют выполнить эти требования. В конечном счете в том числе и для предотвращения соприкосновения элементов статора и ротора зазор между сердечниками обмоток статора и постоянными магнитами ротора приходится увеличивать. Это ведет к потере мощности, а ввиду неравномерности зазора - к флуктуациям выходного напряжения генератора.
Задачей настоящего изобретения является повышение мощности генератора и уменьшение флуктуации выходного напряжения за счет обеспечения минимального и постоянного по величине зазора между элементами статора и ротора.
Согласно изобретению в магнитоэлектрическом генераторе, ротор которого содержит закрепленный на валу диск, на котором размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью, расположенных эквидистантно относительно друг друга, а статор содержит две параллельные пластины, между которыми на сердечниках из электротехнической стали, укрепленных на пластинах статора, размещены обмотки статора, сердечники выполнены в виде двух колец, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены выступы, ширина В выступа составляет половину ширины С постоянного магнита, при этом выступы одного из сердечников смещены по окружности относительно выступов другого сердечника на половину ширины С постоянного магнита.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «Новизна».
Поскольку сердечники обмоток статора представляют собой единые элементы, каждый из которых представляет собой кольцо, на обращенных друг к другу поверхностях которого выполнены выступы, поверхности этих выступов могут быть обработаны за одну установку сердечника и обрабатывающего инструмента. Это обеспечивает расположение поверхностей выступов строго в одной плоскости, что позволит обеспечить минимальный и равномерный зазор между сердечниками обмоток статора и поверхностями постоянных магнитов ротора генератора. Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, состоящего в повышении мощности и уменьшении флуктуации выходного напряжения генератора.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «Изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - вид спереди;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1;
на фиг.4 - фрагмент сердечника обмоток статора в аксонометрии.
Магнитоэлектрический генератор включает ротор, содержащий закрепленный на валу 1 диск 2, выполненный из дюралюминия. На диске 2 размещен кольцеобразный ряд постоянных магнитов 3 прямоугольной формы с чередующейся полярностью (фиг.1). Магниты 3 расположены эквидистантно относительно друг друга. Статор генератора содержит две параллельные пластины 4, 5, выполненные из немагнитного материала, в частности алюминиевого сплава. Пластины 4, 5 сопряжены с валом 1 посредством подшипников 6, 7. На пластинах 4, 5 статора укреплены сердечники из электротехнической стали, выполненные в виде двух колец 8, 9, на обращенных друг к другу поверхностях которых выполнены, например, путем фрезерования, выступы 10, 11, соответственно. Ширина В каждого выступа составляет половину ширины С постоянного магнита 3. Выступы 10 на кольце 8 смещены относительно выступов 11 на кольце 9 на половину ширины постоянного магнита 3 (C/2). Промежутки между постоянными магнитами 3 заполнены эпоксидным компаундом 12. По периферии постоянные магниты 3 стянуты бандажной лентой 13. На сердечниках из электротехнической стали размещены обмотки 14 статора. В приведенном на чертежах примере обмотки 14 размещены на выступах 10, 11 сердечников, возможно также размещение обмоток 14 на сердечниках между выступами 10, 11, однако последнее несколько сложнее в технологическом отношении.
Устройство работает следующим образом.
При вращении вала 1 с диском 2 к поверхностям выступов 10, 11, чередуясь, подходят полюса постоянных магнитов 3 противоположной полярности, вследствие чего происходит изменение магнитного потока в сердечниках из электротехнической стали. В результате в обмотках 14, размещенных на выступах 10, 11 сердечников или между выступами, индуцируется ЭДС. Так как сердечники представляют собой единые элементы - кольца с выступами, и поверхности выступов обработаны за одну установку сердечника и обрабатывающего инструмента, поверхности выступов каждого сердечника находятся строго в одной плоскости. Вследствие этого обеспечивается минимальный и равномерный зазор между сердечниками обмоток статора и поверхностями постоянных магнитов 3. Поскольку ширина В выступа составляет половину ширины С постоянного магнита ротора и выступы одного из сердечников смещены по окружности относительно выступов другого сердечника на половину ширины постоянного магнита, исключается эффект «залипания ротора», который затрудняет пуск генератора и является причиной шума при его работе. Это объясняется тем, что магнитное поле сердечников, укрепленных на пластине 4 статора, уравновешивает магнитное поле сердечников, находящихся на пластине 5 статора. В результате при любом положении ротора суммарная составляющая действующих на него сил практически равна нулю.
Для изготовления устройства использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».