Трехвходовая аксиально-радиальная электрическая машина-генератор
THREE-INPUT AXIAL-RADIAL ELECTRIC GENERATOR MACHINE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя кинетической энергии ветра, преобразованной ветроколесом в механическую энергию вращения, подаваемой на механический вход машины, световой энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователем в электроэнергию постоянного тока, одновременно подаваемой на ее световой вход, и тепловой энергии любого источника, одновременно подаваемой на ее тепловой вход, в суммарную электрическую энергию переменного тока.
Известен стабилизированный аксиально-радиальный генератор постоянного тока (патент РФ №2649913, авторы Кашин Я.М., Кашин А.Я., Князев А.С.), содержащий корпус, внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, вал, закрепленный в подшипниковых узлах, возбудитель, основной генератор и регулятор напряжения, при этом возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе индуктора и многофазной обмотки якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, основной генератор состоит из однофазной обмотки возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, подключенная к выходному многофазному двухполупериодному выпрямителю, причем внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями жестко связан с валом посредством диска, при этом однофазная обмотка возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, многофазная обмотка якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны индуктора возбудителя, а регулятор напряжения содержит измеритель отклонений напряжения, предварительный усилитель, блок усиления мощности и силовую часть, при этом измеритель отклонений напряжения включен на выходное напряжение генератора. Индуктор возбудителя содержит постоянный аксиальный многополюсный магнит, вал выполнен полым, а в корпусе установлена неподвижная ось, расположенная соосно с полым валом, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси, при этом неподвижная ось закреплена в подшипниковых узлах, установленных в полом валу, и жестко связана с корпусом одним концом, расположенным со стороны корпуса, на которой закреплен боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, а измеритель отклонений напряжения, предварительный усилитель, блок усиления мощности и силовая часть образуют электронный блок регулятора напряжения, при этом регулятор напряжения дополнительно содержит электромеханический узел, состоящий из радиального магнитопровода индуктора регулятора напряжения, жестко закрепленного на неподвижной оси, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения регулятора напряжения, подключенная к силовой части электронного блока, радиального магнитопровода якоря регулятора напряжения, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря регулятора напряжения, и управляющей однофазной обмотки регулятора напряжения, подключенной через многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмоткой якоря регулятора напряжения и уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, при этом радиальный магнитопровод якоря регулятора напряжения установлен на внутренней поверхности полого вала таким образом, что создаваемый однофазной обмоткой возбуждения регулятора напряжения магнитный поток направлен вдоль радиуса радиального магнитопровода якоря регулятора напряжения с многофазной обмоткой якоря регулятора напряжения.
Однако, известная из пат. РФ №2649913 электрическая машина не может суммировать энергию разного вида (механическую и световую), поступающую от двух различных источников с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию, так как имеет только один вход: механический вход - вал ротора. Это ограничивает область его применения, так как не позволяет получать дополнительную электроэнергию в районах, где интенсивность светового излучения высока.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятым авторами за прототип является двухвходовая ветро-солнечная аксиально-радиальная электрическая машина-генератор (патент РФ №2688211, авторы Кашин Я.М., Князев А.С.), содержащая корпус, неподвижную ось, полый вал, закрепленный в корпусе в подшипниковых узлах, внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, возбудитель, состоящий из жестко закрепленного в корпусе постоянного аксиального многополюсного магнита и многофазной обмотки якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, и основной генератор, состоящий из основной однофазной обмотки возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через первый многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, причем внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями жестко связан с полым валом посредством диска, основная однофазная обмотка возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, многофазная обмотка якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны индуктора возбудителя, а неподвижная ось расположена соосно с полым валом, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси, закреплена в подшипниковых узлах, установленных в полом валу, и жестко связана с корпусом одним концом, расположенным со стороны корпуса, на которой закреплен боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора. В верхней части корпуса электрической машины установлен фотоэлектрический преобразователь, а в корпусе дополнительно установлен подвозбудитель, состоящий из радиального магнитопровода индуктора подвозбудителя, жестко закрепленного на неподвижной оси, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения подвозбудителя, подключенная к фотоэлектрическому преобразователю, радиального магнитопровода якоря подвозбудителя, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, и дополнительной однофазной обмотки возбуждения основного генератора, подключенной через второй многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря подвозбудителя и уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, при этом радиальный магнитопровод якоря подвозбудителя установлен на внутренней поверхности полого вала таким образом, что создаваемый однофазной обмоткой возбуждения подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса радиального магнитопровода якоря подвозбудителя с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя.
Однако, известная из пат. РФ №2688211 электрическая машина не может суммировать энергию (механическую, световую и тепловую), поступающую от трех различных источников с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию, так как имеет только один источник прямого преобразования энергии - фотоэлектрический преобразователь, и только два входа: механический вход - вал ротора, и световой вход - фотоэлектрический преобразователь, выход которого подключен к однофазной обмотке возбуждения подвозбудителя. Это ограничивает область ее применения: не позволяет получать дополнительную электроэнергию в районах, где интенсивность теплового излучения высока, а также не позволяет утилизировать тепловые потери машин и агрегатов, при работе которых неизбежно выделяется тепло.
Задачей изобретения является усовершенствование аксиально-радиальной электрической машины-генератора позволяющее расширить область ее применения.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение возможности прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с последующим суммированием механической энергии (например, кинетической энергии ветра, преобразованной ветроколесом в механическую энергию вращения), световой энергии (например, энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) и тепловой энергии (например, тепловой энергии Солнца или другого источника, преобразованной тепловым преобразователем в электрическую энергию постоянного тока) с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию переменного тока.
Технический результат достигается тем, что в трехвходовой аксиально-радиальной электрической машине-генераторе, содержащей корпус, фотоэлектрический преобразователь, установленный в верхней части корпуса, неподвижную ось, полый вал, закрепленный в корпусе в подшипниковых узлах, внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, возбудитель, основной генератор и подвозбудитель, при этом возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе постоянного аксиального многополюсного магнита индуктора возбудителя и многофазной обмотки якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, основной генератор состоит из основной однофазной обмотки возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через первый многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, причем внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями жестко связан с полым валом посредством диска, основная однофазная обмотка возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, многофазная обмотка якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны индуктора возбудителя, а неподвижная ось расположена соосно с полым валом, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси, закреплена в подшипниковых узлах, установленных в полом валу, и жестко связана с корпусом одним концом, расположенным со стороны корпуса, на которой закреплен боковой аксиальный магнитопровод с многофазной обмоткой якоря основного генератора, а подвозбудитель состоит из радиального магнитопровода индуктора подвозбудителя, жестко закрепленного на неподвижной оси, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения подвозбудителя, подключенная к фотоэлектрическому преобразователю, радиального магнитопровода якоря подвозбудителя, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, и дополнительной однофазной обмотки возбуждения основного генератора, подключенной через второй многофазный двухполупериодный выпрямитель к многофазной обмотке якоря подвозбудителя и уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода с многофазной обмоткой якоря основного генератора, при этом радиальный магнитопровод якоря подвозбудителя установлен на внутренней поверхности полого вала таким образом, что создаваемый однофазной обмоткой возбуждения подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса радиального магнитопровода якоря подвозбудителя с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя, при этом в нижней части корпуса устанавливают тепловой преобразователь, а постоянный аксиальный многополюсный магнит индуктора возбудителя выполняют с пазами, многосекционным, при этом в пазы между секциями постоянного аксиального многополюсного магнита индуктора возбудителя укладывают дополнительную однофазную обмотку возбуждения возбудителя, которую подключают к выходу теплового преобразователя.
Предлагаемое изобретение, выполняя функцию суммирования механической энергии (например, энергии ветра) и световой энергии (например, энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическим преобразователем в электрическую энергию постоянного тока), как и прототип, в тоже время в отличие от него позволяет расширить область его применения за счет дополнительного преобразования тепловой энергии (например, тепловой энергии Солнца или другого источника тепловой энергии) и суммирования ее с механической и световой энергией, с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию переменного тока при одновременном сохранении высоких энергетических и массогабаритных показателей электрической машины-генератора в целом.
Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую энергию достигается за счет того, что в нижней части корпуса устанавливают тепловой преобразователь, который непосредственно преобразует тепловую энергию в электрическую энергию постоянного тока.
Суммирование тепловой энергии (например, тепловой энергии Солнца или другого источника, преобразованной тепловым преобразователем в электрическую энергию постоянного тока) с механической энергией (например, кинетической энергии ветра, преобразованной ветроколесом в механическую энергию вращения) и световой энергией (например, энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) достигается за счет выполнения постоянного аксиального многополюсного магнита индуктора возбудителя с пазами, многосекционным, укладки в пазы между секциями постоянного аксиального многополюсного магнита индуктора возбудителя дополнительной обмотки возбуждения возбудителя и подключения ее к выходу теплового преобразователя.
Напряжение постоянного тока, полученное путем преобразования тепловой энергии с выхода теплового преобразователя подается на дополнительную однофазную обмотку возбуждения возбудителя, подключенную к выходу теплового преобразователя. Под действием этого напряжения в дополнительной однофазной обмотке возбуждения возбудителя протекает электрический ток, который создает магнитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, создаваемым постоянным многополюсным магнитом индуктора возбудителя. По принципу суперпозиции магнитных полей магнитные потоки, создаваемые дополнительной однофазной обмоткой возбуждения возбудителя и постоянным аксиальным многополюсным многосекционным магнитом индуктора возбудителя, суммируются. Суммарный магнитный поток пересекает обмотку якоря возбудителя, наводит в ней многофазную ЭДС, которая выпрямляется первым многофазным двухполупериодным выпрямителем и подается на основную однофазную обмотку возбуждения основного генератора. При этом в основной однофазной обмотке возбуждения основного генератора протекает электрический ток и создается магнитный поток.
Магнитный поток в дополнительной обмотке возбуждения основного генератора создается также, как и в прототипе. По принципу суперпозиции магнитных полей магнитные потоки, созданные токами, протекающими по основной и дополнительной однофазным обмоткам возбуждения основного генератора, суммируется. Этот суммарный магнитный поток пересекает витки многофазной обмотки якоря основного генератора и наводит в ней многофазную ЭДС, которая подается в сеть.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой трехвходовой аксиально-радиальной электрической машины-генератора в разрезе, на фиг. 2 - ее электрическая схема.
Трехвходовая аксиально-радиальная электрическая машина-генератор содержит: корпус 1, фотоэлектрический преобразователь 14, установленный в верхней части корпуса 1, неподвижную ось 19, полый вал 20, закрепленный в корпусе в подшипниковых узлах 12 и 17, внутренний аксиальный магнитопровод 3 с двумя активными торцовыми поверхностями, основной генератор, возбудитель и подвозбудитель.
Возбудитель состоит из жестко закрепленного в корпусе 1 постоянного аксиального многополюсного многосекционного магнита 2, являющегося индуктором, и многофазной обмотки 4 якоря возбудителя, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями.
В пазы постоянного аксиального многополюсного многосекционного магнита 2 между секциями уложена дополнительная обмотка 24 возбуждения возбудителя.
Основной генератор состоит из основной однофазной обмотки 5 возбуждения основного генератора, уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями и подключенной через первый многофазный (на фиг. 2 - девятифазный) двухполупериодный выпрямитель 13 к многофазной (на фиг. 2 - девятифазной) обмотке 4 якоря возбудителя, и жестко закрепленного в корпусе 1 бокового аксиального магнитопровода 16 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка 15 якоря основного генератора.
Внутренний аксиальный магнитопровод 3 с двумя активными торцовыми поверхностями жестко связан с полым валом 20 посредством диска 21. Основная однофазная обмотка 5 возбуждения основного генератора уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с одной активной торцовой поверхностью с многофазной обмоткой 15 якоря основного генератора, а многофазная обмотка 4 якоря возбудителя уложена в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны индуктора возбудителя.
Неподвижная ось 19 расположена соосно с полым валом 20, имеющим возможность вращения вокруг неподвижной оси 19, закреплена в подшипниковых узлах 11 и 18, установленных в полом валу 19, и жестко связана с корпусом 1 одним концом, расположенным со стороны корпуса 1, на которой закреплен боковой аксиальный магнитопровод 16 с одной активной торцовой поверхностью с многофазной обмоткой 15 якоря основного генератора.
Подвозбудитель состоит из радиального магнитопровода 10 индуктора подвозбудителя, жестко закрепленного на неподвижной оси 19, в пазы которого уложена однофазная обмотка 9 возбуждения подвозбудителя, подключенная к фотоэлектрическому преобразователю 14, радиального магнитопровода 7 якоря подвозбудителя, в пазы которого уложена многофазная обмотка 8 якоря подвозбудителя, и дополнительной однофазной обмотки 6 возбуждения основного генератора, подключенной через второй многофазный двухполупериодный выпрямитель 22 к многофазной обмотке 8 якоря подвозбудителя и уложенной в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с многофазной обмоткой 15 якоря основного генератора,
Радиальный магнитопровод 7 якоря подвозбудителя установлен на внутренней поверхности полого вала 20 таким образом, что создаваемый однофазной обмоткой 9 возбуждения подвозбудителя магнитный поток направлен вдоль радиуса радиального магнитопровода 7 якоря подвозбудителя с многофазной обмоткой 8 якоря подвозбудителя.
В нижней части корпуса установлен тепловой преобразователь 23, к выходу которого подключена дополнительная обмотка 24 возбуждения возбудителя.
Трехвходовая аксиально-радиальная электрическая машина-генератор работает следующим образом.
Механическая энергия вращения поступает в машину-генератор от внешнего источника (например, ветроколеса) через полый вал 20, закрепленный в корпусе 1 машины-генератора в подшипниковых узлах 12 и 17.
Одновременно напряжение постоянного тока, полученное путем преобразования тепловой энергии с выхода теплового преобразователя (ТП) 23 подается на дополнительную однофазную обмотку 24 возбуждения возбудителя, подключенную к выходу ТП 24. Под действием этого напряжения в дополнительной однофазной обмотке 24 возбуждения возбудителя протекает электрический ток, который создает магнитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, создаваемым постоянным многополюсным многосекционным магнитом 2 индуктора возбудителя. По принципу суперпозиции магнитных полей магнитные потоки, создаваемые дополнительной однофазной обмоткой 24 возбуждения возбудителя и постоянным аксиальным многополюсным многосекционным магнитом 2 индуктора возбудителя, суммируются.
При вращении полого вала 20 с установленым на его внутренней поверхности радиальным магнитопроводом 7 якоря подвозбудителя, в пазы которого уложена многофазная обмотка 8 якоря подвозбудителя, и внутренним аксиальным магнитопроводом 2 с многофазной обмоткой 4 якоря возбудителя, основной 5 и дополнительной 6 однофазными обмотками возбуждения основного генератора, жестко связанным с полым валом 20 посредством диска 21, суммарный магнитный поток, созданный постоянным аксиальным многополюсным многосекционным магнитом 2 индуктора возбудителя и электрическим током, протекающим в дополнительной однофазной обмотке 24 возбуждения возбудителя, пересекает многофазную обмотку 4 якоря возбудителя и наводит в ней многофазную ЭДС. Эта ЭДС выпрямляется первым многофазным двухполупериодным выпрямителем 13 и подается на основную однофазную обмотку 5 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря 15 основного генератора. При этом в основной однофазной обмотке 5 возбуждения основного генератора протекает электрический ток и создается магнитный поток.
Одновременно напряжение постоянного тока, полученное путем преобразования световой энергии Солнца с фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 14 подается на однофазную обмотку 9 возбуждения подвозбудителя, подключенную к ФЭП 14 и уложенную в пазы радиального магнитопровода 10 индуктора подвозбудителя, жестко закрепленного на неподвижной оси 19, установленной в полом валу 20 и закрепленной в подшипниковых узлах 11 и 18. Под действием этого напряжения по однофазной обмотке 9 возбуждения подвозбудителя протекает электрический ток, создается магнитный поток, направленный вдоль радиуса жестко закрепленного на расположенной соосно с полым валом 20 неподвижной оси 19 радиального магнитопровода 7 якоря подвозбудителя, в пазы которого уложена многофазная обмотка 8 якоря подвозбудителя, пересекает ее и наводит в ней многофазную систему ЭДС. Эта ЭДС выпрямляется вторым многофазным двухполупериодным выпрямителем 22 и подается на дополнительную однофазную обмотку 6 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы внутреннего аксиального магнитопровода 3 с двумя активными торцовыми поверхностями со стороны бокового аксиального магнитопровода 16 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка 15 якоря основного генератора. Под действием этой ЭДС по дополнительной однофазной обмотке 6 возбуждения основного генератора протекает электрический ток, который создает магнитный поток.
По принципу суперпозиции магнитных полей магнитные потоки, созданные токами, протекающими по основной 5 и дополнительной 6 однофазным обмоткам возбуждения основного генератора, суммируется. Этот суммарный магнитный поток пересекает витки многофазной обмотки 15 якоря основного генератора и наводит в ней многофазную ЭДС, которая подается в сеть.
Таким образом, совокупность представленных признаков позволяет расширить область применения аксиально-радиальной электрической машины-генератора за счет дополнительного преобразования тепловой энергии (например, тепловой энергии Солнца или другого источника тепловой энергии) и суммирования ее с механической и световой энергией, с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию постоянного тока.