ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Линейный электрогенератор содержит статор модульной конструкции (1), между I-образными модулями которого располагаются сосредоточенные фазные обмотки (3) на каркасах (2), и подвижный элемент, который содержит постоянные магниты радиальной (5) и аксиальной (4) намагниченности, образующие сборку Хальбаха. Эскиз конструкции магнитной системы и трехмерная модель магнитной системы линейного электрогенератора представлены на фигурах 1 и 2 соответственно.
Полезная модель относится к области электротехники, точнее к линейным электрическим машинам (генераторам) цилиндрической конструкции, преобразующим механическую энергию возвратно-поступательного движения в электрическую (полезная модель также может работать в режиме электродвигателя), и может быть использована в различных отраслях энергетики (в энергоустановках на основе свободнопоршневых двигателей внутреннего сгорания и двигателей Стирлинга, для волновых и приливных электростанций) и машиностроения (в системе активной подвески стабилизации устойчивости автомобилей, в качестве источников дополнительного бортового питания).
Известна линейная электрическая машина (RU №171599 U1, публ. 28.12.2016), в которой электромагнитная система представляет собой установленный в корпусе зубчатый статор с трехфазной обмоткой в пазах между зубцами и индуктор с постоянными магнитами, намагниченными попарно-встречно поперечно и продольно относительно оси линейной электрической машины.
Недостатком такой линейной электрической машины является прямоугольная конструкция, так как цилиндрическое конструктивное исполнение линейного электрогенератора позволяет получить более высокие энергетические характеристики при меньших габаритных параметрах по сравнению с линейными генераторами прямоугольного конструктивного исполнения за счет большей площади перекрытия магнитной системы подвижного элемента магнитной системой статора и цилиндрического рабочего воздушного зазора.
Наиболее близким аналогом (прототипом) полезной модели является линейная электрическая машина (IPC: Н02K 41/02. CN104052234A: CN104052234B. 2014-09-17), которую в силу принципа обратимости электрических машин можно рассматривать как линейный электрогенератор. Линейная электрическая машина представляет собой пятифазный цилиндрический линейный электродвигатель с постоянными магнитами, предназначенный для привода электромагнитной подвески транспортных средств. Линейный электродвигатель содержит в составе конструкции цилиндрический статор, набранный из сегментов, приводное (представляющее из себя опору для вала) кольцо и опорный вал. Сосредоточенная обмотка укладывается в пазы между основными сердечниками статора, которые расположены в осевом направлении и имеют Е-образную форму, обмотка намотана в форме кольца. Подвижный элемент включает в себя постоянные магниты и приводное кольцо, являющееся опорой оси. Постоянные магниты подвижного элемента выполнены по технологии Хальбах матрицы. Опорный вал представляет собой трубку из немагнитной стали или ферромагнитную трубу. Е-образный сердечник статора выполнен по меньшей мере из четырех частей: из одного 1-образного сектора сердечника и двух L-образных секторов, I-образный сектор сердечника расположен между двумя L-образными секторами.
Недостатком такой электрической машины является сложность конструкции статора, большое количество деталей одного Е-образного модуля статора усложняет сборку и требует повышенной точности изготовления каждой детали модуля. Так, при неплотной стыковке деталей модуля и их относительных перекосах могут возникать искажения магнитного поля и паразитные эффекты. При этом при работе линейной электрической машины, возникающие вибрации могут создать вибрации деталей модуля, что приведет к их периодическому смещению друг относительно друга, что может привести к снижению качества выходных характеристик при использовании данной линейной электрической машины в качестве генератора электроэнергии.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, направлена на повышение удельных выходных характеристик линейного электрогенератора при снижении количества составных частей статора и упрощении конструкции в целом.
Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, заключается в увеличении значения магнитного потока в рабочем воздушном зазоре за счет использования в линейном электрогенераторе I-образных сплошных модулей в статоре цилиндрической конструкции, что повышает площадь перекрытия постоянных магнитов подвижного элемента при одновременном упрощении конструкции за счет снижения числа механических частей статора.
Технический результат достигается за счет увеличения площади перекрытия зубцовой зоны статора постоянными магнитами подвижного элемента при снижении количества механических частей, что обусловлено цилиндрической конструкцией статора линейного электрогенератора, так как конструкция статора является сегментированной I-образными сплошными модулями.
Конструктивные особенности полезной модели продемонстрированы на фигурах 1 и 2.
Линейный электрогенератор содержит статор, выполненный из четырех I-образных сплошных модулей (1), между которыми располагаются фазные обмотки (3) на каркасах (2), и подвижного элемента, представляющего собой Хальбах сборку из четырнадцати кольцевых постоянных магнитов: семи аксиальной (4) и семи радиальной (5) намагниченности.
Использование сплошных I-образных модулей статора позволяет уменьшить число механических деталей статора линейного электрогенератора, что позволит снизить вероятность возможных перекосов деталей статора друг относительно друга при сборке линейного электрогенератора, а также уменьшить риск смещения модулей вследствие воздействия вибрационных нагрузок со стороны движителя подвижного элемента и повысить значение магнитного потока в рабочем воздушном зазоре, что обеспечивается увеличением площади перекрытия постоянных магнитов подвижного элемента I-образными модулями статора.
В основном, генераторном, режиме работы за счет возвратно-поступательного движения подвижного элемента магнитное поле постоянных магнитов (4, 5), замыкаясь через 1-образные модули статора (1), наводит в сосредоточенных фазных обмотках (3), расположенных на каркасах (2), переменную ЭДС гармонического характера. Постоянные магниты аксиальной намагниченности (4) способствуют замыканию и усилению основного магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами радиальной намагниченности (5).
В режиме линейного электродвигателя на фазную обмотку статора (3) подается электрическое напряжение, за счет которого создается бегущее электромагнитное поле, взаимодействие которого с магнитным полем постоянных магнитов (4, 5) создает электромагнитную силу, приводящую в возвратно-поступательное движение подвижный элемент.
3
По результату аналитического расчета, с помощью разработанной математической модели, а также численного компьютерного моделирования, посредством разработанной численной модели, удельная электрическая мощность линейного электрогенератора составляет 135 кВт/м (или 33 Вт/кг) при использовании сплошных I-образных модулей статора.
Ссылки на патенты-аналоги:
1. Патент РФ №2016152049, 28.12.2016. Линейная электрическая машина // Патент России №171599. 2015. Бюл. №16. / Ширинский СВ. Чиркин В.Г. Ежов Е.В. [и др.].
2. CHEN LONG; JI JINGHUA; LIU GUOHAI; XIE YING; ZHAO WANXIANG; ZHAO WENXIANG; ZHOU HUAWEI [other]. IPC: H02K 41/02. CN 104052234 A: CN 104052234 B. 2014-09-17. Five-phase cylindrical fault-tolerant permanent magnet linear actuator for driving vehicle electromagnetic suspension. URL: https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/051504731/publicatio n/CN104052234A?q=linear%20generator%20halbach.