ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР С ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ РОТОРА
ELECTRIC GENERATOR WITH ROTOR RECIPROCATIVE MOVEMENT

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для преобразования энергии малых возвратно-поступательных перемещений в электрическую энергию.
Известен генератор возвратно-поступательного движения (см. патент RU 2304342 от 10.08.2007 г., H02K 35/02), который содержит ферромагнитный цилиндрический корпус, герметизированный с обеих сторон немагнитными заглушками, в который вставлен тонкостенный ферромагнитный анизотропный каркас с размещенными на нем выходными обмотками, соединенными последовательно-согласно и зафиксированными немагнитными кольцами, магнитную систему, состоящую из постоянного магнита и полюсных наконечников, изготовленных из ферромагнитного материала.
При возвратно-поступательном движении магнитной системы создается ЭДС, величина которой зависит от скорости движения и при последовательно-согласном соединении выходных обмоток суммируется. Выводы от обмоток через выпрямитель подключены к зарядному конденсатору, с которого снимается напряжение для питания электрической схемы. Каркас из ферромагнитного анизотропного материала служит для усиления магнитного потока. Упругое торможение магнитной системы обусловлено магнитной силой, возникающей при заданном соотношении ширины магнитных полюсов и ширины выходных обмоток.
Недостатком аналога является его низкая энергоэффективность в диапазоне малых возвратно-поступательных перемещений ротора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является линейный генератор, содержащий немагнитный цилиндрический корпус, на наружной поверхности которого расположена обмотка, и магнитную систему, выполненную в виде трех последовательно установленных вдоль оси ротора аксиально-намагниченных цилиндрических магнитов: двух неподвижных и одного подвижного, жестко закрепленного на оси ротора и размещенного между неподвижными магнитами, причем обращенного к ним одноименными полюсами (см. патент РФ №2020699, Линейный генератор, МПК H02K 35/02, 30.09.1994). Упругое торможение подвижной части магнитной системы обусловлено отталкивающими магнитными силами между однополюсными поверхностями постоянных магнитов.
Существенным недостатком прототипа [2] является его низкая энергоэффективность при воздействии на ротор малых возвратно-поступательных перемещений.
Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой энергоэффективности преобразования энергии малых возвратно-поступательных перемещений в электрическую энергию.
Для достижения технического результата вдоль оси генератора размещены по меньшей мере два магнитных контура, каждый в составе части оси ротора, магнитного упора, статорного и роторного радиально намагниченных постоянных магнитов (СПМ и РПМ соответственно), наружной ферромагнитной обоймы и торцевого ферромагнитного сердечника в виде колеса со спицами, на которых размещены секции выходной статорной обмотки, причем наружная поверхность РПМ и внутренняя поверхность СПМ снабжены бесконтактно взаимодействующими прямоугольными профилями меандрового типа, выполненными в виде прямоугольной резьбы с шагом, вдвое превышающим номинальноое значение входного возвратно-поступательного перемещения оси ротора, причем глубина пазов меандровых профилей роторных и статорных постоянных магнитов выбрана не менее удвоенной ширины выступов этих профилей. Как вариант исполнения взаимодействующие меандровые профили статорных и роторных постоянных магнитов выполнены в виде прямоугольной резьбы, наружные ферромагнитные обоймы магнитных контуров присоединены как к наружной, так и к торцевой поверхностям соответствующих статорных постоянных магнитов, число спиц в торцевых ферромагнитных сердечниках выбирают от двух до двенадцати, число секций выходной обмотки выбирают от двух до 64, число пар магнитных контуров роторной магнитной системы, размещенных на общей оси ротора, выбирают от одной до пяти, ось ротора электрического генератора проходит через центральные отверстия торцевых ферромагнитных сердечников магнитных контуров, между статорными постоянными магнитами размещена по меньшей мере одна планшайба из немагнитного материала с отверстиями для внешнего крепления электрического генератора, взаимодействующие друг с другом поверхности магнитных упоров и торцевых ферромагнитных сердечников выполнены под углом от 90° до 45° к оси ротора, а полярность полюсов намагниченности постоянных магнитов второго магнитного контура противоположна полярности соответствующих полюсов намагниченности первого магнитного контура, кроме того, секции выходных статорных обмоток нагружены равномерно при любом варианте их взаимного соединения.
Структура предлагаемого электрического генератора изображена на фиг.1 (полное сечение по оси симметрии), на фиг.2 изображен вид с торца. На оси 1 ротора между упорами 2, 3 и 4 жестко закреплены радиально намагниченные РПМ 5 и 6. Наружные поверхности РПМ 5 и 6 снабжены прямоугольными меандровыми профилями, содержащими выступы 7 и впадины 8, бесконтактно взаимодействующие с внутренними меандровыми профилями внутренних поверхностей радиально намагниченных СПМ 9 и 10. Ширина выступов 7 и 11, впадин 8 и 12, а также шаг размещения меандровых профилей одинаковы для статорных и роторных постоянных магнитов, причем шаг их размещения равен удвоенному номинальному значению входного возвратно-поступательного движения.
В структуре фиг.1 сформированы два взаимонезависимых магнитных контура:
- первый магнитный контур состоит из роторного 5 и статорного 9 постоянных магнитов, части оси 1 ротора, магнитного упора 2, наружной ферромагнитной обоймы 13, торцевого ферромагнитного сердечника 14, на котором размещены секции 15 и 16 выходной статорной обмотки;
- второй магнитный контур состоит из РПМ 6, части оси 1 ротора, магнитного упора 4, СПМ 10, наружной ферромагнитной обоймы 17 и торцевого ферромагнитного сердечника 18, на котором размещены секции 19 и 20 выходной статорной обмотки. Между СПМ 9 и 10 размещена немагнитная планшайба 21, а все элементы статора стянуты шпильками 22 через отверстия в торцевых ферромагнитных сердечниках 14 и 18. В планшайбе 21 выполнены отверстия 23 для внешнего крепления устройства.
Возможно последовательное соединение двух и более структур фиг.1 на общей оси 1 ротора с жестким соединением статорных частей друг с другом через отверстия 23 в планшайбах 21.
На фиг.2 показан вариант торцевых ферромагнитных сердечников 14 или 18 с 4 радиальными спицами. Возможны другие варианты торцевых ферромагнитных сердечников 14 и 18 с числом спиц от 2 до 12, в зависимости от габаритов и выходной мощности электрического генератора.
При указанной на фиг.1 намагниченности постоянных магнитов 5; 6 и 9; 10 в обоих магнитных контурах на ротор в составе оси 1 ротора и РПМ 5 и 6 действуют значительные отталкивающие магнитные силы, в результате чего ось 1 ротора устанавливается в центре отверстий торцевых ферромагнитных сердечников 14 и 18, чем обеспечивается бесконтактный магнитный подвес ротора. Отталкивающие силы между торцевыми поверхностями магнитного упора 2 и торцевого ферромагнитного сердечника 14, магнитного упора 4 и ферромагнитного сердечника 18 обеспечивают упругую центровку ротора внутри статора в положении, отраженном на фиг.1. При внешнем воздействии X на ось 1 ротора нарушается баланс сил отталкивания ротора от торцевых стенок сердечников 14 и 18 и возникает результирующая сила, возвращающая ротор в первоначальное состояние. ЭДС в секциях 15; 16 и 19; 20 выходной обмотки возникают при поперечном перемещении оси 1 ротора за счет изменения площади взаимного перекрытия поверхностей выступов 7 и 11 меандровых профилей, изменения магнитного сопротивления и результирующих магнитных потоков в первом и втором магнитных контурах. При указанном на фиг.1 исходном взаимоположении меандровых профилей в первом и втором магнитных контурах обеспечивается взаимно противофазное изменение магнитных сопротивлений в этих контурах. В этом случае увеличение магнитного сопротивления в первом магнитном контуре при перемещении оси 1 ротора вправо вызовет уменьшение результирующего магнитного потока и сил магнитного отталкивания в нем, в то время как уменьшение магнитного сопротивления во втором магнитном контуре вызовет увеличение результирующего магнитного потока и сил магнитного отталкивания в нем. Как следствие, вектор результирующего силового воздействия магнитных контуров на ось 1 ротора будет направлен встречно вектору входного перемещения X оси 1 ротора, чем создается упругое торможение (самоустановка) ротора в исходное положение, в котором обеспечено равенство сил воздействия на ось первого и второго магнитных контуров электрического генератора. При переходе взаимоперекрытия меандровых профилей ротора и статора через экстремальные значения вектор результирующего воздействия сил магнитного взаимодействия на ось 1 меняет свой знак. Число пар магнитных контуров статорной магнитной системы необходимо выбирать от одной до пяти. Увеличение числа пар магнитных контуров более пяти нецелесообразно из-за значительного удлинения оси ротора. Для обеспечения значительного изменения магнитного сопротивления в магнитных контурах, глубину впадин 8 и 12 меандровых профилей РПМ и СПМ следует выбирать не менее удвоенной ширины выступов 7 и 11, а зазор между поверхностями выступов 7 и 11 должен быть минимальным. С целью снижения общего магнитного сопротивления магнитных контуров ферромагнитные обоймы присоединены как к наружной, так и к торцевой поверхностям соответствующих статорных постоянных магнитов. Немаловажным достоинством конструкции электрического генератора является взаимная компенсация дополнительных (динамических) тормозящих сил в первом и втором магнитных контурах при равномерной электрической нагрузке секций 15, 16 и 19, 20 выходной обмотки. Как следствие, результирующая сила упругого торможения (самоустановки) оси 1 мало зависит от выходного тока секций 15, 16 и 19, 20. Для достижения этого результата необходима равномерная нагрузка секций выходных обмоток при любом варианте их взаимного соединения. Потребляемая нагрузкой электрическая энергия получается за счет частичного использования огромной внутренней энергии магнитного поля постоянных магнитов в процессе их взаимодействия. В результате этого обеспечена высокая энергоэффективность преобразования энергии малых возвратно-поступательных перемещений в электрическую энергию в предложенной конструкции электрического генератора.
В действующем опытном образце электрического генератора были использованы цилиндрические постоянные магниты из материала NdFeB с коэрцитивной силой Нс=900 кА/м, высотой h=25 мм, причем наружный диаметр Dн СПМ равен 130 мм, а у РПМ Dн=50 мм. При шаге взаимодействующих друг с другом меандровых поверхностей СПМ и РПМ, равном 2,1 мм, и ширине выступов 7 и 11 взаимодействующих меандровых поверхностей, равной 1 мм, обеспечено высокоэффективное преобразование в электрический ток секций 15, 16 и 19, 20 выходной обмотки возвратно-поступательных перемещений оси ротора X=1 мм при частоте воздействующих на ротор перемещений до 80 Гц. Практически достигнут близкий к 98% коэффициент преобразования энергии возвратно-поступательных перемещений амплитудой до 1,5 мм, мощностью до 300 Вт.
Соответствующим выбором геометрических размеров постоянных магнитов, ширины выступов 7 и 11, шага размещения меандровых профилей СПМ и РПМ можно обеспечить высокоэффективную работу электрического генератора при значениях воздействующих на ось ротора возвратно-поступательных перемещений от 0,5 мм до 100 мм. При действующих на ось 1 ротора перемещениях X≥3 мм взаимодействующие друг с другом поверхности магнитных упоров 2, 4 и торцевых ферромагнитных сердечников от 14, 18 выполняют конусообразными с углом образующих конусов в пределах от 90° до 45° относительно оси 1 ротора.
С учетом имеющихся на мировом рынке высококоэрцитивных постоянных магнитов выходная мощность Рвых предложенного электрического генератора может быть обеспечена от 1 Вт до 6,3 кВт. Для увеличения выходной мощности до 30 кВт возможно последовательное размещение на оси ротора электрического генератора от двух до пяти пар магнитных систем.
Источники информации
1. Генератор возвратно-поступательного движения. Патент RU 2304342 от 10.08.2007 г. МПК H02K 35/02.
2. Линейный генератор. Патент RU №2020699 от 30.09.1994. МПК H02K 35/02.