Ветро-солнечный генератор со сдвоенным ротором
SOLAR-WIND GENERATOR WITH DOUBLED ROTOR

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано для преобразования энергии возобновляемых источников, а именно механической энергии (энергии ветра), подаваемой на механический вход машины, и электрической энергии постоянного тока (энергии Солнца), подаваемой на электрический вход, в суммарную электрическую энергию m-фазного переменного тока с возможностью получения более стабильных параметров электрической энергии на выходе, чем в случае применения классического электромеханического преобразователя энергии.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым автором за прототип является синхронная машина, которая является классическим электромеханическим преобразователем энергии и широко используется для ее получения. Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины (Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л., «Энергия», 1974 г., 840 с., с. 367). Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка статора синхронной машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется также обмоткой якоря. Сердечник (магнитопровод) статора вместе с обмоткой называется также якорем. Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения, питаемую через два контактных кольца и щетки постоянным током от постороннего источника.
Принцип работы синхронной машины основан на том, что если ее ротор привести во вращение с некоторой скоростью и возбудить его, то поток возбуждения Ф будет пересекать проводники обмотки статора и индуктировать в ней симметричную m-фазную систему ЭДС, и при подключении к обмотке статора симметричной нагрузки эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора (Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л., «Энергия», 1974 г., 840 с., с. 368).
Если вал синхронной машины привести во вращение с некоторой скоростью при помощи ветротурбины (используя энергию ветра), а обмотку ротора возбудить, используя энергию Солнца, подав постоянное напряжение от фотоэлектрического преобразователя или предварительно заряженной при его помощи аккумуляторной батареи, то поток возбуждения Ф будет пересекать проводники обмотки статора и индуктировать в ней симметричную m-фазную систему ЭДС. При подключении к обмотке статора симметричной нагрузки электрическая цепь будет замкнута, и по ней будет протекать симметричная система токов. При этом будет происходить суммирование и преобразование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в электрическую энергию переменного тока.
Однако работа синхронного генератора от ВИЭ будет иметь свои особенности, связанные с неравномерностью поступления энергии: к неравномерности поступления энергии ветра дополнительно будет накладываться неравномерность поступления энергии Солнца. Большие колебания поступления энергии Солнца приведут к тому, что на выходе фотоэлектрического преобразователя или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи, постоянный ток будет колебаться в достаточно широких приделах с соответствующим колебанием потока возбуждения Ф. Колебания потока возбуждения Ф приведут к дополнительному колебанию m-фазной симметричной системы ЭДС, а при подключении к обмотке статора нагрузки - к дополнительному колебанию токов, то есть дополнительному ухудшению стабильности параметров электрической энергии на выходе и к сужению области применения.
Заявляемое изобретение решает задачу расширения области применения за счет возможности получения энергии от возобновляемых источников с последующим суммированием, преобразованием и выработкой электрической энергии m-фазного переменного тока с более стабильными параметрами.
Технический результат заключается в преобразовании и выработке электрической энергии m-фазного переменного тока с более стабильными параметрами.
Технический результат достигается тем, что в ветро-солнечном генераторе со сдвоенным ротором, содержащем статор с цилиндрической расточкой, состоящий из корпуса, выполненного в форме полого цилиндра с расположенным в нем шихтованным магнитопроводом статора с m-фазной обмоткой статора, к торцовым поверхностям которого неподвижно прикреплены подшипниковые щиты с подшипниками, причем ротор расположен во внутренней расточке шихтованного магнитопровода статора, имеет вал, позиционирующийся на подшипниках, и явнополюсный магнитопровод ротора с обмоткой возбуждения, питаемой через контактные кольца и щетки постоянным током, причем число полюсов m-фазной обмотки статора равно числу полюсов магнитопровода ротора, при этом вал выполнен с возможностью размещения на нем ветротурбины, а сам ротор сделан сдвоенным, расположен на валу симметрично в осевом направлении относительно магнитопровода статора с возможностью аксиального перемещения в воздушном зазоре, образованном между его частями с установленной между ними пружиной, надетой на вал, причем пакеты магнитопроводов сдвоенного ротора сопряжены с валом посредством шлицевых соединений, а их максимальное аксиальное перемещение на валу ограничено при помощи шпонок, расположенных на крайних внешних сторонах шлицов вала ротора вдоль его длины, при этом на каждом пакете сдвоенного магнитопровода ротора расположена отдельная обмотка возбуждения, чьи концы соединены с контактными кольцами, закрепленными неподвижно на внешних торцовых поверхностях сдвоенного ротора, и через щетки, расположенные на подшипниковых щитах соосно с ними, она соединена с источником постоянного тока, одновременно с этим оси полюсов сдвоенного явнополюсного магнитопровода ротора одинаковой полярности совпадают между собой в радиальном направлении.
Возможность получения энергии от возобновляемых источников, а именно механической энергии (энергии ветра), подаваемой на механический вход машины, и электрической энергии постоянного тока (энергии Солнца), подаваемой на электрический вход с последующим суммированием, преобразованием и выработкой электрической энергии m-фазного переменного тока с более стабильными параметрами ведет к расширению области применения электромеханического преобразователя.
Стабилизация и выравнивание параметров вырабатываемой электрической энергии m-фазного переменного тока происходит за счет взаимодействия с одной стороны электромагнитных сил, которые сжимают пружину и сдвигают сдвоенные части пакетов магнитопроводов за счет действия потока возбуждения Ф, а с другой стороны сил, которые раздвигают сдвоенные части пакетов магнитопроводов за счет взаимодействия между токами, протекающими встречно по внутренним аксиальным поверхностями обмоток возбуждения сдвоенного ротора.
При наличии минимальной требуемой величины постоянного тока, протекающей по обмоткам возбуждения, сила взаимодействия между токами, протекающими встречно по внутренним аксиальным поверхностям обмоток возбуждения сдвоенного ротора, будет минимальной, и электромагнитное усилие, которое будет создаваться потоком возбуждения Ф, сожмет сдвоенные части пакетов магнитопроводов с пружиной, установленной на валу между ними и обеспечит максимальную площадь активной рабочей поверхности магнитопроводов с последующим прохождением потока возбуждения Ф с возможностью получения в m-фазных обмотках статора m-фазную систему ЭДС при минимальных требуемых величинах постоянного тока.
Увеличение силы постоянного тока, протекающего по обмоткам возбуждения, приведет к пропорциональному увеличению сил взаимодействия между токами, протекающими встречно по внутренним аксиальным поверхностями обмоток возбуждения сдвоенного ротора. Пропорциональное увеличение сил взаимодействия приведет к раздвижению сдвоенных частей пакетов магнитопроводов с уменьшением площади активной рабочей поверхности магнитопроводов и, соответственно, к уменьшению прохождения потока возбуждения Ф и пропорциональному уменьшению величины m-фазной симметричной системы ЭДС.
Комплексное освоение энергии Солнца и ветра в рамках электромеханического преобразователя энергии позволяет дополнительно выровнять ее естественные колебания и получить электрическую энергию m-фазного переменного тока с более стабильными параметрами, что повышает перспективность применения генераторов подобного типа в нетрадиционной энергетике.
Сущность устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен в разрезе главный вид ветро-солнечного генератора со сдвоенным ротором.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез А-А ветро-солнечного генератора со сдвоенным ротором.
Ветро-солнечный генератор со сдвоенным ротором содержит статор с цилиндрической расточкой, состоящий из корпуса 1, выполненного в форме полого цилиндра с расположенным в нем шихтованным магнитопроводом статора 5 с m-фазной обмоткой статора 6, к торцовым поверхностям которого неподвижно прикреплены подшипниковые щиты 2, 3 с подшипниками 4 (фиг. 1, 2).
На подшипниках 4 позиционируется вал 7, с которым сопряжены посредством шлицевых соединений 8 пакеты магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора. На валу 7 закреплена ветротурбина (ветротурбина не изображена), которая приводит его в движение.
Сдвоенный ротор выполнен явнополюсным и расположен на валу 7 симметрично в осевом направлении относительно магнитопровода статора 5 с возможностью аксиального перемещения в воздушном зазоре 11, образованном между его частями с установленной между ними пружиной 12, надетой на вал 7 (фиг. 1). При этом шлицевые соединения 8 состоят из шлицов 13 вала 7 и шлицов 14 пакетов магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора (фиг. 1, 2). Максимальное аксиальное перемещение пакетов магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора на валу 7 ограничивается при помощи шпонок 15, расположенных на крайних внешних сторонах шлицов 13 вала 7 ротора вдоль его длины. На каждом пакете сдвоенного магнитопровода 9, 10 ротора расположены обмотки возбуждения 16, 17, концы которой соединены с контактными кольцами 18, 19, закрепленными неподвижно на внешних торцовых поверхностях сдвоенного ротора, и через щетки 20, 21, расположенные на подшипниковых щитах 2, 3 соосно с ними, соединены с источником постоянного напряжения посредством проводов 22, 23. Так как оси полюсов пакетов магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора одинаковой полярности совпадают между собой в радиальном направлении, то направление намотки обмотки возбуждения 16, 17 на каждом полюсе пакетов магнитопровода 9, 10 сдвоенного ротора тоже совпадает между собой.
Между внутренней цилиндрической расточкой шихтованного магнитопровода статора 5 и внешней активной рабочей поверхностью пакетов магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора имеется рабочий воздушный зазор 24, который позволяет валу 7 со сдвоенном ротором свободно вращаться внутри цилиндрической расточки шихтованного магнитопровода статора 5 на подшипниках 4.
Ветро-солнечный генератор со сдвоенным ротором работает следующим образом.
Вал 7 ротора приводится во вращение с некоторой скоростью при помощи ветротурбины (используя энергию ветра) на подшипниках 4. Одновременно с этим на обмотки возбуждения 16, 17 ротора подается постоянное напряжение от фотоэлектрического преобразователя или предварительно заряженной при его помощи аккумуляторной батареи (используя энергию Солнца) через провода 22, 23, щетки 20, 21, расположенные на подшипниковых щитах 2, 3 соосно с контактными кольцами 18, 19, которые неподвижно закреплены на внешних торцовых поверхностях сдвоенного ротора. Так как электрическая цепь замкнута, то по обмоткам возбуждения 16, 17 ротора потечет постоянный ток, ведущий к возникновению потока возбуждения Ф в каждом пакете магнитопровода 9, 10 сдвоенного ротора. Поток возбуждения Ф будет замыкаться радиально от одного полюса через рабочий воздушный зазор 24, шихтованный магнитопровод статора 5 с m-фазной обмоткой статора 6, рабочий воздушный зазор 24 к другому полюсу и обратно (фиг. 2). При этом поток возбуждения Ф будет пересекать проводники m-фазной обмотки статора 6 и индуктировать в ней симметричную m-фазную систему ЭДС по закону электромагнитной индукции:
где  - скорость изменения магнитного потока;
p
w - число витков m-фазной обмотки статора 6.
При подключении к m-фазной обмотке статора 6 симметричной нагрузки электрическая цепь будет замкнута, и по ней будет протекать симметричная система токов. При этом будет происходить суммирование и преобразование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в электрическую энергию переменного тока.
Наличие радиального потока возбуждения Ф приведет к возникновению электромагнитных сил, которые будут сжимать пружину 12 и сдвигать пакеты магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора по шлицевым соединениям 8 (шлицы 14 пакетов магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора будут двигаться по шлицам 13 вала 7) из-за его стремления расположиться в «магнитной середине» по отношению к шихтованному магнитопроводу статора 5, то есть в том положении, в котором магнитное сопротивление воздушного зазора 11 имеет наименьшее значение, что соответствует наиболее выгодному энергетическому положению.
Протекание постоянного тока по обмоткам возбуждения 16, 17 сдвоенного ротора приведет к взаимодействию между токами, протекающими встречно по внутренним аксиальным поверхностями пакетов магнитопроводов 9, 10, и возникновению сил, которые будут отталкивать обмотку возбуждения 16 от обмотки возбуждения 17 и тем самым раздвигать пакеты магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора друг от друга. При этом для исключения касания пакетов магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора и подшипниковых щитов 2, 3, которые неподвижно закреплены к торцовым поверхностям корпуса 1, максимальное аксиальное перемещение пакетов магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора на валу 7 ограничено при помощи шпонок 15, расположенных на крайних внешних сторонах шлицов 13 вала 7.
При наличии минимальной требуемой величины постоянного тока, протекающей по обмоткам возбуждения 16, 17, сила взаимодействия между токами, протекающими встречно по внутренним аксиальным поверхностями обмоткам возбуждения 16, 17 сдвоенного ротора, будет минимальной, и электромагнитное усилие, которое будет создаваться потоком возбуждения Ф, сожмет пакеты магнитопроводов 9, 10 сдвоенного ротора с пружиной 12, установленной на валу между ними, и обеспечит максимальную площадь активной рабочей поверхность между шихтованным магнитопроводом статора 5 и пакетами магнитопроводов 9, 10 с последующим прохождением потока возбуждения Ф с возможностью получения в m-фазных обмотках статора m-фазную систему ЭДС при минимальных требуемых величинах постоянного тока.
Увеличение постоянного тока, протекающего по обмоткам возбуждения 16, 17, приведет к пропорциональному увеличению сил взаимодействия между токами, протекающими встречно по внутренним аксиальным поверхностями обмоток возбуждения 16, 17 сдвоенного ротора. Пропорциональное увеличение сил взаимодействия между токами, протекающими встречно по внутренним аксиальным поверхностями обмоток возбуждения 16, 17, приведет к их преобладанию по отношению к силам сжатия и соответственно будет раздвигать сдвоенные части пакетов магнитопроводов 9, 10 с уменьшением площади активной рабочей поверхности между шихтованным магнитопроводом статора 5 и пакетами магнитопроводов 9, 10. Это приведет к уменьшению потока возбуждения Ф и пропорциональному уменьшению величины m-фазной симметричной системы ЭДС. То есть будет происходить поддержание требуемой величины потока возбуждения Ф с последующей стабилизацией и выравниванием параметров вырабатываемой электрической энергии m-фазного переменного тока.