АВТОНОМНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к электротехнике и энергетике, а именно, к области получения альтернативной энергии преобразованием энергии постоянных магнитов в механическую энергию для получения электрической энергии, и может быть использована в промышленности и в быту. Полезная модель может использоваться также в качестве привода для действующих генераторов.
Известны синхронные генераторы с постоянными магнитами и электрогенераторные установки на их базе, включающие собственно генератор и управляющий им инвертор, преобразователь постоянного напряжения в выходное трехфазное напряжение переменного тока, и регулирующие и стабилизирующие элементы (конденсаторы, регуляторы напряжения или дроссели насыщения). Генератор состоит, как правило, из статора и установленного на валу ротора. Данные генераторы отличаются высокой эффективностью и низким энергопотреблением, меньшими массой и габаритными размерами и отличаются специальными конструкциями как ротора, так и статора, а также составами магнитных сплавов. По данным схемам изготавливают электроагрегаты такие зарубежные производители, как фирма SDMO (Франция), и компания Newage AVK SEG (Stamford, США). В России широко известны генераторы с постоянными магнитами (Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М., Энергоатомиздат, 1988, - 280 с.), применяемые в основном в ветроэнергетике, авиации и автотранспорте мощностью до 2 кВт. Магнитная система генераторов представляет собой радиальную систему типа «крест в кольце», где одна из перекладин креста представляет собой постоянные магниты, а другая - электромагнит управления, катушка которого может быть разбита на 2 части или использоваться в виде единой катушки. Кольцо представляет собой магнитопровод, на котором расположены 4 рабочие обмотки (выходные обмотки) с попарным соединением. Данные генераторы применяются лишь в машинах мощностью до 2 кВт и практически не используются в различных системах автономного электроснабжения.
Известен линейный генератор на постоянных магнитах по патенту РФ на изобретение №2206170 от 10.07.2001 г., содержащий корпус из немагнитного материала, внутри которого установлены на валах вращающиеся от приводов два постоянных магнита в виде горизонтальных цилиндров со сферическими выпуклостями по сторонам. Третий магнит-ползун в виде прямоугольника с выпуклостями установлен в средней части корпуса внутри обмотки статора между двумя вращающимися магнитами на направляющих с возможностью возвратно-поступательного перемещения от одного вращающегося магнита к другому. При возвратно-поступательном движении ползуна внутри катушки возникает ЭДС, полученная электроэнергия поступает в выпрямитель. Недостатком данного генератора является наличие шаговых электродвигателей в качестве приводов вращающихся постоянных магнитов и невозможность использования его в качестве автономного источника электроэнергии.
Известен синхронный попеременно-полюсной генератор (патент на полезную модель №50059 от 20.01.2005), содержащий статор с многофазной обмоткой и расположенный по его оси многополюсный ротор-индуктор с обмоткой возбуждения, а также бесколлекторную машину возбуждения. Статорные обмотки обеих машин выполнены в виде катушек с сердечниками, размещенных внутри фигуры вращения, а индукторы образуют фигуры вращения, охватывающие статорные обмотки. Генератор сложен в изготовлении.
Заявляемый генератор (варианты), как и известные, содержит статор, ротор с постоянными магнитами, включающий вал, и коллектор.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение сферы применения генераторов на постоянных магнитах.
Техническим результатом автономного генератора является повышение ЭДС, мощности и надежности генератора. Техническим результатом является также возможность использования данного генератора в качестве привода для питания других генераторов.
Технический результат достигается тем, что по первому варианту изготовления генератора его статор выполнен с обмоткой возбуждения, расположенной на постоянных магнитах, установленных внутри обмотки статора, обе обмотки закрыты магнитным экраном. Ротор представляет собой жестко закрепленные на телескопическом валу радиально расположенные сердечники с обмоткой и с установленными на их концах постоянными магнитами различных размеров полукруглой формы, которые направлены одноименными полюсами навстречу полюсам статорных магнитов. Возвратно-поступательное движение ротора осуществляется механизмом перемещения, закрепленным на подвижной раме, перемещающейся по станине.
Технический результат достигается и тем, что по второму варианту изготовления генератора его статор выполнен с обмоткой возбуждения, расположенной на постоянных магнитах. Ротор представляет собой жестко закрепленные на телескопическом валу радиально расположенные сердечники с обмоткой и с установленными на их концах постоянными магнитами различных размеров полукруглой формы, которые направлены одноименными полюсами навстречу полюсам статорных магнитов. Возвратно-поступательное движение статора осуществляется механизмом перемещения, закрепленным на подвижной раме, перемещающейся по станине.
Механизм перемещения может представлять собой реечно-шестеренчатый механизм и состоять из зубчатой шестеренки, входящей в зацепление с зубчатой рейкой, закрепленной на подвижной раме, перемещающейся на роликах по станине генератора, при этом зубчатая шестеренка закреплена на валу, установленном в станине. Магнитный экран может быть выполнен из двух магнитов, установленных друг к другу разноименными полюсами. Постоянные магниты ротора могут быть закрыты защитным чехлом.
Полезная модель поясняется с помощью чертежей, на которых представлены: на фиг.1 - общий вид автономного генератора по 1 пункту формулы с продольным разрезом, на фиг.2 - поперечный разрез статора с ротором, на фиг.3 - вид сбоку генератора по 1 пункту формулы, на фиг.4 - общий вид автономного генератора по 5 пункту формулы с продольным разрезом.
Автономный генератор (см. фиг.1, 2) по 1 независимому пункту формулы состоит из статора 1, ротора 2 и механизма перемещения 3. Статор 1 представляет собой несколько (шесть в данном варианте исполнения) радиально расположенных сердечников 4 с обмоткой 5, внутри которой установлены постоянные магниты 6 с обмоткой возбуждения 7, образуя катушки индуктивности. Они обеспечивают постоянное подмагничивание статорной обмотки 5, создают магнитное поле внутри статора и первичное напряжение обмотки возбуждения 7, которое при его увеличении подается электропитание на роторные сердечники 8. Напряжение снимается со статорной обмотки 5. Статорные обмотки 5 и 7 закрывает магнитный экран 9, представляющий собой постоянные магниты, установленные разноименными полюсами друг к другу. Магнитный экран 9 обеспечивает повышение эффективности использования статорного магнитного поля за счет создания встречных магнитных полей для достижения максимальной концентрации магнитного поля на обмотках статора и подмагничивания 1, что увеличивает электромагнитную индукцию генератора. Статор 1 установлен в корпусе 10 и закреплен на неподвижной станине 11.
Ротор 2 (см. фиг.1, 2) представляет собой три жестко закрепленных на валу 12 сердечника 8 с обмотками 13, расположенные радиально под углом 120° друг к другу. Соединение обмоток - последовательное. На концевых участках каждого сердечника 8 установлены постоянные магниты 14 полукруглой формы. Постоянные магниты 14 могут быть закрыты защитным чехлом 15, предотвращающим их от разрушения при больших оборотах ротора 2 генератора с высокой мощностью. Магниты 14 могут быть выполнены разных размеров и, соответственно, площадей, например, один большой и два меньших, и установлены одноименными полюсами навстречу полюсам статорных магнитов 6. Вал 12 установлен в подшипниковом узле 16, закрепленном на подвижной раме 17, и со стороны статора 1 выполнен телескопическим и установлен в подшипниковом узле 18, закрепленном на станине 11. На другом конце вала 12 установлен коллектор 19, через который передается электропитание на обмотки 13 ротора 2.
Ротор 2 перемещается в магнитное поле статора 1 с помощью механизма перемещения 3 (см. фиг.1, 3), который представляет собой реечно-шестеренчатый механизм и состоит из зубчатой шестеренки 20, входящей в зацепление с зубчатой рейкой 21, закрепленной на подвижной раме 17. Шестеренка 20 закреплена на валу 22, установленном в станине 11. Подвижная рама 17 перемещается на роликах 23 по станине 11, перемещая тем самым ротор 2 в зону статора. При стыковке кожуха 24 с корпусом 10 кожух 24 крепится к корпусу 10 фиксатором (не показан). Первоначальное движение раме 17 придается вручную рукояткой, или маховиком или электродвигателем (на чертеже не показано), питание которого может осуществляться от аккумулятора или от обмотки возбуждения самого генератора.
Панель управления генератора (на чертежах не показана) представляет собой, например, приборную доску с повышающим трансформатором, выпрямительным диодным мостом, электроприборами, регистрирующими параметры самого генератора, и переменным резистором.
При изготовлении заявляемого автономного генератора для привода действующих генераторов по второму независимому пункту формулы - п.5 (см. фиг.4) статор 25 состоит из корпуса 26 и постоянных магнитов 27 с обмотками возбуждения 28. Статор крепится на подвижной раме 29. Ротор 30 выполнен аналогично ротору автономного генератора, его вал 31 установлен на неподвижной станине 32 в подшипниковых узлах 33 и 34. Вращение ротора 30 в данном варианте выполнения полезной модели происходит путем перемещения статора 25. Механизм перемещения 35 также представляет собой реечно-шестеренчатый механизм и состоит из зубчатой шестеренки 36, входящей в зацепление с зубчатой рейкой 37, закрепленной на подвижной раме 29. Подвижная рама 29 на роликах перемещается по станине 32. Соединение заявляемого генератора (двигателя) к валу 38 основного генератора 39 осуществляется, например, с помощью двух полумуфт или редуктора 40.
Принцип работы генератора. Выложенные внутри статора 1 постоянные магниты 6 образуют сбалансированное уравновешенное магнитное поле. Ротор 2 имеет разбалансированное неуравновешенное магнитное поле, которое достигается разными размерами магнитов 14. При перемещении ротора 2 в поле статора 1 больший по размерам магнит ротора 2 сильнее отталкивается от магнитного поля статора 1, а два меньших усиливают движение, тем самым создается крутящий момент ротора 2. То есть при перемещении разбалансированного магнитного поля ротора 2 в сбалансированное магнитное поле статора 1 магнитное поле ротора 2 за счет непрерывного магнитного отталкивания будет заставлять вращаться ротор 2 в поисках баланса. При вращении у ротора 2 появляется свое магнитное поле, при этом два однополюсных поля не смешиваются, между ними возникает жесткая граница и постоянное непрерывное трение, что создает статическое напряжение, которое непрерывно накапливается на обмотках статора, что повышает эффективность работы генератора. С учетом того, что сердечниками в обмотке возбуждения являются постоянные магниты, то на клеммах обмотки возбуждения имеется минимальное напряжение. При создании крутящего момента ротором 2 и возникновении ЭДС, она усиливает электромагнитную индукцию на обмотках возбуждения 7 в соответствии с законом об электромагнитной индукции. Полученное таким образом напряжение на обмотке возбуждения 7 подается на обмотку 13 сердечников 8 ротора 2, сердечники 8 становятся электромагнитами, увеличивая обороты вращения ротора 2. Это усиливает магнитный поток генератора, и соответственно, повышает его эффективность или КПД. Двухполюсный магнитный экран 9, не дающий магнитным полям выйти за пределы статорной обмотки 5, также повышает концентрацию магнитных полей на статорной обмотке 5 и позволяет повысить эффективность генератора.
Кроме того, в процессе работы генератора происходит постоянное намагничивание его постоянных магнитов 6, 9, 14 электромагнитами. Магнитный экран 9 намагничивается за счет статорных сердечников 4 с обмоткой 5. Магниты 6 обмотки возбуждения 7 сами становятся электромагнитами во время работы. Постоянные магниты 14 ротора 2 намагничиваются роторными сердечниками 8 с обмоткой 13. Это увеличивает срок эксплуатации генератора (варианты) и повышает надежность постоянных магнитов.
Принцип работы заявляемого генератора, используемого в качестве привода других более мощных генераторов, тот же.
Заявляемая полезная модель (варианты) является малогабаритной энергетической установкой и может быть использована как в качестве автономных источников энергоснабжения для питания отдельно стоящих удаленных от линий электропередач зданий, объектов, поселков, коттеджей, дач, так и для привода действующих генераторов.