ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к области ветроэнергетики, а именно к электрическим генераторам для ветроэнергетических установок, предназначенным для заряда аккумуляторной батареи и электропитания различных потребителей.
Ветроэнергетические установки преобразуют кинетическую энергию ветрового потока в другие виды энергии, и используются в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве в качестве автономного источника энергии. Как правило, такая установка содержит мачту, установленный на мачте, ветроколесо, закрепленное на валу, поворотное устройство для ориентирования на ветер, а также электрический генератор, содержащий статор и ротор. Так как ветровая нагрузка на ветроколесо имеет динамический неустановившийся характер, то электрический генератор постоянно работает в неравномерном режиме, приводящем к различному тепловому нагружению отдельных узлов этого генератора.
Например, известны применяемые в ветроэнергетических установках двигатели, например, серий AO 4A, АИР (Асинхронные двигатели серии 4A. Справочник. М. Энергоатомиздат, 1982, с. 502), охлаждение которых осуществляется по принципу машины с внутренней самовентиляцией. В такой конструкции машины вентилятор закреплен на валу вместе с ротором и вращение последнего приводит во вращение вентилятор.
Воздух, нагнетаемый вентилятором, обдувает статор и ротор, охлаждая их поверхности. Подобная конструкция охлаждения машины обеспечивает снижение средней температуры машины, но в связи с тем, что вентилятор установлен только с одного торца машины, в основных частях машины (магнитопровод и обмотка статора, ротор) возникают градиенты температуры, что приводит к перегреву основных частей машины в отдельных точках.
Кроме того, при использовании двигателей общепромышленного исполнения самой нагретой областью являются лобовые части обмоток. Охлаждение этих нагретых областей происходит за счет конвективного теплообмена между обмотками двигателя и движущимся относительно их в аксиальном направлении и по образующей окружности воздухом, нагнетаемым вентилятором.
В случае использования асинхронного двигателя с массивным ротором, когда самой нагретой областью (ротором) и воздухом незначителен, так как вентилятор, насаженный на вал ротора, и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью. Из-за разной температуры основных узлов машины (ротор обмотка и магнитопровод статора) в аксиальном направлении возникают градиенты температуры, что отрицательно сказывается на электромагнитных нагрузках и, как следствие, ухудшаются рабочие и энергетические характеристики машины.
Часто в практике с учетом условий компановки встречаются одно- и двухстаторные торцовые (плоские) двигатели (к примеру, двигатели серии АДПО, (Игнатов В.А. Вильданов К.Я. Торцовые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления, М. Энергоатомиздат, 1988, стр. 301), принято за прототип. В таких двигателях на валу со стороны нерабочих торцовых поверхностей статоров расположены два вентилятора охлаждения. Вращаясь, они нагнетают с двух сторон воздух.
При такой конструкции двигателя хладагент проходит в полом пространстве статора (между внутренним диаметром статора и валом), в котором и вращается вал двигателя, и через вентиляционные отверстия в роторе. Применение такой конструкции охлаждения, в том числе и в двигателе с массивным ротором-диском, позволяет снизить среднюю температуру основных частей машины. В то же время подобная конструкция имеет ряд недостатков.
При выполнении двигателя в двухстаторном варианте, когда вращение на общий вал передается от двух роторов, необходимо, чтобы эти роторы вращались синхронно. В связи с тем, что из-за некоторых конструктивных или технологических допусков роторы могут иметь разные температуры, оказывающие влияние на их теплотехнические параметры и, как следствие, на их электромагнитные параметры и, как следствие, на режим работы каждой пары статор-ротор, угловые скорости вращения роторов могут отличаться, что крайне недопустимо, т.е. кроме обеспечения чисто механической инвариантности двух пар статор-ротор указанная конструкция не обеспечивает равенство температур роторов-дисков.
Кроме того, не предусмотрены конструктивные решения, позволяющие снизить среднюю температуру роторов и обеспечить равномерность их нагрева, что, в конечном итоге, должно привести к увеличению жесткости механической характеристики из-за понижения активного сопротивления ротора-диска. Расположение в одном двигателе двух вентиляторов приводит к повышению массогабаритных и стоимостных показателей машины и к увеличению механических потерь (потери на вентиляцию).
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении габаритов, массы и стоимости электрического генератора и расширении рабочего диапазона скоростей ветра, начиная от 2,0 м/с, что приводит к уменьшению разброса теплового нагружения отдельных узлов генератора.
Указанный технический результат достигается тем, что электрический генератор для ветроэнергетической установки содержит внешний из шихтованного магнитопровода и внутренний статоры, последний из которых размещен внутри наружного и концентрически установлен по отношению к наружному статору, а так же размещенный в зазоре между статорами кольцевой ротор, при этом на внешнем статоре полюса из анизотропной электротехнической стали с высоким коэффициентом магнитной проницаемости, имеющие косоугольную форму, выполнены явнополюсными и в них уложена трехфазная обмотка из меди, обмотка ротора выполнена короткозамкнутой и уложена в пазы магнитопровода с высокой магнитной проводимостью, внутренний статор служит магнитопроводом поля внешнего статора, а немагнитный зазор между внешним статором и ротором и ротором и внутренним статором составляет 3 мм.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - представлен поперечный разрез электрической машины, применяемой в качестве генератора ветроэнергетической установки.
В рамках настоящей полезной модели рассматривается конструкция генератора, в конструкции ротора которого снижена масса, поэтому момент инерции и статический моменты в результате чего снижаются и улучшаются кинетические параметры, устойчивость к вибрациям и температурным перепадам за счет двухстороннего продольно поперечного охлаждения ротора (фиг. 1).
Согласно полезной модели генератор имеет внешний и внутренний статоры, последний из которых размещен внутри наружного и концентрически установлен по отношению к наружному статору, а так же размещенный в зазоре между статорами кольцевой ротор.
Внешний статор 1 выполнен из шихтованного магнитопровода с высоким коэффициентом магнитной проницаемости в соответствии с ГОСТ 21427.1-83. Обмотки 2 из меди выполнены с большим числом витков (w=300), которые создают намагничивающую силу, вследствие этого она является машиной электрического возбуждения. На внешнем статоре 1 полюса 3 выполнены явнополюсными, в которых уложена трехфазная обмотка 2. Полюс 3 выполнен из анизотропной электротехнической стали по ГОСТ 21427.1-83 и имеет косоугольную форму, обеспечивая при этом малый пусковой момент. Обмотка 4 ротора 5 короткозамкнутая алюминиевая, которая уложена в пазы магнитопровода с высокой магнитной проводимостью по ГОСТ 21427.2-83 для создания требуемой интенсивности магнитного поля с низким потоком возбуждения. Внутренний статор 6 служит магнитопроводом поля внешнего статора ГОСТ 21427.1-83. Немагнитный зазор между внешним статором и ротором и ротором и внутренним статором составляет 3 мм.
Таким образом, за счет конструктивных особенностей исполнения двухстаторной машины обеспечивается возможность повысить устойчивость к вибрациям и температурным перепадам за счет двухстороннего продольно поперечного охлаждения ротора.
Настоящая полезная модель промышленно применима, может быть реализована с применением известных технологий, используемых при производстве электрических машин.