Синхронный электрический генератор с многополюсной комбинированной магнитной системой с постоянными магнитами
SYNCHRONOUS ELECTRIC GENERATOR WITH MULTI-POLE COMBINED MAGNETIC SYSTEM WITH PERMANENT MAGNETS

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронным электрическим генераторам с постоянными магнитами, и посвящено изменению конструкции синхронных генераторов с целью повышения их энергоэффективности. Предлагаемые генераторы могут использоваться в ветрогенераторах, работающих в широких диапазонах изменения скоростей ветров.
Известен радиальный синхронный генератор (патент РФ №2558661), состоящий из ротора, имеющего вид кольца, выполненного из прочного немагнитного материала, на внутреннюю сторону которого закреплены ферромагнитные пластины, соединенные по торцам с треугольными магнитными полюсами и имеющие с противоположных сторон воздушные промежутки. Центры треугольных магнитных полюсов равноудалены друг от друга по внутренней окружности ротора. Поверх ферромагнитных пластин в радиальном направлении по окружности ротора параллельно установлены постоянные магниты с чередующейся полярностью, имеющие посреди треугольные магнитные полюса.
К недостаткам предложенной конструкции можно отнести: сложная конструкция катушек трапецеидального типа, полюса статора сделаны из немагнитного материала, что не позволяет эффективно использовать внутреннее пространство генератора, магнитное взаимодействие ротора и статора создает эффект «залипания», что увеличивает момент сопротивления вращению ротора.
Известна электрическая машина (патент РФ №137435), содержащая ротор с осью, диск ротора из диэлектрического материала с кольцеобразным рядом постоянных магнитов в форме призм, расположенных в радиальных плоскостях по окружности диска с зазором и одноименными полюсами навстречу друг другу, статор, размещенный внутри его на его ободе индуктор, несущий сердечники со статорными обмотками в виде двух одинаковых секций, отличающаяся тем, что в зазорах между встречно направленными полюсами постоянных магнитов размещены ферромагнитные вставки, концентрирующие магнитные потоки встречных полюсов, при этом сердечники выполнены П-образной формы и образуют с участками индуктора замкнутые магнитопроводы, а каждая из секций статорных обмоток размещена на боковых участках сердечников П-образной формы, секции каждой из статорных обмоток соединены между собой последовательно и согласно, а статорные обмотки, каждая из которых содержит по две одинаковые секции, могут быть путем последовательного и согласного соединения объединены в группы или все вместе для подключения нагрузки.
К недостаткам устройства следует отнести наличие тройного воздушного зазора в магнитопроводе - между ротором и статором, между магнитами и вставками, между секциями катушек с сердечниками, что ограничивает величину магнитного потока, и, соответственно, ограничивает электрическую мощность сигнала, генерируемого электрической машиной. Кроме этого, к недостаткам можно отнести то, что вектор намагниченности постоянных магнитов ориентирован вдоль направления движения магнитов, за счет чего приходится с помощью магнитной системы разворачивать магнитный поток поперек направления движения магнитов, а это уменьшает величину магнитного потока.
Известен электрический двигатель с магнитной сборкой Халбаха (патент US 7598646), содержащий две параллельно симметрично размещенные магнитные сборки Халбаха расположенные таким образом, что магнитное поле каждой сборки благодаря особому расположению элементов сборки смещено в зону, расположенную между магнитными сборками. В этой зоне находятся катушки, взаимодействующие с магнитным полем.
Недостатком предложенного технического решения является увеличение количества постоянных магнитов, необходимых для смещения магнитного поля, при этом поле смещается магнитной сборкой только в одну сторону.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является многополюсный тихоходный торцевой синхронный электрический генератор (патент РФ №2152118), содержащий ротор, выполненный в виде диска с системой возбуждения, состоящей из постоянных магнитов, закрепленных по его периферии, и статор с катушками, отличающийся тем, что статор выполнен из двух частей с кольцевыми магнитопроводами, расположенными соосно и параллельно друг другу, между которыми помещен диск ротора генератора, каждый магнитопровод на обращенных друг к другу сторонах имеет расположенные по окружности катушки обмотки статора, а постоянные магниты системы возбуждения установлены на диске с двух сторон симметрично одноименными полюсами навстречу друг другу и размещены по окружности через магнитопроводящие проставки, при этом магнитопроводы статора выполнены из ленточной электротехнической стали, а диск ротора выполнен из немагнитного материала, например алюминия, и имеет ребра жесткости, выполняющие функцию лопастей вентилятора.
Недостатками устройства является то, что вектор намагниченности постоянных магнитов параллелен направлению движения магнитов, для создания электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках магнитный поток приходится разворачивать, что приводит к дополнительным потерям, разброс величины намагниченности магнитов приводит к появлению дополнительного рассеяния магнитных поток в системе и вызывает повышение вибрации ротора. К недостаткам можно также отнести недостаточную эффективность использования постоянных магнитов.
Задачей предложенного технического решения является повышение энергоэффективности генератора с помощью построения многополюсной комбинированной магнитной системы с постоянными магнитами, за счет особого взаимного расположения постоянных магнитов и проставок из магнитомягкого материала, выталкивающих магнитное поле в стороны, где расположены катушки. За счет этого увеличивается индукция магнитного поля и увеличивается величина ЭДС, генерируемой на катушках. Катушки расположены симметрично с двух сторон от магнитных сборок, в каждой группе катушек индуцируется ЭДС, величина которой увеличивается за счет ее суммирования при последовательном включении двух катушек, расположенных с двух сторон магнитной сборки.
Поставленная задача решается тем, что в синхронный электрический генератор с многополюсной комбинированной магнитной системой с постоянными магнитами, содержащий ротор, выполненный в виде диска из немагнитного материала и магнитными секциями, закрепленными по его периферии по окружности и два статора, расположенных соосно и параллельно друг другу с двух сторон от ротора, при этом статоры состоят из ленточных магнитопроводов с катушками, расположенными в его пазах симметрично на сторонах, прилегающих к ротору, отличающийся тем, что с целью повышения энергоэффективности генератора магнитная система ротора представляет собой чередующиеся магнитные сборки, каждая из которых состоит четырех магнитов и двух Н-образных горизонтально размещенных проставок, выполненных из магнитомягкого материала, при этом все элементы расположены симметрично относительно центра магнитной сборки в следующем порядке считая слева направо: левая Н-образная вставка, в правом пазу которой размещен первый магнит, ось намагничивания которого тангенциальна и направлена вдоль направления движения ротора, второй и третий магниты, оси намагничивания которых радиальны и имеют встречное направление, четвертый магнит, установленный в левом пазу правой Н-образной проставки, при этом ось намагничивания четвертого магнита направлена навстречу оси намагниченности первого магнита.
На фиг. 1 изображен генератор в продольном разрезе, на фиг. 2 показана одна из нескольких магнитных сборок, расположенных на роторе, на фиг. 3 приведен внешний вид сверху ротора генератора, на фиг. 4 - распределение магнитных потоков в магнитной системе.
Генератор содержит корпус, состоящий из нижней 1 и верхней 2 части, внутри которого с помощью нижнего 3 и верхнего 4 подшипников размещен вал 5 ротора, на котором закреплен диск 6 из немагнитного материала. По окружности, по периметру диска ротора размещены магнитные сборки 7. С двух сторон от ротора параллельно друг другу и соосно расположены верхний и нижний статоры, между которых установлен ротор. Статоры состоят из магнитопроводов 8 и 9 с прорезями, в которых установлены катушки 10 и 11, электрическое соединение которых между собой образует обмотку статора, с которой снимается генерируемая ЭДС.
Чередующиеся магнитные сборки 7 расположены по окружности по периметру диска ротора. Каждая из магнитных сборок представляет собой конструкцию из четырех магнитов и двух Н-образных горизонтально размещенных проставок, выполненных из магнитомягкого материала, при этом все элементы расположены симметрично относительно центра магнитной сборки в следующем порядке считая слева направо: левая Н-образная вставка 12, в правом пазу которой размещен первый магнит 13, ось намагничивания которого тангенциальна и направлена вдоль направления движения ротора, второй 14 и третий 15 магниты, оси намагничивания которых радиальны, имеют встречное направление, четвертый магнит 16, ось намагничивания которого направлена навстречу оси намагниченности первого магнита, установленный в левом пазу правой Н-образной проставки 17.
Генератор работает следующим образом: ветрогенератор передает вращательное движение на ротор генератора, при этом магнитное поле, создаваемое магнитными сборками, пересекает витки катушек обмоток, тем самым индуцируя в них переменную ЭДС. Катушки электрически могут быть соединены несколькими способами, генерируя переменное напряжение, которое после преобразования подается в нагрузку.
Предложенное техническое решение повышает энергоэффективность генератора за счет построения многополюсной комбинированной магнитной системы с постоянными магнитами таким образом, что особое взаимное расположение постоянных магнитов и проставок из магнитомягкого материала выталкивает магнитное поле в стороны, где расположены катушки, что приводит к повышению величины магнитной индукции в воздушном зазоре. За счет этого увеличивается величина ЭДС, генерируемой на катушках. Катушки расположены симметрично с двух сторон от магнитных сборок, в каждой группе катушек индуцируется ЭДС, величина которой увеличивается за счет ее суммирования при последовательном включении двух катушек, расположенных с двух сторон магнитной сборки.