НИЗКООБОРОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании магнитоэлектрических генераторов тока для ветряных электростанций и микро ГЭС, в которых используется энергия низкоскоростных носителей, например, ветра, течений рек и устойчивых подводных течений со скоростями от 4-5 м/с.
Известен генератор тока, содержащий корпус с подшипниками, опирающимися на вал, дисковые магнитопроводы и аксиально намагниченные основные постоянные магниты с чередующейся полярностью, катушки обмоток статора, датчики положения ротора, блок управления, дополнительные ряды постоянных магнитов, размещенные между основными магнитами, причем, вал выполнен полым с отверстиями, с закрепленными на нем дисками электрических блоков статора, чередующихся с постоянными магнитами, а каждый электрический блок содержит диэлектрическое кольцо с отверстием, контактами и радиатор, в пазах которого установлены датчики положения ротора и обмотки, выполненные в виде квазикольцевых катушек, выводы которых присоединены к контактам диэлектрического кольца и объединены в фазовые секции, при этом постоянные магниты установлены в обоймах, соединены между собой с образованием корпуса и тороидальных зазоров, в пространстве которых размещены электрические блоки, причем, чередующиеся магнитные поля магнитов направлены навстречу друг другу, а выводы датчиков положения ротора подключены к контактам диэлектрического кольца и через отверстия этого кольца и полого вала подключены к управляющим входам блока управления, а фазовые секции катушек также подключены к контактам диэлектрического кольца, а в рядах электрических блоков соединены последовательно или параллельно или последовательно-параллельно и через отверстия диэлектрических колец и полого вала присоединены к нагрузке, а другими выводами - к силовым ключам блока управления [RU 2147155 C1, H02K 29/06, 04.12.1998].
К недостаткам данного устройства можно отнести наличие вращающихся катушек и скользящих токосъемников, что приводит к ухудшению энергетических характеристик генератора и снижению надежности.
Известен также магнитный генератор электрического тока, содержащий корпус, статор, включающий магнитную систему, магнитопроводы, катушки, и ротор, при этом, магнитные системы статора и ротора выполнены в виде магнитных блоков, каждый из которых состоит из ряда магнитов, размещенных с интервалами, размер которых не меньше размера магнита в направлении движения ротора, причем ориентация намагниченности каждого магнита осуществлена под углом, выбранным в диапазоне от +90 до -90° относительно направления движения ротора, с чередованием последовательности расположения полюсов от магнита к магниту, а катушки размещены на магнитопроводах, замыкающих полюса магнита статора. [RU 2147153 C1, H02R 21/04, H02K 21/14, H02K 21/24, 08.07.1998].
Это техническое решение имеет две магнитные системы с постоянными магнитами (на роторе и на статоре), а в интервале между ними размещены ферромагнитные магнитопроводы, причем, каждая катушка намотана на своем сердечнике, что приводит к неравномерному распределению магнитного потока, т.е. к снижению мощности, КПД и технологичности.
•
•
•
•
Кроме того, известна низкооборотная электрическая машина, содержащая кольцеобразный ряд обмоток статора на железных сердечниках из листов или прессованного порошка железа, и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, в частности, синхронная машина с постоянной намагниченностью для синусоидального напряжения, причем, обмотки выполнены сосредоточенными, сердечники с обмотками чередуются с железными сердечниками без обмоток так, что на каждом втором железном сердечнике имеется обмотка, число промежутков между сердечниками отличается от числа полюсов, при этом, число промежутков между сердечниками s и число полюсов p следует выражениям |s-p|=2m и s=12nm, где n и m - натуральные числа, причем машина рассчитана на трехфазное напряжение с последовательным соединением соседних катушек для получения m таких групп на фазу, которые могут быть соединены последовательно или параллельно [RU 2234788, С2, H02K 21/24, H02K 21/12, 25.05.2000].
Недостатком этой электрической машины является то, что образующиеся зазоры между отдельными сердечниками статора понижают КПД, мощность и ее технологичность.
Наиболее близким по технической сущности и функциональному назначению к заявленному, является устройство, содержащее кольцеобразный ряд обмоток статора и соответствующий кольцеобразный ряд постоянных магнитов ротора, причем, статор выполнен в виде тороидального магнитопровода, а ротор состоит из двух частей, первая из которых представляет собой вал с приваренными дисками, а вторая - диски с магнитами при ширине дисков равной длине магнитов, прикрепленных к дискам первой части, при этом, величина зазора между статором и магнитами ротора находится в интервале 0,1÷2,0 мм. [RU 71189, U1, H02K 21/24, H02K 23/04, 27.02.2008].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно большой момент страгивания, что снижает устойчивость его работы при непостоянном внешнем воздействии низкоскоростных носителей энергии. Кроме того, наиболее близкое техническое решение обладает относительно большой материалоемкостью, поскольку статор, в частности, выполнен в виде тороидального магнитопровода.
Требуемый технический результат заключается в повышении устойчивости работы генератора и снижении материалоемкости.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройстве, содержащем вал, статор, выполненный в виде магнитопровода и обмоток статора, которые по переменному току подключены к выпрямительному блоку, а также ротор, соединенный с валом устройства и выполненный в виде постоянных магнитов, магнитопровод выполнен в виде радиально ориентированных от оси устройства призматических стержней, набранных из полос электротехнической стали, а постоянные магниты ротора расположены последовательно по окружности вдоль торцов призматических стержней с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту, при этом, обмотки статора намотаны на удаленные от оси концы призматических стержней, а число призматических стержней на один меньше числа постоянных магнитов.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, призматические стержни выполнены с коэффициентом удлинения 3-20.
На чертеже представлены: фиг.1 функциональная схема низкооборотного генератор тока, на фиг.2 - принципиальная электрическая схема выпрямительного блока.
Низкооборотный генератор тока содержит вал 1 и ротор, выполненный в виде постоянных магнитов 2-1…2-n, которые расположены с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту, которые закрепляются на несущей конструкции (на чертеже не показана), соединенной с валом 1.
Кроме того, низкооборотный генератор тока содержит статор, который образован магнитопроводом, выполненным в виде радиально ориентированных от оси устройства призматических стержней 3-1…3-(n-1), набранных из полос электротехнической стали, и обмоток 4-1…4-(n-1), статора, которые намотаны на удаленные от оси 1 концы одноименных призматических стержней 3-1…3-(n-1), а по переменному току подключены к выпрямительному блоку (фиг.2).
Существенным для достижения требуемого технического результата является то, что число призматических стержней 3-1…3-(n-1) на один меньше, например 47, числа постоянных магнитов 2-1…2-n, например n=48, которые расположены последовательно по окружности вдоль торцов призматических стержней 3-1…3-(n-1) с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту.
Выпрямительный блок (фиг.2) содержит соединенные с соответствующей обмоткой статора 4-1…4-(n-1) выпрямительный мост 5-1…5-(n-1), дроссель 6-1…6-(n-1) и сглаживающий конденсатор 7-1…7-(n-1), причем, сглаживающие конденсаторы соединены последовательно между собой 7-1…7-(n-1).
Все элементы низкооборотного генератора тока являются стандартными устройствами электротехники.
Низкооборотный генератор тока работает следующим образом.
При вращении вала 1, который соединен с лопастями ветрогенератора или микро ГЭС, закрепленный на валу 1 ротор с магнитами также вращается и приводит к возникновению в обмотках 4-1…4-(n-1) статора переменного электрического тока, который выпрямляется в выпрямительном блоке и подается потребителю.
Примененное техническое решение, когда число стержней с обмотками на 1 меньше, чем число магнитов, дает многофазную систему электрических сигналов, которые при выпрямлении дают на выходе низкооборотного генератор тока практически постоянный выпрямленный ток.
Кроме того, такая многофазная магнито-механическая система образования силового момента дает на валу низкооборотного генератора тока практически постоянную моментную нагрузку без потенциальных ям, т.е. момент страгивания с места определяется только реальным разбросом фаз в пределах технологических допусков и, следовательно, намного меньше, чем у аналогов.
Проведем теоретическое обоснование его работы и подтверждение реализуемого эффекта по отношению к прототипу.
В электродинамике известна формула:
где  - магнитная проницаемость вакуума (мировая константа);
µ~7000-14000 безразмерная материаловедческая характеристика - магнитная проницаемость электротехнической стали.
В соответствии с формулой (1) магнитная индукция В на торце призматических стержней 3-1…3-(n-1) задает величину магнитной силы взаимодействия с постоянным магнитом - т.е. величину силового момента на валу 1. Напряженность магнитного поля H однозначно связана с ампервитками N*I обмоток 4-1…4-(n-1) статора и определяется по формуле:
В свою очередь, ампервитки N*I задают общий вес меди при заданном тепловом КПД обмоток.
Таким образом, качественно можно записать соотношение:
из которого следует, что магнитопровод статора работает тем эффективнее, чем больше магнитная проницаемость цепи µ.
Следует учесть, что, формула (1) получена при допущении, что, одномерное магнитное поле однородно.
В реальных коротких магнитных цепях с зазорами и с искривленными силовыми линиями, которые характерны для рассмотренных выше аналогов, определяющим является действие открытых размагничивающих полюсов Фарадея, в результате действия которых реальное отношение  составляет не 7000-14000 а лишь:
эфф
где µ - это интегральная характеристика не однородных полей - эффективная магнитная проницаемость магнитной цепи.
Таким образом, у аналогов низкооборотных генераторов тока эффективность действия магнитопроводов в плане экономии веса меди не высока.
эфф
В то же время, в магнетизме в теории размагничивающего фактора, известны образы магнитных цепей, у которых µ=10-30 и более - это удлиненные стержни с приблизительно однородным полем внутри.
Поэтому, применение в предложенном низкооборотном генераторе тока призматических стержней 3-1…3-(n-1) позволяет получить в итоге больший силовой момент на валу при меньшем весе и стоимости меди. Это наряду с созданием несимметричного отношения между числом магнитов и призматических стержней (число призматических стержней на один меньше) повышает устойчивость работы генератора и снижает его материалоемкость.