ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
ELECTRIC POWER GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и преимущественно может быть использовано в конструкциях синхронных электрогенераторов с постоянными магнитами.
Известны магнитоэлектрический генератор безредукторного ветроагрегата (SU 1737151 А1, 1992), электрическая машина (RU 2234788 С2, 2004), торцевая электрическая машина (RU 2246167 С1, 2005), плоскороторный электрогенератор (RU 2005125735 А, 2006), электрический генератор с постоянными магнитами (RU 2394336 С1, 2010) и электрический генератор с компенсацией сил магнитного удержания ротора (RU 2011107322 А, 2012), которые в общей для них части содержат, по меньшей мере, один статор, статорные обмотки с магнитопроводами, по меньшей мере, один плоский ротор и постоянные магниты, установленные на роторе с возможностью магнитного взаимодействия с магнитопроводами статора.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является магнитоэлектрический генератор, входящий в состав известного ветрогенератора (RU 2168062 С1, 2001). Указанный ближайший аналог содержит два статора в виде дисков, в которые вмонтированы магнитопроводы в виде шихтованных плоских колец из ферромагнитной ленты с обмотками на их торцевых частях, и дискообразный ротор с вмонтированными в него постоянными магнитами, который установлен на валу между статорами с обеспечением возможности магнитного взаимодействия постоянных магнитов с магнитопроводами и обмотками.
Вместе с тем недостатком ближайшего аналога, как и всех перечисленных выше аналогов, является недостаточно высокая энергетическая эффективность генераторов, обусловленная недостаточно рациональным выбором геометрических параметров магнитов по отношению к ширине зазора между ротором и статором.
Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности электрогенератора.
Поставленная задача решена согласно настоящему изобретению тем, что электрогенератор, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом, по меньшей мере, один статор, снабженный установленными на нем по окружности магнитопроводами с обмотками, и установленный на валу ротор в виде диска или кольца, обращенный одной стороной к статору и снабженный магнитными элементами, установленными на нем по окружности с возможностью магнитного взаимодействия с магнитопроводами статора, отличается от ближайшего аналога тем, что магнитопроводы статора выполнены П-образными и обращены своими полюсами, установленными радиально, к ротору, а каждый магнитный элемент выполнен в виде двух постоянных магнитов, обращенных разноименными полюсами, установленными радиально, к статору и соединенных магнитопроводом из магнитомягкого материала, причем размеры каждого магнита в направлении вращения ротора и по радиусу ротора выбраны равными (15-23)δ и (5-6)δ соответственно, где δ - размер зазора между полюсами магнитопроводов статора и обращенными к ним полюсами магнитов.
При наилучшем осуществлении настоящего изобретения электрогенератор снабжен вторым статором, установленным с другой стороны ротора, и на указанной стороне ротора установлены по окружности магнитные элементы, каждый из которых выполнен в виде двух постоянных магнитов, обращенных разноименными полюсами, установленными радиально, ко второму статору и соединенных магнитопроводом из магнитомягкого материала, причем размеры каждого магнита в направлении вращения ротора и по радиусу ротора выбраны равными (15-23)δ и (5-6)δ соответственно, где δ - размер зазора между полюсами магнитопроводов второго статора и обращенными к ним полюсами магнитов.
При этом размер каждого магнита в направлении намагниченности выбран равным (2,0-2,5)δ, где δ - размер зазора между полюсами магнитопроводов статора и обращенными к ним полюсами магнитов.
Толщина магнитопровода, соединяющего два постоянных магнита каждого магнитного элемента, выбрана равной (3-4)δ, где δ - размер зазора между полюсами магнитопроводов статора и обращенными к ним полюсами магнитов.
Выполнение магнитопроводов статора П-образными и размещение их своими полюсами, установленными радиально, к ротору, а также выполнение каждого магнитного элемента в виде двух постоянных магнитов, обращенных разноименными полюсами, установленными радиально, к статору и соединенных магнитопроводом из магнитомягкого материала, когда размеры каждого магнита в направлении вращения ротора и по радиусу ротора выбраны равными (15-23)δ и (5-6)δ соответственно, где δ - размер зазора между полюсами магнитопроводов статора и обращенными к ним полюсами магнитов, обеспечивает повышение энергетической эффективности электрогенератора, что подтверждается следующими соображениями.
При увеличении размеров магнитов в направлении вращения ротора и по радиусу ротора увеличивается площадь их полюсов, что приводит к возрастанию индукции магнитного поля в зазоре между полюсами магнитопроводов статора и обращенными к ним полюсами магнитов. В результате этого возрастает наводимая в обмотках статора электродвижущая сила. Вместе с тем авторами настоящего изобретения экспериментально установлено, что при дальнейшем увеличении площади полюса магнита за счет дальнейшего увеличения его размеров свыше указанных значений наблюдается уменьшение индукции магнитного поля.
Кроме того, известно, что при увеличении размера магнита в направлении намагниченности индукция магнитного поля в магните, а следовательно, и вне магнита возрастает и ограничена величиной остаточной индукции магнитного материала. Однако авторами настоящего изобретения было установлено, что в магнитной системе, образованной выполненными согласно настоящему изобретению магнитными элементами ротора и П-образными магнитопроводами статора, в зависимости от размера зазора между полюсами магнитопроводов статора и обращенными к ним полюсами магнитов значение магнитной индукции в П-образном магнитопроводе статора при увеличении размера магнита в направлении намагничивания, начиная с некоторого его значения, не только перестает увеличиваться, но и может начать уменьшаться. Было установлено, что максимальное значение магнитной индукции в П-образном магнитопроводе статора достигается в случае, когда размер каждого магнита в направлении намагниченности выбран равным (2,0-2,5)δ, где δ - размер зазора между полюсами магнитопроводов статора и обращенными к ним полюсами магнитов. Такой выбор размеров магнитов в направлении намагниченности способствует возрастанию наводимой в обмотках статора электродвижущей силы и поэтому также обеспечивает повышение энергетической эффективности электрогенератора.
Авторы настоящего изобретения также экспериментально установили, что в магнитной системе, образованной выполненными согласно настоящему изобретению магнитными элементами ротора и П-образными магнитопроводами статора, толщина магнитопровода, соединяющего два постоянных магнита каждого магнитного элемента, существенным образом влияет на величину магнитного потока, проходящего через обмотки статора, причем наибольшее значение этого магнитного потока обеспечивается при выборе толщины этого магнитопровода равной (3-4)δ, где δ - размер зазора между полюсами магнитопроводов статора и обращенными к ним полюсами магнитов. Такой выбор толщины магнитопровода, соединяющего два постоянных магнита каждого магнитного элемента, способствует возрастанию наводимой в обмотках статора электродвижущей силы и поэтому также обеспечивает повышение энергетической эффективности электрогенератора. При значении толщины магнитопровода, меньшем указанного диапазона, магнитный поток, проходящий через обмотки статора, существенно уменьшается, что связано с насыщением материала. При увеличении толщины магнитопровода за пределы указанного диапазона значений можно было бы ожидать постоянство магнитного потока, что не вызвало бы увеличения величины индуцируемой электродвижущей силы, но привело бы к неоправданному увеличению массы и момента инерции ротора. Однако эксперименты авторов настоящего изобретения показали, что при увеличении толщины магнитопровода за пределы указанного диапазона значений величина магнитного потока через обмотку статора также уменьшается.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящего изобретения благодаря наличию у заявляемого электрогенератора перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг.1 показан осевой разрез электрогенератора при наилучшем осуществлении настоящего изобретения, где 1 - первый статор, 2 - второй статор, 3 - вал, 4 - ротор, 5 - магнитопровод статора, 6 - обмотка, 7 - магнит и 8 - магнитопровод магнитов.
На фиг.2 показан вид В фиг.1 (увеличено), где 9 - полюс магнитопровода статора.
На фиг.3 показан вид Г слева фиг.1.
На фиг.4 показан разрез по А-А фиг.1.
На фиг.5 показан разрез по Б-Б фиг.1.
Электрогенератор при наилучшем осуществлении настоящего изобретения содержит первый и второй статоры 1 и 2, которые выполнены из немагнитного материала, например из алюминия или полимерного материала, в виде диска или кольца и установлены соосно, а также ротор 4 в виде диска или кольца, который выполнен из немагнитного материала, например из алюминия или полимерного материала, размещен между первым и вторым статорами 1 и 2 и закреплен на валу 3, установленном в подшипниках (на чертежах не обозначены) первого и второго статоров 1 и 2 с возможностью вращения. В случае использования электрогенератора в составе ветроколеса или гидротурбины снаружи на роторе 4 могут быть установлены соответствующие лопатки (на чертежах не показаны). В остальных случаях вращение вала 3 с ротором 4 обеспечивает привод (на чертежах не показан), присоединенный к валу 3.
Первый и второй статоры 1 и 2 снабжены П-образными магнитопроводами 5 статора из шихтованного магнитомягкого материала, которые размещены по окружности с радиальным расположением полюсов 9, обращенных к ротору 4, установлены своими полюсами 9 в выполненных в первом и втором статорах 1 и 2 отверстиях и снабжены обмотками 6. На двух сторонах ротора 4 расположены магнитные элементы (на чертежах не обозначены), установленные по окружности с возможностью магнитного взаимодействия с магнитопроводами 5 первого и второго статоров 1 и 2.
Каждый магнитный элемент ротора 4 выполнен в виде двух постоянных магнитов 7 из магнитотвердого материала системы NdFeB, обращенных разноименными полюсами, установленными радиально, к соответствующему первому статору 1 или второму статору 2 и соединенных магнитопроводом 8 магнитов из магнитомягкого материала, например из низкоуглеродистой стали. Размер L каждого магнита в направлении вращения ротора 4 (см. фиг.5) выбран равным (15-23)δ, а размер R каждого магнита 7 по радиусу ротора 4 выбран равным (5-6)δ, где δ - размер зазора между полюсами 9 магнитопроводов 5 первого или второго статоров 1 или 2 и обращенными к ним полюсами магнитов 7. Размер Н каждого магнита 7 в направлении намагниченности (см. фиг.2) выбран равным (2,0-2,5)δ, где δ - размер зазора между полюсами 9 магнитопроводов 5 первого или второго статоров 1 или 2 и обращенными к ним полюсами магнитов 7. Толщина h магнитопровода 8 магнитов (см. фиг.2) выбрана равной (3-4)δ, где δ - размер зазора между полюсами 9 магнитопроводов 5 первого или второго статоров 1 или 2 и обращенными к ним полюсами магнитов 7.
Так, например, в разработанном и испытанном авторами настоящего изобретения опытном образце электрогенератора указанные размеры имели следующие значения: δ=2 мм, L=42 мм, R=10 мм, Н=4 мм и h=6 мм.
Электрогенератор работает следующим образом.
Постоянные магниты 7 создают магнитные потоки, которые протекают через магнитопроводы 5 статора. В результате вращения ротора 4 относительно первого и второго статоров 1 и 2 магнитные потоки, протекающие в магнитопроводах 5 статора, становятся переменными и, пронизывая обмотки 6, наводят в последних электродвижущую силу.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает повышение энергетической эффективности электрогенератора.