БЕЗВАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР
SHAFTLESS GENERATOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к генератору электроэнергии, в котором для получения электрической мощности используется механическая энергия.
Уровень техники
Традиционные генераторы содержат ротор, установленный на валу, который может вращаться вокруг своей продольной оси, статор и магниты (постоянные или электромагниты), расположенные либо на роторе, либо на статоре. При вращении ротора в магнитном поле возникает электрический ток в якоре, который может располагаться либо на роторе, либо на статоре. Подобным машинам свойствен ряд недостатков, в числе которых можно назвать потери энергии на трение движущихся частей.
Еще один недостаток состоит в зависимости от органического топлива или импульсных источников подводимой энергии для создания крутящего момента. Предпринимались попытки решения этой проблемы путем использования силы магнитного поля для получения движущей силы, а также были сконструированы машин, обеспечивающие вращение с использованием магнитного потока. Существуют такие машины, как магнитные двигатели, преобразующие движущую силу в механическое движение. Принцип действия такого магнитного двигателя основан на использовании (по меньшей мере, частичном) энергии отталкивающих магнитов, устанавливаемых на роторной и статорной частях двигателя, для создания вращения этого последнего. Механическую мощность на валу ротора можно либо использовать без ее последующего преобразования, то есть магнитный двигатель может быть использован в качестве механического привода, либо преобразовать ее в электрическую мощность посредством передачи механической мощности двигателя в электромагнитный генератор. Такие машины описаны, в частности, в документах WO 2006/045333 (Brady), EP 0256132 B1 (Minato) и GB 2282708 B (Adams). В машине, раскрытой в документе WO 2006/045333, для создания вращения используют постоянные магниты, а в машине по документу GB 2282708 - комбинацию из электромагнитов и постоянных магнитов. Что касается документа EP 0256132 B1, то в нем для создания вращения использованы постоянные магниты, а для торможения - электромагниты. Хотя подобные машины и позволяют получить более «чистую» мощность, их конструкция довольно сложна.
Целью настоящего изобретения является разработка генератора с большей полезной мощностью, менее сложной конструкцией, меньшим суммарным весом и меньшей склонностью к износу и амортизации по сравнению с известными машинами.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом изобретения, предложен генератор, содержащий:
статор;
ротор, имеющий ось вращения;
источник крутящего момента для создания вращения ротора вокруг статора;
первую группу из одного или более магнитов, предусмотренных на статоре;
вторую группу из одного или более магнитов, предусмотренных на роторе;
причем одноименные полюсы магнитов первой и второй групп обращены друг к другу, а магниты первой и второй групп расположены, соответственно, на статоре и роторе, так что во время вращения происходит магнитная левитация ротора относительно статора под действием магнитов первой и второй групп; и
причем в пространстве между статором и ротором расположен электрический проводник, так что в проводнике при вращении ротора индуцируется электрический ток.
В соответствии с настоящим изобретением, во время эксплуатации ротор оказывается подвешенным относительно статора исключительно благодаря отталкиванию магнитов первой и второй групп, вследствие чего ротор левитируется магнитами первой и второй групп, при этом для удержания ротора подвешенным во время вращения ротора не требуется никакой иной поддержки, кроме силы магнитного поля. Таким образом, магниты на роторе и на статоре служат радиальной магнитной опорой ротора, так что для обеспечения установки ротора с возможностью поворота относительно статора этому ротору не нужен вал.
Предпочтительно, ротор имеет, по существу, кольцевую форму.
Предпочтительно, электрический проводник представляет собой электропроводящую катушку.
Предпочтительно, катушка расположена вокруг ротора таким образом, чтобы ротор левитировал относительно катушки, а также относительно статора.
Предпочтительно, катушка была намотана вокруг ротора. Предпочтительно, при эксплуатации ротор вращается внутри катушки.
Предпочтительно, катушка содержит по меньшей мере одну обмотку, более предпочтительно - множество обмоток.
Предпочтительно, катушка была намотана вокруг ротора, в общем, в тороидальной конфигурации, так что ротор образует сердечник катушки. Такое размещение катушки было бы невозможным при работе с ротором, установленным на валу. Благодаря такому размещению катушки удается добиться более эффективного индуцирования тока.
Следует иметь в виду, что термин «тороидальная конфигурация» должен пониматься в широком смысле, включая полностью или частично тороидальную общую форму, в том числе варианты с единственной обмоткой, а также с множеством обмоток. Следует также понимать, что под термином «обмотка» может подразумеваться как вся обмотка целиком, так и часть обмотки.
Катушка может быть закреплена на статоре или на какой-либо конструкции, наружной по отношению к статору.
Благодаря кольцевой форме ротора облегчается процесс магнитной левитации ротора под действием магнитов статора и ротора во время вращения ротора, а также размещение катушки в пространстве между статором и ротором.
Предпочтительно, кольцо содержит кольцевую полосу, ограничивающую центральное отверстие. Предпочтительно, ширина полосы (то есть разность между наружным радиусом кольцевой полосы и радиусом центрального отверстия) меньше радиуса центрального отверстия, более предпочтительно по меньшей мере в два или более раз меньше радиуса центрального отверстия.
Магниты первой и второй групп могут быть постоянными магнитами, например, но не ограничиваясь этим, неодимовые (Nd-Fe-B) или самариево-кобальтовые (Sm-Co) магниты. Первая группа магнитов может состоять из электромагнитов.
Магниты первой и/или второй группы, предпочтительно, электрически изолированы от, соответственно, статора и ротора для предотвращения распространения вихревых токов от магнитов в материал статора и/или ротора.
Ротор и/или статор может быть изготовлен из немагнитного материала.
Предпочтительно, в пространстве между ротором и статором предусмотрен зазор, образованный между статором и ротором, при этом магниты первой и второй групп расположены, соответственно, на статоре и на роторе с возможностью создания в этом зазоре поля, радиального (по отношению к оси вращения ротора) магнитного потока.
В одной из предпочтительных конфигураций, магнит или каждый магнит первой группы расположен на ориентированной, по существу, радиально (по отношению к оси вращения ротора) поверхности статора, обращенной к зазору. Ориентированная, по существу, радиально поверхность статора, обращенная к зазору, может представлять собой поверхность, обращенную радиально внутрь. Предпочтительно, магнит или каждый магнит второй группы расположен на ориентированной, по существу, радиально (по отношению к оси вращения ротора) поверхности ротора, обращенной к зазору. Ориентированная, по существу, радиально поверхность ротора, обращенная к зазору, может представлять собой поверхность, обращенную радиально наружу.
В одной из предпочтительных конфигураций, первая группа включает в себя ряд магнитов. Предпочтительно, магниты первой группы разнесены по окружности вокруг радиально ориентированной поверхности статора, обращенной к зазору. Вторая группа, предпочтительно, включает в себя ряд магнитов. Предпочтительно, магниты второй группы разнесены по окружности вокруг радиально ориентированной поверхности ротора, обращенной к зазору.
В одной из предпочтительных конфигураций, статор окружает ротор.
Предпочтительно, генератор содержит стабилизирующее устройство для предотвращения линейного смещения ротора во время вращения, включая осевое и радиальное смещение (по отношению к оси вращения ротора). Стабилизирующее устройство может быть предусмотрено на статоре. Стабилизирующее устройство может включать в себя один или более ограничительных элементов. Ограничительные элементы могут быть предусмотрены по наружной окружности ротора для предотвращения радиального смещения ротора. Ограничительные элементы могут быть предусмотрены на аксиально противоположных сторонах ротора для предотвращения осевого смещения. Катушка, предпочтительно, выполнена с возможностью действовать как дополнительное или альтернативное стабилизирующее устройство. Катушка, намотанная вокруг ротора в тороидальной конфигурации, обеспечивает эффективное стабилизирующее устройство.
Предпочтительно, катушка выполнена с возможностью соединения с потребительской электрической цепью, которая может включать в себя трансформатор или распределительное устройство.
Ротор и статор могут быть помещены в защитный кожух. В качестве защитного кожуха может быть использована вакуумная оболочка для подавления или сведения к минимуму сопротивления воздуха во время вращения ротора.
Предпочтительно, ось вращения ротора, по существу, горизонтальна.
Предпочтительно, генератор содержал приводное устройство для инициирования и завершения вращения и левитации ротора. В соответствии с одним из вариантов осуществления, приводное устройство, предпочтительно, выполнено с возможностью приводить ротор и/или статор во взаимодействие друг с другом для обеспечения возможности вращения и левитации ротора и выводить их из взаимодействия для прекращения вращения и левитации ротора. Альтернативно или дополнительно, магнит или каждый магнит первой и/или второй групп может быть расположен с возможностью перемещения, соответственно, на статоре и роторе для создания или ликвидации магнитного потока, требуемого для левитации ротора.
Таким образом, единственной движущейся рабочей частью магнитного генератора согласно изобретению является ротор. Кроме того, ротор выполнен безвальным, что позволяет свести к минимуму количество компонентов генератора, благодаря чему уменьшаются вес, сложность, износ, амортизация и общие затраты на изготовление и техобслуживание предлагаемого генератора. Благодаря своей кольцевой форме ротор оказывается более легким и менее громоздким по сравнению с известными роторами, устанавливаемыми на валу, что еще более способствует снижению его суммарного веса и производственных затрат.
Благодаря тому, что в соответствии с настоящим изобретением отсутствует необходимость в наличии вала, отпадает надобность и в подшипниках для его поддержки, а также не возникает проблем, связанных с энергопотерями на трение. Кроме того, отсутствие трения способствует снижению нагрева, вследствие чего предотвращается размагничивание магнитов.
Отсутствие вала ведет к упрощению, уменьшению числа компонентов, снижению вероятности износа и амортизации, а также себестоимости. Таким образом, изобретение позволяет получить эффективный и надежный, но в то же время простой, портативный и относительно недорогой генератор.
Генератор согласно настоящему изобретению можно без труда установить там, где необходима генерация электроэнергии по месту эксплуатации. Предлагаемый генератор можно использовать как на поверхности земли, так и на транспортных средствах - как наземных, так и морских. Генератор согласно изобретению может быть использован в качестве резервной системы в случае отказа источника сетевого питания или даже в сочетании с зависящими от погоды средствами генерации энергии (например, ветровыми или солнечными генераторами). Специалисты в данной области техники легко могут представить себе и многие иные ситуации возможного применения предлагаемого генератора в промышленности и в домашнем хозяйстве.
В соответствии с одним из технических решений, источник крутящего момента для создания вращения ротора вокруг статора содержит магниты первой и второй групп, причем одноименные полюсы магнитов первой и второй групп обращены друг к другу, так что отталкивание между магнитами первой и второй групп вызывает вращение ротора вокруг статора.
В одной из конфигураций источник крутящего момента для создания вращения ротора вокруг статора содержит электромагниты, предусмотренные на статоре и, предпочтительно, соединенные с источником переменного тока для подачи питания на электромагниты.
Источник крутящего момента для создания вращения ротора может содержать комбинацию электромагнитов, предусмотренных на статоре, и постоянных магнитов первой и второй групп. Электромагниты, предпочтительно, соединены с источником переменного тока для подачи питания на электромагниты. Эти электромагниты можно использовать для обеспечения начального крутящего момента, торможения, а также управления и корректировки вращения и/или левитации ротора.
Для получения источника крутящего момента можно также применить иные средства, например, механические источники, и в частности, турбину или двигатель внутреннего сгорания.
В соответствии со вторым аспектом изобретения, предложен способ генерации электричества, включающий в себя следующие шаги:
(a) обеспечивают генератор, содержащий:
статор;
ротор, имеющий ось вращения;
первую группу из одного или более магнитов, предусмотренных на статоре;
вторую группу из одного или более магнитов, предусмотренных на роторе;
причем одноименные полюсы магнитов первой и второй групп обращены друг к другу, а магниты первой и второй групп расположены, соответственно, на статоре и роторе, так что во время вращения происходит магнитная левитация ротора относительно статора под действием магнитов первой и второй групп;
причем в пространстве между статором и ротором помещен электрический проводник, так что в проводнике при вращении ротора индуцируется электрический ток; при этом ротор имеет, по существу, кольцевую форму, а электрический проводник представляет собой электропроводящую катушку, намотанную вокруг ротора; при этом ротор выполнен безвальным;
(b) прикладывают к ротору крутящий момент для создания вращения ротора вокруг статора и подвешивают ротор относительно статора с использованием исключительно отталкивания магнитов первой и второй групп, вследствие чего для удержания ротора подвешенным во время вращения ротора не требуется никакой иной поддержки, кроме силы магнитного поля.
Способ может включать в себя создание вращения ротора вокруг статора под действием магнитов первой и второй групп, причем одноименные полюсы магнитов первой и второй групп обращены друг к другу, так что отталкивание между магнитами первой и второй групп вызывает вращение ротора вокруг статора.
Способ может включать в себя обеспечение на статоре электромагнитов, соединяемых с источником тока, и создание вращения ротора вокруг статора посредством подачи питания на электромагниты.
Способ может включать в себя создание вращения ротора вокруг статора благодаря использованию комбинации электромагнитов на статоре, соединенных с источником тока для подачи питания на электромагниты, и постоянных магнитов первой и второй групп. Электромагниты можно использовать для создания начального крутящего момента, торможения, а также управления и корректировки вращения и/или левитации ротора.
Все существенные, предпочтительные или опциональные признаки первого аспекта настоящего изобретения могут быть обеспечены в сочетании со вторым аспектом настоящего изобретения, и наоборот.
Подробное раскрытие изобретения
Ниже раскрываются вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенные исключительно в качестве примеров со ссылками на приложенные чертежи, где:
фиг. 1 представляет собой схематический частичный разрез в аксонометрии, иллюстрирующий генератор согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 представляет собой схематический вид в аксонометрии, иллюстрирующий катушку, намотанную вокруг ротора генератора по фиг. 1;
фиг. 3 представляет собой схематический вид в аксонометрии, иллюстрирующий ротор по фиг. 1 и 2.
На фиг. 1-3 генератор согласно изобретению в целом обозначен позицией 1. Этот генератор 1 имеет статор 3, в котором находится ротор 5 кольцевой формы. Ротор 5 имеет, по существу, горизонтальную ось вращения 7. На статоре 3 предусмотрена первая группа магнитов 9 (они показаны пунктиром), а на роторе 5 - вторая группа магнитов 11. В качестве магнитов 9, 11 могут использоваться постоянные магниты, например, неодимовые (Nd-Fe-B) или самариево-кобальтовые (Sm-Co). Магниты 9 первой группы могут представлять собой электромагниты.
В пространстве между статором 3 и ротором 5 предусмотрен зазор 15, образованный между поверхностью статора 3 (позицией не обозначена), обращенной радиально внутрь (по отношению к оси 7 вращения ротора 5) и поверхностью 17 ротора 5, обращенной наружу (по отношению к оси 7 вращения ротора 5). Кроме того, магниты 9 статора разнесены по окружности вокруг обращенной внутрь поверхности статора 9, так что они обращены к зазору 15. Магниты 11 ротора тоже разнесены по окружности вокруг обращенной наружу поверхности 17 ротора и тоже обращены к зазору 15. Таким образом, магниты 9, 11 первой и второй групп расположены, соответственно, на статоре 3 и на роторе 5 с формированием при этом поля радиального (по отношению к оси 7 вращения ротора 5) магнитного потока в зазоре 15. Магниты 9, 11 предусмотрены, соответственно, на статоре 3 и на роторе 5, при этом одноименные полюсы магнитов 9, 11 обращены друг к другу (то есть магниты 9 и магниты 11 отталкивают друг друга вокруг полных окружностей статора 3 и ротора 5). Поле радиального магнитного потока, создаваемое в зазоре 15 отталкивающимися одноименными полюсами магнитов 9, 11, способствует магнитной левитации ротора 5 при его вращении в статоре 3. Эта левитация облегчается благодаря кольцевой форме ротора 5.
В пространстве между статором 3 и ротором 5 помещен электрический проводник в виде электропроводящей катушки 19, вследствие чего в этой катушке 19 при вращении ротора 5 индуцируется электрический ток. В соответствии с рассматриваемым здесь вариантом осуществления, катушка 19 включает в себя ряд обмоток и намотана вокруг ротора 5 в тороидальной конфигурации, при этом ротор 5 образует сердечник катушки 19, вращающийся в процессе работы внутри этой катушки.
Ротор 5 левитирует в статоре 3 исключительно благодаря отталкиванию магнитов 9, 11, так что для удержания ротора 5 подвешенным во время вращения ротора 5 не требуется никакой иной поддержки.
Кольцевой ротор 5 имеет кольцевую полосу 51, ограничивающую центральное отверстие 53. Ширина W полосы 51 (те разность между наружным радиусом RB кольцевой полосы 51 и радиусом RO центрального отверстия 53) в два или более раз меньше радиуса RO центрального отверстия 53, благодаря чему облегчаются левитация ротора 5 и размещение катушки 19 в пространстве между статором 3 и ротором 5.
В состав генератора 1 входит стабилизирующее устройство для предотвращения линейного смещения ротора 5 во время вращения, включая осевое и радиальное смещение (по отношению к оси 7 вращения ротора 5). Это стабилизирующее устройство включает в себя ряд ограничительных элементов 21, предусмотренных по наружной окружности ротора 5 для предотвращения радиального смещения ротора 5. Хотя они на чертежах не показаны, можно предусмотреть дополнительные ограничительные элементы на аксиально противоположных сторонах 23, 25 ротора 5 для предотвращения осевого смещения ротора 5. Тороидальная катушка 19, намотанная вокруг ротора 5, также действует как дополнительное или альтернативное стабилизирующее устройство.
Хотя это и не показано на чертежах, катушка 19 может быть закреплена на статоре 3 или на другой конструкции, наружной по отношению к статору 3.
Хотя это и не показано на чертежах, магниты 9, 11 выполнены, предпочтительно, электрически изолированными от, соответственно, статора 3 и/или ротора 5 для предотвращения распространения вихревых токов, протекающих через магниты 9, 11, в материал статора 3 и/или ротора 5.
Ротор 5 и/или статор 3 изготовлены, предпочтительно, из немагнитного материала.
Хотя это и не показано на чертежах, катушка 19 выполнена с возможностью соединения с потребительской электрической цепью, которая может включать в себя трансформатор или распределительное устройство.
Хотя это и не показано на чертежах, ротор 5 и статор 3 могут быть помещены в защитный кожух. В качестве защитного кожуха может быть использована вакуумная оболочка для подавления или сведения к минимуму сопротивления воздуха во время вращения ротора 5.
Хотя это и не показано на чертежах, генератор 1 может содержать приводное устройство для инициирования и завершения вращения и/или левитации ротора 5. Приводное устройство может быть выполнено с возможностью приводить ротор 5 и/или статор 3 во взаимодействие друг с другом для обеспечения возможности вращения и левитации ротора 5 и выводить их из взаимодействия для прекращения вращения и левитации ротора 5. Альтернативно или дополнительно, магнит или каждый магнит 9, 11 может быть расположен с возможностью перемещения, соответственно, на статоре 3 и/или на роторе 5 для создания или ликвидации магнитного потока, требуемого для левитации ротора 5.
Благодаря наличию ротора 5, а также кольцевой форме и левитации ротора 5 во время вращения, ротор 5 оказывается единственной движущейся рабочей частью магнитного генератора 1 согласно изобретению. Ротор 5 выполнен безвальным, что позволяет существенно уменьшить количество компонентов генератора 1 по сравнению с известными из уровня техники генераторами с ротором, устанавливаемым на валу. В результате уменьшаются вес, сложность, износ, амортизация и общие затраты на изготовление и техобслуживание генератора 1 согласно изобретению. Благодаря кольцевой форме ротора он оказывается более легким и менее громоздким по сравнению с известными роторами, устанавливаемыми на валу, что еще более способствует снижению его суммарного веса и производственных затрат. Поскольку в соответствии с настоящим изобретением устранена необходимость в наличии вала, отпадает надобность и в подшипниках для его поддержки, а также не возникает проблем, связанных с энергопотерями на трение. Отсутствие трения способствует также снижению нагрева генератора 1, вследствие чего предотвращается размагничивание магнитов 9, 11.
Отсутствие вала ведет к упрощению, уменьшению числа компонентов, снижению износа и амортизации, а также себестоимости. Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить эффективный и надежный, но в то же время простой, портативный и относительно недорогой магнитный генератор 1.
В одной из конфигураций, вращение ротора 5 вокруг статора 3 может быть создано благодаря постоянным магнитам первой и второй групп, при этом отталкивание между обращенными друг к другу одноименными магнитными полюсами постоянных магнитов вызывает вращение ротора 5 вокруг статора 3.
В одной из конфигураций, электромагниты, входящие в состав первой группы магнитов 9 на статоре 3, могут образовывать источник крутящего момента для создания вращения ротора 5. Электромагниты могут быть соединены с источником переменного тока (не показан) для подачи питания на электромагниты.
В другой конфигурации, источник крутящего момента для создания вращения ротора 5 содержит комбинацию электромагнитов на статоре 3 и постоянных магнитов первой и второй групп. Электромагниты могут быть соединены с источником переменного тока для подачи питания на электромагниты. Эти электромагниты можно использовать для обеспечения начального крутящего момента, торможения, а также управления и корректировки вращения и/или левитации ротора 5.
Хотя выше описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что возможны модификации в рамках объема охраны, определяемого нижеследующей формулой изобретения.