Аксиальный трехвходовый бесконтактный ветро-солнечный генератор
AXIAL THREE-INPUT NON-CONTACT WIND-SOLAR GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя механической энергии вращения (например, кинетической энергии ветра, преобразованной ветроколесом в механическую энергию вращения), подаваемой на два механических входа машины, и электрической энергии постоянного тока (например, световой энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электроэнергию постоянного тока), одновременно подаваемой на ее электрический вход, в суммарную электрическую энергию постоянного тока.
Известен аксиальный двухвходовый бесконтактный ветро-солнечный генератор (пат. РФ №2561504, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М. и др.), содержащий корпус, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу, закрепленном в корпусе в подшипниковых узлах, при этом возбудитель состоит из индуктора возбудителя и аксиального магнитопровода с обмоткой якоря возбудителя, основной генератор состоит из бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена обмотка якоря основного генератора, и внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны бокового аксиального магнитопровода уложена обмотка возбуждения основного генератора, причем боковой аксиальный магнитопровод с одной активной торцовой поверхностью жестко установлен в корпусе, а внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями установлен посредством диска на валу с возможностью вращения относительно бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью. Индуктор возбудителя в известном генераторе выполнен из постоянного многополюсного магнита и однофазной дополнительной обмотки возбуждения возбудителя, причем постоянный многополюсный магнит индуктора возбудителя выполнен с пазами, многосекционным, неподвижным и жестко установлен в корпусе, а однофазная дополнительная обмотка возбуждения возбудителя уложена в пазы между секциями постоянного многополюсного магнита индуктора возбудителя и подключена к источнику постоянного тока, при этом внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами установлен в корпусе между постоянным многополюсным магнитом индуктора возбудителя с дополнительной обмоткой возбуждения возбудителя и боковым аксиальным магнитопроводом с одной активной торцовой поверхностью с возможностью вращения относительно постоянного многополюсного магнита индуктора возбудителя с дополнительной обмоткой возбуждения возбудителя.
Генерируемое в известном аксиальном двухвходовом ветро-солнечном генераторе за счет преобразования механической энергии вращения напряжение пропорционально скорости вращения ротора относительно неподвижного корпуса:
1
где С - конструктивный коэффициент, w - скорость вращения ротора относительно неподвижного корпуса, прямо пропорциональная продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока; Ф - магнитный поток возбуждения. При малой продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока известный аксиальный двухвходовый ветро-солнечный генератор не выходит на свою номинальную мощность, что приводит к уменьшению его КПД.
Недостатком известного аксиального двухвходового ветро-солнечного генератора является низкий КПД при малой продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока вследствие наличия только одной степени свободы, т.е установленные на валу элементы магнитной системы генератора, образующие ротор (внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью уложена обмотка возбуждения основного генератора, а со стороны индуктора возбудителя уложена обмотка якоря возбудителя), вращаются относительно продольной оси (оси вращения ротора) в одну сторону с угловой скоростью, прямо пропорциональной продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока.
Корпус известного аксиального двухвходового ветро-солнечного генератора с установленными в нем постоянным многосекционным многополюсным магнитом индуктора возбудителя и боковым аксиальным магнитопроводом с многофазной обмоткой якоря основного генератора неподвижен, что не позволяет увеличить взаимную скорость вращения элементов магнитной системы генератора, установленных на роторе, относительно элементов магнитной системы генератора, установленных в корпусе, при неизменной по величине продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока, и, следовательно, снижает его энергоэффективность, т.е. уменьшает КПД, при малой продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами за прототип является аксиальный трехвходовый ветро-солнечный генератор (пат. РФ. №2636387, авторы Кашин Я.М., Кашин А.Я., Яковенко А.А.), содержащий корпус, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу, закрепленном в корпусе в подшипниковых узлах, при этом в корпусе с одной стороны жестко закреплен постоянный многосекционный многополюсный магнит индуктора возбудителя, между секциями которого выполнены пазы, в которые уложена однофазная дополнительная обмотка возбуждения возбудителя, а с противоположной стороны жестко закреплен боковой аксиальный магнитопровод с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, при этом на валу между постоянным многосекционным многополюсным магнитом индуктора возбудителя с однофазной дополнительной обмоткой возбуждения возбудителя и боковым аксиальным магнитопроводом с одной активной торцовой поверхностью жестко закреплен посредством диска внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны бокового аксиального магнитопровода уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, а со стороны постоянного многосекционного многополюсного магнита индуктора возбудителя уложена многофазная обмотка якоря возбудителя, при этом однофазная обмотка возбуждения основного генератора соединена с многофазной обмоткой якоря возбудителя через многофазный двухполупериодный выпрямитель, а внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями выполнен с возможностью вращения относительно постоянного многосекционного многополюсного магнита индуктора возбудителя с однофазной дополнительной обмоткой возбуждения возбудителя и бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью. Корпус генератора выполнен в форме цилиндра, к внешнему основанию которого прикреплена ступица ветроколеса, а в средней части боковой поверхности корпуса генератора установлены токосъемные кольца, соединенные с многофазной обмоткой якоря основного генератора и однофазной дополнительной обмоткой возбуждения возбудителя, при этом корпус генератора установлен внутри совмещенной стационарной подшипниковой опоры с возможностью вращения относительно внутреннего магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями вокруг их общей оси симметрии, причем совмещенная стационарная подшипниковая опора состоит из корпуса опоры с двумя посадочными желобами и двух шарикоподшипников с наружными кольцами, посредством которых шарикоподшипники зафиксированы в посадочных желобах корпуса опоры, при этом внутренние кольца шарикоподшипников выполнены совмещенными с корпусом генератора в форме желобов, расположенных на боковой поверхности корпуса генератора вдоль его оснований напротив посадочных желобов корпуса опоры, в нижней внутренней части которой по центру напротив токосъемных колец установлены скользящие контакты.
Однако в связи с наличием в этом генераторе щеточно-коллекторного узла возникает ряд недостатков, свойственных контактным электрическим машинам: искрение щеток, переходящее в круговой огонь из-за неравномерного их износа, вибрация щеток, их заклинивание и др. Более 40% отказов вращающихся контактных электрических машин приходится на щеточно-коллекторный узел. Помимо этого конструкция генератора, принятого за прототип, сложна и недостаточно надежна из-за необходимости обеспечивать вращение и корпуса и внутреннего вала, применяя при этом четыре подшипниковых узла. Вследствие горизонтального расположения оси вращения элементов магнитной системы известного генератора его работа существенно зависит от скорости и направления ветра, при малой скорости ветра или малой величине продольной составляющей скорости ветра коэффициент использования энергии ветра (а, следовательно, и КПД такого генератора) низок. Кроме того, ветряные лопасти при горизонтальной компоновке занимают достаточно много места, что ухудшает массогабаритные показатели ветро-солнечной генераторной установки в целом.
Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование ветро-солнечного генератора, позволяющее улучшить его эксплуатационные характеристики.
Технический результат заявленного изобретения - упрощение конструкции, повышение надежности, улучшение массогабаритных показателей, повышение КПД, повышение коэффициента использования энергии ветра.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом вертикально-осевом аксиальном трехвходовом бесконтактном безваловом ветро-солнечном генераторе (ВОАББ-ВСГ), содержащем корпус, возбудитель и основной генератор, при этом в корпусе с одной стороны жестко закреплен постоянный многосекционный многополюсный магнит, между секциями которого выполнены пазы, в которые уложена однофазная дополнительная обмотка возбуждения, а с противоположной стороны жестко закреплен аксиальный магнитопровод с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря основного генератора, при этом между постоянным многосекционным многополюсным магнитом с однофазной дополнительной обмоткой возбуждения и аксиальным магнитопроводом с одной активной торцовой поверхностью закреплен первый внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью уложена однофазная обмотка возбуждения основного генератора, а с противоположной стороны уложена многофазная обмотка якоря возбудителя, при этом однофазная обмотка возбуждения основного генератора соединена с многофазной обмоткой якоря возбудителя через первый многофазный двухполупериодный выпрямитель, а первый внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями выполнен с возможностью вращения относительно постоянного многосекционного многополюсного магнита с однофазной дополнительной обмоткой возбуждения и аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, при этом корпус выполняют составным и состоящим из неподвижных верхней и нижней частей и выполняемых с возможностью вращения верхней внутренней и нижней внутренней секций, при этом верхнюю внутреннюю секцию устанавливают в верхней и средней подшипниковых опорах, а нижнюю внутреннюю секцию устанавливают в средней и нижней подшипниковых опорах, при этом в верхней части корпуса жестко закрепляют постоянный многосекционный многополюсный магнит с однофазной дополнительной обмоткой возбуждения, в нижней части корпуса жестко закрепляют аксиальный магнитопровод с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого укладывают многофазную обмотка якоря основного генератора, а верхнюю и нижнюю внутренние секции выполняют с возможностью вращения относительно постоянного многосекционного многополюсного магнита, аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью и друг относительно друга, при этом в нижней внутренней секции жестко закрепляют первый внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, а в верхней внутренней секции между постоянным многосекционным многополюсным магнитом и первым внутренним аксиальным магнитопроводом с двумя активными торцовыми поверхностями жестко закрепляют второй внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны постоянного многосекционного многополюсного магнита укладывают многофазную обмотку якоря подвозбудителя, а со стороны первого внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями укладывают однофазную обмотку возбуждения возбудителя, соединенную с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя через второй многофазный двухполупериодный выпрямитель.
Улучшение эксплуатационных характеристик ветро-солнечного генератора достигается за счет упрощения его конструкции, повышения надежности, улучшения массогабаритных показателей, повышения КПД и повышения коэффициента использования энергии ветра.
Повышение КПД и коэффициента использования энергии ветра обеспечивается благодаря тому, что корпус выполняют составным и состоящим из неподвижных верхней и нижней частей и верхней и нижней внутренних секций, выполняемых с возможностью вращения относительно постоянного многосекционного многополюсного магнита с однофазной дополнительной обмоткой возбуждения, жестко закрепленного в верхней части корпуса, аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого укладывают многофазную обмотку якоря основного генератора, жестко закрепляемого в нижней части корпуса, и друг относительно друга. Такая конструкция обеспечивает возможность вращения верхней и нижней внутренних секций в противоположные стороны, что позволяет увеличить их взаимную скорость вращения при неизменной скорости набегающего воздушного потока (например, ветра), то есть увеличить коэффициент использования энергии ветра.
Жесткое закрепление в нижней внутренней секции первого внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, а в верхней внутренней секции между постоянным многосекционным многополюсным магнитом и первым внутренним аксиальным магнитопроводом с двумя активными торцовыми поверхностями - второго внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны постоянного многосекционного многополюсного магнита уложена многофазная обмотка якоря подвозбудителя, а со стороны первого внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, соединенная с многофазной обмоткой якоря подвозбудителя через второй многофазный двухполупериодный выпрямитель, позволяет увеличить взаимную скорость вращения соответствующих магнитопроводов с уложенными в их пазы обмотками при неизменной скорости набегающего воздушного потока (например, ветра), то есть также позволяет увеличить при одной и той же скорости набегающего воздушного потока (то есть энергии, поступающей на механические входы) коэффициент использования энергии ветра и коэффициент полезного действия, выходное напряжение при этом увеличивается пропорционально сумме скоростей вращения верхней и нижней внутренних секций с жестко закрепленными в них соответствующими элементами электромагнитной системы предлагаемого генератора).
Повышение надежности предлагаемого ветро-солнечноо генератора достигается за счет того, что верхнюю внутреннюю секцию устанавливают в верхней и средней подшипниковых опорах, а нижнюю внутреннюю секцию устанавливают в средней и нижней подшипниковых опорах. Установка внутренних секций предлагаемого генератора в подшипниковых опорах более надежна, чем установка на одном валу элементов магнитной системы прототипа (возбудителя и основного генератора), образующих ротор, в подшипниковых узла. Подшипниковые опоры более долговечны, а также более устойчивы к перекосам вращающихся элементов.
Улучшение массогабаритных показателей и упрощение конструкции достигается выполнением конструкции предлагаемого генератора безваловой. Пространство внутри аксиальных магнитопроводов может быть использовано для размещения в нем дополнительных элементов генераторной установки, в состав которой может входить предлагаемый генератор. Кроме того, массогабаритные показатели генераторной установки, в состав которой может быть включен предлагаемый генератор, улучшаются за счет вертикального расположения оси вращения элементов генератора. Это позволяет использовать вместо лопастей с горизонтальным расположением оси вращения, имеющих большой диаметр, использовать малогабаритный ротор Дарье или ротор Савониуса.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого вертикально-осевого аксиального трехвходового бесконтактного безвалового ветро-солнечного генератора в разрезе, на фиг. 2 - его электрическая схема.
Вертикально-осевой аксиальный трехвходовый бесконтактный безваловый ветро-солнечный генератор содержит составной корпус 1, состоящий из неподвижных верхней и нижней частей и выполненных с возможностью вращения верхней внутренней 14 и нижней внутренней 12 секций.
В верхней части корпуса 1 жестко закреплен постоянный многосекционный многополюсный магнит 2 с пазами, в которые уложена однофазная дополнительная обмотка 3 возбуждения.
В нижней части корпуса 1 жестко закреплен аксиальный магнитопровод 9 с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря 10 основного генератора.
В средней части корпуса 1 в верхней 5 и средней 7 подшипниковых опорах установлена верхняя внутренняя секция 14 корпуса 1, а в средней 7 и нижней 8 подшипниковых опорах установлена нижняя внутренняя секция 12 корпуса 1.
Верхняя 14 и нижняя 12 внутренние секции корпуса 1 выполнены с возможностью вращения относительно постоянного многосекционного многополюсного магнита 2, аксиального магнитопровода 9 с одной активной торцовой поверхностью и друг относительно друга.
В нижней внутренней секции 12 корпуса 1 жестко закреплен первый внутренний аксиальный магнитопровод 6 с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода 9 с одной активной торцовой поверхностью уложена однофазная обмотка 11 возбуждения основного генератора, а с противоположной стороны уложена многофазная обмотка 13 якоря возбудителя. Однофазная обмотка возбуждения 11 основного генератора соединена с многофазной обмоткой 13 якоря возбудителя через первый многофазный двухполупериодный выпрямитель 18.
В верхней внутренней секции 14 корпуса 1 между постоянным многосекционным многополюсным магнитом 2 и первым внутренним аксиальным магнитопроводом 6 с двумя активными торцовыми поверхностями жестко закреплен второй внутренний аксиальный магнитопровод 4 с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны постоянного многосекционного многополюсного магнита 2 уложена многофазная обмотка 15 якоря подвозбудителя, а со стороны первого внутреннего аксиального магнитопровода 6 с двумя активными торцовыми поверхностями уложена однофазная обмотка 16 возбуждения возбудителя, соединенная с многофазной обмоткой 15 якоря подвозбудителя через второй многофазный двухполупериодный выпрямитель 17.
Вертикально-осевой аксиальный трехвходовый бесконтактный безваловый ветро-солнечный генератор работает следующим образом.
При подаче на электрический вход (однофазную дополнительную обмотку 3 возбуждения) постоянного тока (например, от фотоэлектрических преобразователей, преобразующих световую энергию Солнца в электрическую энергию постоянного тока) по дополнительной однофазной обмотке 3 возбуждения протекает ток, при этом создается магнитный поток, направленный согласно с магнитным потоком, создаваемым постоянным многосекционным многополюсным магнитом 2. По принципу суперпозиции магнитных полей магнитные потоки, создаваемые однофазной дополнительной обмоткой возбуждения 3 и постоянным многосекционным многополюсным магнитом 2, суммируются.
При подаче механической энергии вращения на первый механический вход (верхняя внутренняя секция 14 корпуса 1, установленная в средней части корпуса 1 в верхней 5 и средней 7 подшипниковых опорах) второй внутренний аксиальный магнитопровод 4, в пазы которого со стороны постоянного многосекционного многополюсного магнита 2 уложена многофазная обмотка 15 якоря подвозбудителя, а со стороны первого внутреннего аксиального магнитопровода 6 с двумя активными торцовыми поверхностями уложена однофазная обмотка 16 возбуждения возбудителя, приходит во вращение (например, по часовой стрелке). При этом суммарный магнитный поток, созданный постоянным многосекционным многополюсным постоянным магнитом 2 и однофазной дополнительной обмоткой возбуждения 3 взаимодействует с многофазной обмоткой 15 якоря подвозбудителя, уложенной в пазы второго внутреннего аксиального магнитопровода 4 со стороны постоянного многосекционного многополюсного магнита 2, и наводит в ней многофазную ЭДС. Эта ЭДС выпрямляется вторым многофазным двухполупериодным выпрямителем 17 и подается на однофазную обмотку 16 возбуждения возбудителя, уложенную в пазы второго внутреннего аксиального магнитопровода 4 со стороны первого внутреннего аксиального магнитопровода 6.
При подаче механической энергии вращения на второй механический вход (нижняя внутренняя секция 12 корпуса 1, установленная в средней части корпуса 1 в средней 7 и нижней 8 подшипниковых опорах) первый внутренний аксиальный магнитопровод 6, в пазы которого со стороны второго внутреннего аксиального магнитопровода 4 уложена многофазная обмотка 13 якоря возбудителя, а со стороны аксиального магнитопровода 9 с одной активной торцовой поверхностью уложена однофазная обмотка 11 возбуждения основного генератора, приходит во вращение в противоположную сторону (например, против часовой стрелки).
При этом магнитный поток, созданный однофазной обмоткой 16 возбуждения возбудителя взаимодействует с многофазной обмоткой 13 якоря возбудителя и наводит в ней многофазную ЭДС. Эта ЭДС выпрямляется первым многофазным двухполупериодным выпрямителем 18 и подается на однофазную обмотку 11 возбуждения основного генератора, уложенную в пазы первого внутреннего аксиального магнитопровода 6 со стороны аксиального магнитопровода 9. При этом в однофазной обмотке 11 возбуждения основного генератора создается магнитный поток.
Магнитный поток, созданный однофазной обмоткой 11 возбуждения основного генератора, взаимодействует с многофазной обмоткой 10 якоря основного генератора, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 9, и наводит в ней многофазную ЭДС, которая подается в сеть.
В результате описанных процессов происходит суммирование механической энергии вращения (например, кинетической энергии ветра, преобразованной в механическую энергию вращения ротором Дарье или ротором Савониуса), поступающей на первый и второй механические входы и электрической энергии постоянного тока (например, световой энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока), поступающей на электрический вход, преобразование и выдача на выходе суммарной электрической энергии переменного тока.
Выходное напряжение генератора снимается с многофазной обмотки 10 якоря основного генератора и подается в сеть.
Генерируемое в предлагаемом вертикально-осевом аксиальном трех-входовом бесконтактном безваловом ветро-солнечном генераторе за счет преобразования механической энергии вращения напряжение пропорционально сумме скорости вращения верхней 14 и нижней 12 внутренних секций корпуса 1 генератора относительно их общей оси симметрии (вертикальной оси вращения) и определяется по формуле:
6
11
13
где с - конструктивный коэффициент, ω - скорость вращения нижней внутренней секции 12 корпуса 1 с первым внутренним аксиальным магнитопроводом 6 относительно вертикальной оси вращения, прямо пропорциональная скорости набегающего воздушного потока (ветра), Ф(U) - магнитный поток возбуждения основного генератора, создаваемый током, протекающим в однофазной обмотке 11 возбуждения основного генератора, пропорциональный напряжению, снимаемому с многофазной обмотки 13 якоря возбудителя, которое определяется по формуле:
6
4
16
15
где с - конструктивный коэффициент, ω - скорость вращения нижней внутренней секции 12 корпуса 1 с первым внутренним аксиальным магнитопроводом 6 относительно вертикальной оси вращения, прямо пропорциональная скорости набегающего воздушного потока (ветра), ω - скорость вращения верхней внутренней секции 14 корпуса 1 со вторым внутренним аксиальным магнитопроводом 4 относительно вертикальной оси вращения, прямо пропорциональная скорости набегающего воздушного потока (ветра), Ф(U) - магнитный поток возбуждения возбудителя, создаваемый током, протекающим в однофазной обмотке 16 возбуждения возбудителя, пропорциональный напряжению, снимаемому с многофазной обмотки 15 якоря подвозбудителя, которое определяется по формуле:
4
2
3
где с - конструктивный коэффициент, w - скорость вращения верхней внутренней секции 14 корпуса 1 со вторым внутренним аксиальным магнитопроводом 4 относительно вертикальной оси вращения, прямо пропорциональная скорости набегающего воздушного потока (ветра), Ф - магнитный поток, создаваемый постоянным многосекционным многополюсным магнитом 2, Ф - магнитный поток возбуждения, создаваемый током, протекающим в однофазной дополнительной обмотке 3 возбуждения, пропорциональный напряжению, снимаемому с выхода фотоэлектрического преобразователя.
Существенным преимуществом предлагаемого вертикально-осевого аксиального трехвходового бесконтактного безвалового ветро-солнечного генератора является возможность использования его внутреннего пространства для установки крепежной трубы для размещения в ней проводов для управления ФЭП, которые могут быть размещены над ВОАТББ-ВСГ и закреплены на этой же крепежной трубе для использования с ВОАТББ-ВСГ. Кроме этого вертикально-осевая компоновка предлагаемого трехвходового ветро-солнечного генератора обеспечивает возможность закрепления на верхней и нижней внутренних секциях корпуса вертикальных ветроустановок (например, ротора Дарье или ротора Савониуса).